PEC裝配式建筑焊接溫度對混凝土強(qiáng)度的影響研究*

柳躍強(qiáng)，汪 旭，龐 赫，李 慧，褚雄頻

(浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313071)

1 工程概況

湖州市東升和府10號樓采用裝配式PEC建筑結(jié)構(gòu)體系，裝配率達(dá)94%，主要通過預(yù)制PEC柱上的鋼牛腿與預(yù)制PEC梁栓焊連接[1]，先栓后焊，檢測合格后，再依次綁扎鋼筋、支設(shè)節(jié)點(diǎn)模板、灌注細(xì)石混凝土，達(dá)到一定強(qiáng)度后拆模，完成節(jié)點(diǎn)安裝，如圖1所示。

圖1 預(yù)制PEC梁-柱連接節(jié)點(diǎn)

實(shí)際實(shí)施中，存在如下問題：①工廠預(yù)制PEC柱時(shí)，因帶有鋼牛腿導(dǎo)致工廠加工程序復(fù)雜、運(yùn)輸成本增加、堆場占用空間增大，安裝效率較低；②現(xiàn)場安裝過程中，預(yù)制PEC鋼梁與牛腿對接口易錯(cuò)口錯(cuò)邊，翼緣板錯(cuò)邊后焊縫有效厚度減少量為2倍錯(cuò)邊長度量，PEC構(gòu)件鋼骨壁厚較薄，削弱節(jié)點(diǎn)對接區(qū)域的有效受力面積；③對接口錯(cuò)邊導(dǎo)致牛腿與鋼梁上表面標(biāo)高上的偏差，預(yù)制樓板與鋼梁無法貼實(shí)，板與梁間留有較大間隙，對預(yù)制樓板穩(wěn)定性和受力產(chǎn)生不利影響；節(jié)點(diǎn)空腔需綁扎鋼筋，支設(shè)模板并澆筑混凝土，節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，施工程序繁瑣，施工效率低下；需搭設(shè)操作腳手架進(jìn)行高空作業(yè)，尤其是臨邊節(jié)點(diǎn)施工，需掛設(shè)吊籠才能安全操作，安全風(fēng)險(xiǎn)大，施工成本高；⑤節(jié)點(diǎn)區(qū)域現(xiàn)澆施工易漏漿，污染場地，拆除后的模板形成建筑垃圾，不符合裝配式結(jié)構(gòu)綠色環(huán)保理念。

針對實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題，參考鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造[2]，對預(yù)制PEC梁與預(yù)制PEC柱采取直接焊接的形式，取消牛腿設(shè)置，如圖2所示。此方法可有效解決問題，且可通過節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)干作業(yè)或減少濕作業(yè)量。對比常用節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，具有如下經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 預(yù)制PEC梁-柱取消牛腿連接節(jié)點(diǎn)

1)預(yù)制PEC柱加工比鋼柱減少鋼牛腿組焊的人工和輔材費(fèi)用，牛腿組焊人工費(fèi)+輔材費(fèi)平均約600元/根，294根PEC柱可節(jié)約17.64萬元。

2)PEC柱在工廠采取混凝土整體澆筑方案，有外伸牛腿的模具基本不具有通用性，無外伸牛腿的模具通用性強(qiáng)，胎架和開模數(shù)量可減少40%左右，胎架費(fèi)用約3t×0.6萬元=1.8萬元/套，開模費(fèi)用約0.5t×1.2萬元=0.6萬元/套，可節(jié)約25套×(1.8萬元/套+0.6萬元/套)×40%=24萬元。

3)同為濕作業(yè)情況下，單個(gè)有牛腿節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場混凝土澆筑量為0.036m3，模板沾灰面積0.36m2；單個(gè)無牛腿節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場混凝土澆筑量為0.015m3，模板沾灰面積0.15m2。兩者對比，單個(gè)節(jié)點(diǎn)混凝土現(xiàn)澆量減少0.021m3，模板(按木模板計(jì))沾灰面積節(jié)約0.21m2；現(xiàn)場混凝土澆筑費(fèi)用約50元/m3，模板沾灰面積60元/m2，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可節(jié)約0.021m3×50元/m3+0.21m2×60元/m2=13.65元/個(gè)，約有2 856個(gè)節(jié)點(diǎn)，可節(jié)約3.9萬元。

按上述統(tǒng)計(jì)，東升和府10號樓地上建筑面積約1.1萬m2，按建筑面積可節(jié)約40元/m2，并且此方法還可提高工廠制造和現(xiàn)場施工效率，縮減工期。

預(yù)制PEC構(gòu)件時(shí)，焊接產(chǎn)生的高溫可能對混凝土性能產(chǎn)生不利影響。為研究可能出現(xiàn)的不利情況，本文通過足尺模擬試驗(yàn)，先研究焊接產(chǎn)生的局部高溫對PEC構(gòu)件混凝土溫度分布的影響，其次通過鉆芯取樣方法對高溫影響區(qū)域的混凝土進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，驗(yàn)證混凝土在高溫后的力學(xué)性能。在確保施焊區(qū)域混凝土性能未受影響的前提下，才能開展相應(yīng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造研究。

2 試件設(shè)計(jì)與制備

本試驗(yàn)采用同東升和府10號樓設(shè)計(jì)的PEC梁柱規(guī)格進(jìn)行足尺板厚試驗(yàn)，共18件(9件為有熱電偶試件，9件為無熱電偶對比試件)足尺試件。選用C30強(qiáng)度等級的普通混凝土、Q355B級鋼材、φ8的HRB400級鋼筋。試件中鋼柱截面尺寸均為H600×200×8×12，鋼梁采用3種截面，試件參數(shù)如表1所示。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼筋布置為橫向14根、縱向12根，采用M16×70圓柱頭栓釘，鋼柱內(nèi)部對應(yīng)梁翼緣板位置設(shè)置雙面等厚加勁板，并考慮鋼梁翼緣板厚度不等，翼緣板焊接工藝不同，焊接順序不同等因素。

采用熱電偶檢測梁柱鋼板焊接過程中柱節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)混凝土溫度分布狀況[3]。試件采用螺釘熱電偶，規(guī)格型號為WRNT-M6，分度號為K形，溫度范圍0～600℃，引線材質(zhì)為編織金屬屏蔽線。單個(gè)試件配有64個(gè)熱電偶，分3層布置，第1，3層布置20個(gè)，中間層布置24個(gè)(見圖3)。

圖3 試件熱電偶分布

試件制備包括梁、柱鋼試件制作，熱電偶預(yù)埋，預(yù)制混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)、同條件標(biāo)準(zhǔn)試件養(yǎng)護(hù)等工作。

當(dāng)混凝土達(dá)到規(guī)定齡期28d時(shí)，將PEC柱和鋼梁根據(jù)如圖4所示的形式進(jìn)行拼裝，依據(jù)表1參數(shù)一一對應(yīng)。使用鋼板接連地線，熱電偶輸出端根據(jù)編號連接多路溫度記錄儀，并焊接梁柱板材。

圖4 試件拼裝

試件溫度采用多路溫度記錄儀進(jìn)行檢測，為MT-64X、64通道型號。測量范圍分度號K為-100～600℃±(0.3%rdg+1.0℃)，解析度為0.01℃。

從焊接開始記錄混凝土變化溫度，直至混凝土降為常溫，如圖5所示。

圖5 溫度記錄儀實(shí)時(shí)溫度曲線

3 焊接工藝評定

該試驗(yàn)?zāi)M室外現(xiàn)場焊接環(huán)境，由于焊接參數(shù)沒有專用標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，因此試驗(yàn)前采用同本試驗(yàn)相同材質(zhì)和規(guī)格的鋼材進(jìn)行焊接工藝評定[4]。環(huán)境各參數(shù)指標(biāo)同本試驗(yàn)，道間溫度控制在100～150℃，CO2氣流控制在20L/min。焊接方式為GMAW、反面加設(shè)墊板，采用平焊，對接形式為十字接頭，坡口形式為單V。焊縫采用ER50-6焊絲，直徑為1.2mm。焊接設(shè)備為OTCXD-500。焊前清除油、銹、水及氧化皮，道間清理焊渣及上道缺陷。背面采用清根碳弧氣刨+砂輪進(jìn)行修整，焊接參數(shù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)

焊接試驗(yàn)完成后，對焊接工藝評定的試件進(jìn)行取樣檢測，包括拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、宏觀酸蝕和維氏硬度試驗(yàn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接試驗(yàn)合格，且焊縫內(nèi)部沒有缺陷，此焊接工藝參數(shù)可用于本試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)溫度記錄儀檢測結(jié)果，分析焊接熱對PEC柱預(yù)制混凝土內(nèi)的溫度場分布情況，評估焊接熱對混凝土的影響程度。由于熱電偶較多，篩選匯總收集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將每個(gè)熱電偶的最高溫表達(dá)在布置圖上，如圖6所示，并將溫度與熱電偶到熱源點(diǎn)距離做成折線圖，如圖7所示，能夠直觀看出距離熱源點(diǎn)100mm內(nèi)的熱電偶溫度值起伏較大，可用于試驗(yàn)分析，因此將試件中距離熱源點(diǎn)100mm范圍內(nèi)的6個(gè)熱電偶溫度變化做成圖表，如圖8所示。

圖6 熱電偶最高溫度分布

圖7 熱電偶最高溫度-距離折線

圖8 各試件溫度曲線

根據(jù)各試件熱電偶曲線和布置可知，離焊接熱源點(diǎn)距離越近最高溫度越高，溫度起伏越明顯，最高溫度為106.2℃，距離焊接熱源點(diǎn)越遠(yuǎn)最高溫度越低，溫度變化越不明顯。觀察試件焊接過程中的溫度變化，即使采用不同鋼材板厚、焊接工藝和焊接順序，得出的曲線圖形狀大體相同，最高溫度范圍在70.6～106.2℃，可見試驗(yàn)設(shè)計(jì)控制變量參數(shù)對PEC柱預(yù)制混凝土的溫度分布影響不大。

針對高溫作用后的混凝土試件抗壓強(qiáng)度，已有不同研究者擬合出隨溫度變化的關(guān)系曲線[5]，如圖9所示。

圖9 高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系

從之前研究者給出的試驗(yàn)擬合曲線來看，300℃內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度下降不明顯，300℃后強(qiáng)度急劇下降。而本試驗(yàn)混凝土最高溫度為106.2℃，未達(dá)到影響混凝土強(qiáng)度的300℃，由此判斷焊接工藝評定確定的參數(shù)對混凝土影響不大。

5 混凝土抗壓試驗(yàn)

為確定焊接試驗(yàn)后試件內(nèi)混凝土強(qiáng)度是否受影響，因此在試驗(yàn)結(jié)束后對試件進(jìn)行鉆芯取樣測定混凝土強(qiáng)度[6]。澆筑混凝土?xí)r，根據(jù)立方體抗壓試驗(yàn)規(guī)范要求，留取150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊作為同條件養(yǎng)護(hù)試件[7]。在試件全部焊接完成后，采用鉆芯法為9件無熱電偶對比試件進(jìn)行取樣，鉆芯位置靠近焊接區(qū)域，每個(gè)試件取6個(gè)芯樣(每面3個(gè))，共54件，芯樣分布如圖10所示。

圖10 芯樣布置

取樣時(shí)采用鋼筋探測儀避開鋼筋位置，測定正確位置后，固定取芯鉆機(jī)，依次取樣。芯樣抗壓試件高度和直徑比應(yīng)在1～2范圍內(nèi)，采用切割機(jī)加工芯樣試件，并采用雙面磨平機(jī)使鋸切平面垂直于芯樣軸線。由于試件中鋼筋密集，無法鉆取標(biāo)準(zhǔn)芯樣，因此選取芯樣尺寸為φ55×55的圓柱體。

芯樣試件的抗壓試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[8]。芯樣試件在與被檢測構(gòu)件混凝土濕度基本一致的條件下進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，抗壓檢測結(jié)果如圖11所示。

圖11 各試件混凝土抗壓檢測結(jié)果

檢測結(jié)果表明，54件芯樣的混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為37.12MPa，6件同期養(yǎng)護(hù)試塊的混凝土抗壓強(qiáng)度值為32.3～41.2MPa，均大于混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，此次檢測結(jié)果合格，試件混凝土強(qiáng)度未受影響。

6 結(jié)語

1)焊接過程中測得的混凝土最高溫度為106.2℃，尚未達(dá)到影響混凝土強(qiáng)度的300℃，結(jié)合混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)制PEC構(gòu)件在焊接過程中產(chǎn)生的高溫未影響混凝土性能。

2)通過鉆芯取樣和芯樣抗壓試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證焊接產(chǎn)生的高溫未影響試件中混凝土抗壓強(qiáng)度。

3)由現(xiàn)場焊接工藝評定確定的焊接參數(shù)對試件材料力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性未造成影響，此參數(shù)可用于PEC梁柱節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場焊接。

4)本試驗(yàn)取消在PEC梁柱連接節(jié)點(diǎn)中設(shè)置牛腿，經(jīng)計(jì)算，可對PEC結(jié)構(gòu)工程帶來較大經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，本試驗(yàn)對PEC梁柱節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化具有較大意義，工程中可取消牛腿設(shè)置，采用梁柱直接焊接翼緣板，進(jìn)行腹板螺栓連接，以簡化工序、綠色環(huán)保、縮短工期。