PEC裝配式建筑焊接溫度對混凝土強度的影響研究*

柳躍強，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建筑結構體系，裝配率達94%，主要通過預制PEC柱上的鋼牛腿與預制PEC梁栓焊連接[1]，先栓后焊，檢測合格后，再依次綁扎鋼筋、支設節點模板、灌注細石混凝土，達到一定強度后拆模，完成節點安裝，如圖1所示。

圖1 預制PEC梁-柱連接節點

實際實施中，存在如下問題：①工廠預制PEC柱時，因帶有鋼牛腿導致工廠加工程序復雜、運輸成本增加、堆場占用空間增大，安裝效率較低；②現場安裝過程中，預制PEC鋼梁與牛腿對接口易錯口錯邊，翼緣板錯邊后焊縫有效厚度減少量為2倍錯邊長度量，PEC構件鋼骨壁厚較薄，削弱節點對接區域的有效受力面積；③對接口錯邊導致牛腿與鋼梁上表面標高上的偏差，預制樓板與鋼梁無法貼實，板與梁間留有較大間隙，對預制樓板穩定性和受力產生不利影響；節點空腔需綁扎鋼筋，支設模板并澆筑混凝土，節點數量多，施工程序繁瑣，施工效率低下；需搭設操作腳手架進行高空作業，尤其是臨邊節點施工，需掛設吊籠才能安全操作，安全風險大，施工成本高；⑤節點區域現澆施工易漏漿，污染場地，拆除后的模板形成建筑垃圾，不符合裝配式結構綠色環保理念。

針對實施過程中出現的問題，參考鋼結構梁柱連接節點構造[2]，對預制PEC梁與預制PEC柱采取直接焊接的形式，取消牛腿設置，如圖2所示。此方法可有效解決問題，且可通過節點設計實現干作業或減少濕作業量。對比常用節點構造，具有如下經濟效益。

圖2 預制PEC梁-柱取消牛腿連接節點

1)預制PEC柱加工比鋼柱減少鋼牛腿組焊的人工和輔材費用，牛腿組焊人工費+輔材費平均約600元/根，294根PEC柱可節約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，胎架和開模數量可減少40%左右，胎架費用約3t×0.6萬元=1.8萬元/套，開模費用約0.5t×1.2萬元=0.6萬元/套，可節約25套×(1.8萬元/套+0.6萬元/套)×40%=24萬元。

3)同為濕作業情況下，單個有牛腿節點的現場混凝土澆筑量為0.036m3，模板沾灰面積0.36m2；單個無牛腿節點現場混凝土澆筑量為0.015m3，模板沾灰面積0.15m2。兩者對比，單個節點混凝土現澆量減少0.021m3，模板(按木模板計)沾灰面積節約0.21m2；現場混凝土澆筑費用約50元/m3，模板沾灰面積60元/m2，一個節點可節約0.021m3×50元/m3+0.21m2×60元/m2=13.65元/個，約有2 856個節點，可節約3.9萬元。

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

預制PEC構件時，焊接產生的高溫可能對混凝土性能產生不利影響。為研究可能出現的不利情況，本文通過足尺模擬試驗，先研究焊接產生的局部高溫對PEC構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域的混凝土進行抗壓試驗，驗證混凝土在高溫后的力學性能。在確保施焊區域混凝土性能未受影響的前提下，才能開展相應節點構造研究。

2 試件設計與制備

本試驗采用同東升和府10號樓設計的PEC梁柱規格進行足尺板厚試驗，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，試件參數如表1所示。

表1 試件設計參數

鋼筋布置為橫向14根、縱向12根，采用M16×70圓柱頭栓釘，鋼柱內部對應梁翼緣板位置設置雙面等厚加勁板，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點范圍內混凝土溫度分布狀況[3]。試件采用螺釘熱電偶，規格型號為WRNT-M6，分度號為K形，溫度范圍0～600℃，引線材質為編織金屬屏蔽線。單個試件配有64個熱電偶，分3層布置，第1，3層布置20個，中間層布置24個(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，熱電偶預埋，預制混凝土澆筑與養護、同條件標準試件養護等工作。

當混凝土達到規定齡期28d時，將PEC柱和鋼梁根據如圖4所示的形式進行拼裝，依據表1參數一一對應。使用鋼板接連地線，熱電偶輸出端根據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 溫度記錄儀實時溫度曲線

3 焊接工藝評定

該試驗模擬室外現場焊接環境，由于焊接參數沒有專用標準指導，因此試驗前采用同本試驗相同材質和規格的鋼材進行焊接工藝評定[4]。環境各參數指標同本試驗，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+砂輪進行修整，焊接參數如表2所示。

表2 焊接參數

焊接試驗完成后，對焊接工藝評定的試件進行取樣檢測，包括拉伸試驗、沖擊試驗、宏觀酸蝕和維氏硬度試驗。依據標準進行檢測，結果符合國家標準要求，焊接試驗合格，且焊縫內部沒有缺陷，此焊接工藝參數可用于本試驗。

4 試驗結果及分析

根據溫度記錄儀檢測結果，分析焊接熱對PEC柱預制混凝土內的溫度場分布情況，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數據，將每個熱電偶的最高溫表達在布置圖上，如圖6所示，并將溫度與熱電偶到熱源點距離做成折線圖，如圖7所示，能夠直觀看出距離熱源點100mm內的熱電偶溫度值起伏較大，可用于試驗分析，因此將試件中距離熱源點100mm范圍內的6個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

根據各試件熱電偶曲線和布置可知，離焊接熱源點距離越近最高溫度越高，溫度起伏越明顯，最高溫度為106.2℃，距離焊接熱源點越遠最高溫度越低，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℃，可見試驗設計控制變量參數對PEC柱預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度，已有不同研究者擬合出隨溫度變化的關系曲線[5]，如圖9所示。

圖9 高溫后混凝土抗壓強度與溫度關系

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

5 混凝土抗壓試驗

為確定焊接試驗后試件內混凝土強度是否受影響，因此在試驗結束后對試件進行鉆芯取樣測定混凝土強度[6]。澆筑混凝土時，根據立方體抗壓試驗規范要求，留取150mm×150mm×150mm標準立方體試塊作為同條件養護試件[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行取樣，鉆芯位置靠近焊接區域，每個試件取6個芯樣(每面3個)，共54件，芯樣分布如圖10所示。

圖10 芯樣布置

取樣時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，依次取樣。芯樣抗壓試件高度和直徑比應在1～2范圍內，采用切割機加工芯樣試件，并采用雙面磨平機使鋸切平面垂直于芯樣軸線。由于試件中鋼筋密集，無法鉆取標準芯樣，因此選取芯樣尺寸為φ55×55的圓柱體。

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

圖11 各試件混凝土抗壓檢測結果

檢測結果表明，54件芯樣的混凝土抗壓強度平均值為37.12MPa，6件同期養護試塊的混凝土抗壓強度值為32.3～41.2MPa，均大于混凝土抗壓強度設計值，此次檢測結果合格，試件混凝土強度未受影響。

6 結語

1)焊接過程中測得的混凝土最高溫度為106.2℃，尚未達到影響混凝土強度的300℃，結合混凝土抗壓強度試驗結果，預制PEC構件在焊接過程中產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進一步驗證焊接產生的高溫未影響試件中混凝土抗壓強度。

3)由現場焊接工藝評定確定的焊接參數對試件材料力學性能及結構穩定性未造成影響，此參數可用于PEC梁柱節點現場焊接。

4)本試驗取消在PEC梁柱連接節點中設置牛腿，經計算，可對PEC結構工程帶來較大經濟效益。

綜上所述，本試驗對PEC梁柱節點的優化具有較大意義，工程中可取消牛腿設置，采用梁柱直接焊接翼緣板，進行腹板螺栓連接，以簡化工序、綠色環保、縮短工期。