裝配式混凝土建筑預(yù)制樓梯結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)研究

黃天藝

北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022

當(dāng)前，建筑行業(yè)不斷向著工業(yè)化的方向發(fā)展，裝配式混凝土建筑的建設(shè)總量上升，對于預(yù)制構(gòu)件有著更高的需求。由于預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能與裝配式混凝土建筑的整體質(zhì)量存在著極為緊密的聯(lián)系，因此必須落實(shí)有效的結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)，保證預(yù)制構(gòu)件的實(shí)用性與安全性。在此次研究中，主要選取預(yù)制樓梯展開結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)。

1 結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)

近年來，我國積極推動建筑行業(yè)工業(yè)化進(jìn)程，使建筑行業(yè)的市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量也有所增加。在裝配式混凝土建筑中，預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能直接關(guān)系裝配式建筑的整體質(zhì)量。因此，在進(jìn)行裝配式混凝土建筑的結(jié)構(gòu)測驗(yàn)中，必須展開對預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)，其結(jié)果可以作為判斷裝配式混凝土結(jié)構(gòu)使用安全性的標(biāo)準(zhǔn)。

在《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204— 2015）中，強(qiáng)調(diào)了對梁板類簡支受彎預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行檢驗(yàn)的必要性，要求預(yù)制構(gòu)件進(jìn)入施工現(xiàn)場的同時接受結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)。在實(shí)際操作中，針對同一類預(yù)制構(gòu)件，應(yīng)選取不超過1000 個構(gòu)件為一批，并在每批預(yù)制構(gòu)件中隨機(jī)抽取一個構(gòu)件作為樣本展開結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)。相比于其他檢驗(yàn)（如尺寸偏差檢驗(yàn)、外觀質(zhì)量檢驗(yàn)、實(shí)體檢驗(yàn)等），結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)具有一定的特殊性，需要對預(yù)制構(gòu)件樣本展開破壞，即結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)屬于破壞性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。該檢驗(yàn)主要依托加載試驗(yàn)的展開，對預(yù)制構(gòu)件的變形、裂縫出現(xiàn)及發(fā)展、破壞荷載及破壞形態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)。從這一角度看，結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)的主要目標(biāo)在于確定預(yù)制構(gòu)件的撓度、抗裂性能、裂縫寬度以及承載能力等，以此完成梁板類簡支受彎預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能的綜合性評價。

2 樣本選取

在此次研究中，主要選取了35 個預(yù)制樓梯構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)的樣本。這些預(yù)制樓梯樣本的混凝土強(qiáng)度等級均為C30，受力鋼筋的等級為HRB400。各個樣本的基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 預(yù)制樓梯樣本的基本數(shù)據(jù) 單位：mm

3 檢驗(yàn)方法與評定準(zhǔn)則

3.1 檢驗(yàn)方法

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204— 2015）中的相關(guān)規(guī)定，主要的檢驗(yàn)內(nèi)容包括承載力檢驗(yàn)、撓度檢驗(yàn)、裂縫寬度檢驗(yàn)[1]。在此結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)中，所使用的方法包含分級加載和短期靜力。針對預(yù)制樓梯樣本，應(yīng)用了三分點(diǎn)集中加載檢驗(yàn)的方法。

3.2 評定準(zhǔn)則

（1）結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)。結(jié)合上述檢驗(yàn)內(nèi)容，確定承載力、撓度以及準(zhǔn)永久組合值下的裂縫寬度為此次結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)的關(guān)鍵性指標(biāo)。

對于承載力而言，標(biāo)志著預(yù)制樓梯樣本的承載力達(dá)到極限狀態(tài)的情況包括在受拉主筋區(qū)域，產(chǎn)生裂縫的最大寬度為1.5mm 或是撓度達(dá)到跨度的1/50；受拉主筋發(fā)生斷裂；受壓區(qū)域中混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞[2]。這三種現(xiàn)象出現(xiàn)任意一個，即可判斷預(yù)制樓梯樣本的承載力達(dá)到極限狀態(tài)。依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）的規(guī)定可知，對于承載力的極限狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)荷載效應(yīng)的基本組合或是偶然組合完成荷載效應(yīng)組合。預(yù)制樓梯應(yīng)選取荷載效應(yīng)的基本組合。基于可變荷載效應(yīng)控制的組合以及永久荷載效應(yīng)控制組合中的最不利值，確定荷載效應(yīng)基本組合的設(shè)計值。

一般當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果滿足下式時，可以證明預(yù)制樓梯樣本的承載力檢驗(yàn)合格，即：

當(dāng)撓度的結(jié)果滿足《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204—2015）中的相關(guān)要求，即可判定預(yù)制樓梯樣本的撓度檢驗(yàn)合格[3]，即：

式中：[af]為受彎構(gòu)件的撓度限制；θ 為考慮荷載長期效應(yīng)組合對撓度增大的影響系數(shù)。

對于準(zhǔn)永久組合值下的裂縫寬度，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204—2015）中的相關(guān)要求，當(dāng)該數(shù)值小于0.2mm 時，即可判定預(yù)制樓梯樣本的裂縫寬度檢驗(yàn)合格[4]。

（2）混凝土強(qiáng)度檢測。為了進(jìn)一步明確樣本質(zhì)量，文章引入了混凝土強(qiáng)度檢測。實(shí)踐中，針對所有樣本提取3個直徑為100mm、高度為120mm 的混凝土芯樣，并結(jié)合《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 384—2016）中的內(nèi)容完成檢測。使用的芯樣均提前完成了檢查，中間不存在鋼筋結(jié)構(gòu)，且未觀察到缺損問題。為了保證檢測結(jié)果的科學(xué)性，此次檢測中將取芯位置設(shè)定在各個預(yù)制樓梯構(gòu)件的平臺區(qū)域。因?yàn)樵搮^(qū)域基本不受到結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)的影響，所以獲得的混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果更加合理、真實(shí)。

4 結(jié)果分析

4.1 結(jié)果數(shù)據(jù)

（1）結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)。此次結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)中所得到的結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)

由表2 可知，在35 個預(yù)制樓梯構(gòu)件樣本中，承載力系數(shù)相對值、跨中撓度相對值、最大裂縫寬度均滿足質(zhì)量要求；而在抗壓強(qiáng)度方面，有5 個樣本未滿足C30 等級的相關(guān)要求。

（2）混凝土強(qiáng)度檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)。依托芯樣抗壓強(qiáng)度測試，得到的結(jié)果數(shù)據(jù)見表3。

表3 混凝土強(qiáng)度檢測的結(jié)果數(shù)據(jù) 單位：MPa

由表3 可知，35 個預(yù)制樓梯構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度（芯樣抗壓強(qiáng)度）平均值為44.26MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為11.61MPa。與C30 等級要求進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)有5 個預(yù)制樓梯構(gòu)件樣本的混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計要求，即混凝土強(qiáng)度在30MPa 以下，甚至有2 個預(yù)制樓梯構(gòu)件樣本的混凝土強(qiáng)度在25MPa 以下。

4.2 數(shù)據(jù)總結(jié)

在實(shí)際的加載過程中，預(yù)制樓梯構(gòu)件的受彎主裂縫最初發(fā)生于樓梯底部區(qū)域，方向?yàn)檠刂鴮挾确较颍辉诩虞d不斷進(jìn)行的過程中，主裂縫兩側(cè)逐步出現(xiàn)多條裂縫，普遍屬于跨中裂縫。在檢驗(yàn)中，一旦觀察到預(yù)制樓梯構(gòu)件的承載力顯示進(jìn)入極限狀態(tài)的標(biāo)志后，應(yīng)立即停止檢驗(yàn)[5]。結(jié)果顯示，當(dāng)受拉區(qū)域中的混凝土裂縫寬度達(dá)到1.5mm 后，此次檢驗(yàn)中使用的35 個預(yù)制樓梯構(gòu)件均出現(xiàn)受彎破壞。同時，在準(zhǔn)永久荷載條件下，此次檢驗(yàn)中使用的35 個預(yù)制樓梯樣本所產(chǎn)生裂縫的最大寬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中，有28 個樣本未觀察到肉眼可見的裂縫。

總而言之，樣本的承載力系數(shù)相對值的平均值為2.66，合格率達(dá)到100%；跨中撓度相對值的平均值為0.18，合格率達(dá)到100%；最大裂縫寬度平均值為0.01mm，合格率達(dá)到100%；抗壓強(qiáng)度平均值為44.26MPa，與C30 等級對比，有30 個樣本達(dá)到要求，合格率為85.7%。換言之，35 個預(yù)制樓梯樣本的結(jié)構(gòu)性能均符合相應(yīng)要求，從平均值的角度看，擁有較大的安全儲備。

在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）中，對混凝土的強(qiáng)度有更加嚴(yán)格的要求。該規(guī)范指出，在實(shí)際的建筑工程施工中，所使用的鋼筋材料的強(qiáng)度等級≥400MPa時，相應(yīng)工程施工中所選用的混凝土強(qiáng)度等級不得在C25以下。同時，根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014），在制作預(yù)制構(gòu)件時，所選用的混凝土等級不得在C30 以下。這樣的要求不僅提升了施工材料的利用率，也保障了裝配式混凝土的質(zhì)量、使用年限。同時，結(jié)合混凝土強(qiáng)度檢測的結(jié)果，在針對裝配式混凝土建筑中的預(yù)制構(gòu)件展開結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)的過程中，應(yīng)同步落實(shí)混凝土強(qiáng)度檢測，從而更加全面、可靠地確定預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量[6]。另外，由于預(yù)制樓梯的承載力擁有較大的富裕度，因此可以在落實(shí)結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)前進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測。

5 結(jié)束語

綜上所述，對預(yù)制樓梯構(gòu)件展開承載力檢驗(yàn)、撓度檢驗(yàn)、裂縫寬度檢驗(yàn)，以此確定其結(jié)構(gòu)性能。結(jié)果表明，構(gòu)件樣本在結(jié)構(gòu)性能方面的合格率達(dá)到100%。進(jìn)一步展開混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)存在85.7%的構(gòu)件樣本達(dá)到C30 等級要求。因此，為了最大程度上保證預(yù)制樓梯構(gòu)件的性能與使用安全性，需要在展開結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)的同時落實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度測試，更好地維護(hù)構(gòu)件質(zhì)量。