PEC装配式建筑焊接温度对混凝土强度的影响研究*

柳跃强，汪 旭，庞 赫，李 慧，褚雄频

(浙江大东吴建筑科技有限公司，浙江 湖州 313071)

1 工程概况

湖州市东升和府10号楼采用装配式PEC建筑结构体系，装配率达94%，主要通过预制PEC柱上的钢牛腿与预制PEC梁栓焊连接[1]，先栓后焊，检测合格后，再依次绑扎钢筋、支设节点模板、灌注细石混凝土，达到一定强度后拆模，完成节点安装，如图1所示。

图1 预制PEC梁-柱连接节点

实际实施中，存在如下问题：①工厂预制PEC柱时，因带有钢牛腿导致工厂加工程序复杂、运输成本增加、堆场占用空间增大，安装效率较低；②现场安装过程中，预制PEC钢梁与牛腿对接口易错口错边，翼缘板错边后焊缝有效厚度减少量为2倍错边长度量，PEC构件钢骨壁厚较薄，削弱节点对接区域的有效受力面积；③对接口错边导致牛腿与钢梁上表面标高上的偏差，预制楼板与钢梁无法贴实，板与梁间留有较大间隙，对预制楼板稳定性和受力产生不利影响；节点空腔需绑扎钢筋，支设模板并浇筑混凝土，节点数量多，施工程序繁琐，施工效率低下；需搭设操作脚手架进行高空作业，尤其是临边节点施工，需挂设吊笼才能安全操作，安全风险大，施工成本高；⑤节点区域现浇施工易漏浆，污染场地，拆除后的模板形成建筑垃圾，不符合装配式结构绿色环保理念。

针对实施过程中出现的问题，参考钢结构梁柱连接节点构造[2]，对预制PEC梁与预制PEC柱采取直接焊接的形式，取消牛腿设置，如图2所示。此方法可有效解决问题，且可通过节点设计实现干作业或减少湿作业量。对比常用节点构造，具有如下经济效益。

图2 预制PEC梁-柱取消牛腿连接节点

1)预制PEC柱加工比钢柱减少钢牛腿组焊的人工和辅材费用，牛腿组焊人工费+辅材费平均约600元/根，294根PEC柱可节约17.64万元。

2)PEC柱在工厂采取混凝土整体浇筑方案，有外伸牛腿的模具基本不具有通用性，无外伸牛腿的模具通用性强，胎架和开模数量可减少40%左右，胎架费用约3t×0.6万元=1.8万元/套，开模费用约0.5t×1.2万元=0.6万元/套，可节约25套×(1.8万元/套+0.6万元/套)×40%=24万元。

3)同为湿作业情况下，单个有牛腿节点的现场混凝土浇筑量为0.036m3，模板沾灰面积0.36m2；单个无牛腿节点现场混凝土浇筑量为0.015m3，模板沾灰面积0.15m2。两者对比，单个节点混凝土现浇量减少0.021m3，模板(按木模板计)沾灰面积节约0.21m2；现场混凝土浇筑费用约50元/m3，模板沾灰面积60元/m2，一个节点可节约0.021m3×50元/m3+0.21m2×60元/m2=13.65元/个，约有2 856个节点，可节约3.9万元。

按上述统计，东升和府10号楼地上建筑面积约1.1万m2，按建筑面积可节约40元/m2，并且此方法还可提高工厂制造和现场施工效率，缩减工期。

预制PEC构件时，焊接产生的高温可能对混凝土性能产生不利影响。为研究可能出现的不利情况，本文通过足尺模拟试验，先研究焊接产生的局部高温对PEC构件混凝土温度分布的影响，其次通过钻芯取样方法对高温影响区域的混凝土进行抗压试验，验证混凝土在高温后的力学性能。在确保施焊区域混凝土性能未受影响的前提下，才能开展相应节点构造研究。

2 试件设计与制备

本试验采用同东升和府10号楼设计的PEC梁柱规格进行足尺板厚试验，共18件(9件为有热电偶试件，9件为无热电偶对比试件)足尺试件。选用C30强度等级的普通混凝土、Q355B级钢材、φ8的HRB400级钢筋。试件中钢柱截面尺寸均为H600×200×8×12，钢梁采用3种截面，试件参数如表1所示。

表1 试件设计参数

钢筋布置为横向14根、纵向12根，采用M16×70圆柱头栓钉，钢柱内部对应梁翼缘板位置设置双面等厚加劲板，并考虑钢梁翼缘板厚度不等，翼缘板焊接工艺不同，焊接顺序不同等因素。

采用热电偶检测梁柱钢板焊接过程中柱节点范围内混凝土温度分布状况[3]。试件采用螺钉热电偶，规格型号为WRNT-M6，分度号为K形，温度范围0～600℃，引线材质为编织金属屏蔽线。单个试件配有64个热电偶，分3层布置，第1，3层布置20个，中间层布置24个(见图3)。

图3 试件热电偶分布

试件制备包括梁、柱钢试件制作，热电偶预埋，预制混凝土浇筑与养护、同条件标准试件养护等工作。

当混凝土达到规定龄期28d时，将PEC柱和钢梁根据如图4所示的形式进行拼装，依据表1参数一一对应。使用钢板接连地线，热电偶输出端根据编号连接多路温度记录仪，并焊接梁柱板材。

图4 试件拼装

试件温度采用多路温度记录仪进行检测，为MT-64X、64通道型号。测量范围分度号K为-100～600℃±(0.3%rdg+1.0℃)，解析度为0.01℃。

从焊接开始记录混凝土变化温度，直至混凝土降为常温，如图5所示。

图5 温度记录仪实时温度曲线

3 焊接工艺评定

该试验模拟室外现场焊接环境，由于焊接参数没有专用标准指导，因此试验前采用同本试验相同材质和规格的钢材进行焊接工艺评定[4]。环境各参数指标同本试验，道间温度控制在100～150℃，CO2气流控制在20L/min。焊接方式为GMAW、反面加设垫板，采用平焊，对接形式为十字接头，坡口形式为单V。焊缝采用ER50-6焊丝，直径为1.2mm。焊接设备为OTCXD-500。焊前清除油、锈、水及氧化皮，道间清理焊渣及上道缺陷。背面采用清根碳弧气刨+砂轮进行修整，焊接参数如表2所示。

表2 焊接参数

焊接试验完成后，对焊接工艺评定的试件进行取样检测，包括拉伸试验、冲击试验、宏观酸蚀和维氏硬度试验。依据标准进行检测，结果符合国家标准要求，焊接试验合格，且焊缝内部没有缺陷，此焊接工艺参数可用于本试验。

4 试验结果及分析

根据温度记录仪检测结果，分析焊接热对PEC柱预制混凝土内的温度场分布情况，评估焊接热对混凝土的影响程度。由于热电偶较多，筛选汇总收集到的试验数据，将每个热电偶的最高温表达在布置图上，如图6所示，并将温度与热电偶到热源点距离做成折线图，如图7所示，能够直观看出距离热源点100mm内的热电偶温度值起伏较大，可用于试验分析，因此将试件中距离热源点100mm范围内的6个热电偶温度变化做成图表，如图8所示。

图6 热电偶最高温度分布

图7 热电偶最高温度-距离折线

图8 各试件温度曲线

根据各试件热电偶曲线和布置可知，离焊接热源点距离越近最高温度越高，温度起伏越明显，最高温度为106.2℃，距离焊接热源点越远最高温度越低，温度变化越不明显。观察试件焊接过程中的温度变化，即使采用不同钢材板厚、焊接工艺和焊接顺序，得出的曲线图形状大体相同，最高温度范围在70.6～106.2℃，可见试验设计控制变量参数对PEC柱预制混凝土的温度分布影响不大。

针对高温作用后的混凝土试件抗压强度，已有不同研究者拟合出随温度变化的关系曲线[5]，如图9所示。

图9 高温后混凝土抗压强度与温度关系

从之前研究者给出的试验拟合曲线来看，300℃内混凝土抗压强度下降不明显，300℃后强度急剧下降。而本试验混凝土最高温度为106.2℃，未达到影响混凝土强度的300℃，由此判断焊接工艺评定确定的参数对混凝土影响不大。

5 混凝土抗压试验

为确定焊接试验后试件内混凝土强度是否受影响，因此在试验结束后对试件进行钻芯取样测定混凝土强度[6]。浇筑混凝土时，根据立方体抗压试验规范要求，留取150mm×150mm×150mm标准立方体试块作为同条件养护试件[7]。在试件全部焊接完成后，采用钻芯法为9件无热电偶对比试件进行取样，钻芯位置靠近焊接区域，每个试件取6个芯样(每面3个)，共54件，芯样分布如图10所示。

图10 芯样布置

取样时采用钢筋探测仪避开钢筋位置，测定正确位置后，固定取芯钻机，依次取样。芯样抗压试件高度和直径比应在1～2范围内，采用切割机加工芯样试件，并采用双面磨平机使锯切平面垂直于芯样轴线。由于试件中钢筋密集，无法钻取标准芯样，因此选取芯样尺寸为φ55×55的圆柱体。

芯样试件的抗压试验依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》[8]。芯样试件在与被检测构件混凝土湿度基本一致的条件下进行抗压试验，抗压检测结果如图11所示。

图11 各试件混凝土抗压检测结果

检测结果表明，54件芯样的混凝土抗压强度平均值为37.12MPa，6件同期养护试块的混凝土抗压强度值为32.3～41.2MPa，均大于混凝土抗压强度设计值，此次检测结果合格，试件混凝土强度未受影响。

6 结语

1)焊接过程中测得的混凝土最高温度为106.2℃，尚未达到影响混凝土强度的300℃，结合混凝土抗压强度试验结果，预制PEC构件在焊接过程中产生的高温未影响混凝土性能。

2)通过钻芯取样和芯样抗压试验进一步验证焊接产生的高温未影响试件中混凝土抗压强度。

3)由现场焊接工艺评定确定的焊接参数对试件材料力学性能及结构稳定性未造成影响，此参数可用于PEC梁柱节点现场焊接。

4)本试验取消在PEC梁柱连接节点中设置牛腿，经计算，可对PEC结构工程带来较大经济效益。

综上所述，本试验对PEC梁柱节点的优化具有较大意义，工程中可取消牛腿设置，采用梁柱直接焊接翼缘板，进行腹板螺栓连接，以简化工序、绿色环保、缩短工期。