预制PEC构件砼裂缝影响分析及处理措施

预制 PEC 构件砼裂缝影响分析及处理措施

钟海云 齐川徽 陈超逸

上海建科工程咨询有限公司 , 上海 200232

摘要:随着逐渐加快的建筑工业化和装配化发展进程，具有防火、防腐等优点的装配式预制部分包覆钢-混凝土组合结构（PEC）的应用越来越广。在预制构件制作生产过程中构件混凝土开裂情况频繁发生，为了研究PEC构件混凝土开裂后是否影响构件力学性能，本文通过对5种不同规格384根PEC梁构件进行超声波检测，分析其对构件刚度、构件抗剪承载力以及构件抗弯承载力的影响。同时在理论分析的基础上，提出在实际构件混凝土浇筑过程中有效的裂缝防治措施，为部分包覆钢-混凝土组合梁在实际应用中提供参考。

关键词：部分包覆钢-混凝土组合构件；力学性能；裂缝防治

引言

部分包覆钢-混凝土组合构件（partially encased steel-concrete composite structures简称PEC构件）是组合结构形式的一种，它是在工字钢或H型钢的翼缘之间设置纵筋、箍筋或翼缘连杆等，并填充混凝土浇筑而成的新型构件^[1]。而部分包覆钢-混凝土结构梁^[2]作为主要水平承重构件，在混凝土浇筑过程中，受外部环境温度、构件养护时间不足、构件浇筑制作翻身过早等因素，PEC梁在混凝土浇筑完成后出现不同程度的裂缝，势必对其耐久性及力学性能^[3]造成一定程度影响。为了确保构件达到预期的安全性能，以某PEC工程为例，对开裂后PEC构件的力学性能进行分析，并结合工厂实际浇筑情况提出有效的构件裂缝防治措施。

1 工程概况

以某结构采用“部分包覆钢-混凝土（PEC）”框架剪力墙的工程为例。项目总用地面积约31万m²，空腔区结构面积约31万m²。上部建筑物采用框架-剪力墙结构体系，空腔结构规格框架采用部分包覆钢-混凝土（PEC）框架，剪力墙采用全现浇结构；结构腔体呈山体形式逐步收缩，最高楼层7层，结构高度42m，结构轴距9m，局部12m和13.5m，层高6m，建筑结构腔体区主要采用PEC装配式结构体系，主钢构件主要为H型钢柱和H型PEC梁。

1.1 PEC构件裂缝概况

项目PEC构件初期生产制作过程中，发现部分梁构件所包覆混凝土沿梁断面方向存在不同程度表面裂缝，单根PEC梁出现裂缝2~3条，最多的为7~8条。裂缝宽度主要分布在0.16~0.3mm之间。主要存在3种形式裂缝：①位于PEC梁单侧竖向裂缝，裂缝宽度不等；②位于连接板和加劲板部位，裂缝走向与加劲板相同；③不规则裂缝，主要表现为构件表面龟裂。

依据《超声波检测混凝土缺陷技术规程》^[4]裂缝可分为以下三种形式。

表1 裂缝划分表

注：裂缝深度为h，构件厚度按PEC的1/2取值H

2超声波检测

对初期生产667根5种不同规格PEC梁构件（H600×300、H1200×600、H900×400、H800×400、H750×400）进行排查，检出存在不同程度裂缝构件384件，具体排查结果如图1所示。对存在裂缝的PEC构件采用超声波检测^[5]，实测最大裂缝宽度0.3mm，最大深度6.7mm，具体结果如图2、图3所示，最大裂缝宽度符合相关规范^[2]要求。

图1 出现裂缝构件数量图

图2 裂缝宽度占比图

图3 裂缝深度占比图

3 PEC构件裂缝影响分析

3.1 PEC构件裂缝影响分析-构件刚度

根据检测结果选取出现裂缝较多的（H600×300）PEC梁为例（具体设计参数如图4所示）对构件开裂后的界面刚度进行计算。根据《组合结构设计规范》^[6] 可知

(1)

(2)

式中E_a、E_c分别为钢材弹性模量（N/mm²）、混凝土弹性模量（N/mm²），I_a、I_c分别为主钢件惯性矩（mm⁴）、混凝土惯性矩（mm⁴）。

由式（1）（2）计算可得折减抗弯刚度EI₁与全抗弯刚度之比约为93%，满足《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》（T/CECS 719-2020）4.2.7条折减抗弯刚度EI₁与全抗弯刚度之比的相关要求。

此外，根据李鹏宇^[7]对外包型钢混凝土开裂后对构件刚度及形变的分析，在弹性阶段，裂缝出现后的PEC梁在受弯作用下的刚度试验值较计算得出的理论值基本一致，而在屈服阶段试验值刚度与设计值也基本一致，由此可以得出结论，初始微裂缝对PEC梁构件刚度的削弱可以忽略。

3.2 PEC构件裂缝影响分析-抗剪承载力

根据《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》5.2.6条受剪承载力计算仅考虑主钢构件中平行于剪力方向的板件受力，不计内填混凝土和箍筋的作用，故已有裂缝对构件抗剪承载力的影响可以忽略不计。

3.3 PEC构件裂缝影响分析-抗弯承载力

以上述出现裂缝较多构件（H600 300）为例，其混凝土部分受压区高度为158.7mm，根据《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》可知PEC组合梁强轴正截面受弯承载力公式如下：

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

式中：M——正弯矩设计值(N·mm)；

      M_u——截面受弯承载力设计值(N·mm)；

      f_cw——梁主钢件腹部混凝土轴心抗压强度设计值(N/mm²)；

x——组合截面中和轴至混凝土受压边缘的距离(mm)；

    h_a、b_f、t_w、t_f——梁主钢件截面高度、翼缘宽度、腹板厚度、受拉(压)翼缘厚度(mm)；    α₁——受压区混凝土压应力影响系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α₁取1.0，当混凝土强度等级为C80时，α₁取0.94，中间按线性内插法确定；

f_y、f′_y——钢筋抗拉、抗压强度设计值(N/mm²)；

    f_a、f′_a——钢材抗拉、抗压强度设计值(N/mm²)；

   A_s、A′_s——纵向受拉、受压钢筋截面面积(mm²)；

    A_a、A_ac——梁主钢件截面、梁主钢件受压区截面面积(mm²)；

a_s、a′_s——受拉区钢筋合力点至混凝土受拉边缘的距离、受压区钢筋合力点至混凝土受压边缘的距离(mm)；

    S_at、S_ac——受拉区梁主钢件截面、受压区梁主钢件截面对组合截面塑性中和轴的面积矩(mm³)；

    h₀——混凝土截面有效高度(mm)，即混凝土截面受压区的外边缘至梁主钢件受拉翼缘与受拉钢筋合力点的距离；

    E_s——钢筋弹性模量(N/mm²)。

M_x、M_y——同一截面处绕x轴和y轴的弯矩；

W_nx、W_ny——对x轴和y轴的净截面量；

y_x、y_y——截面塑性发展系数

由式（3）~（8）计算出PEC组合梁强轴正截面受弯承载力^[2]为1332 kN*m；不考虑混凝土作用，仅考虑H型钢骨部分由式（9）计算的抗弯承载力^[8]为1076 kN*m，混凝土对整个构件抗弯承载力的贡献约为19%。考虑到裂缝产生是翻转过早，绕弱轴弯曲拉裂表面混凝土，开裂深度仅占混凝土截面宽度的67/288=23%，即裂缝实际影响梁抗弯承载力仅为的19%×23%=4.4%。

此外，根据吕朝坤^[9]等对开裂后混凝土框架梁工作性能进行的实荷验证，混凝土框架梁侧出现多条竖向裂缝，裂缝宽度约为0.08~0.20mm，实测裂缝最大深度约为30mm，由于厂房尚未结顶，设计活荷载和部分恒荷载还未施加，故实测裂缝值已远大于理论计算值。进行非破坏性结构性能试验，试验荷载包括未施工面层荷载及楼面设计活荷载。试验结果显示框架梁原裂缝无发展，无新裂缝产生；实测挠度小于计算值及规范限制，开裂后框架梁工作性能满足使用要求。使用三年后楼面梁工作性能仍良好。

由上述分析可知，案例工程项目的裂缝对构件抗弯承载力的影响亦不大。

4 裂缝防治措施

4.1构件生产情况

PEC预制厂构件浇筑时平放在固定位置，以翼缘板和封堵板围合成自然的浇筑腔体；浇筑好H型钢单面腔体并养护一定时间后，需要对PEC预制构件进行翻转后浇筑另一侧腔体。

4.2构件裂缝产生原因分析在PEC填充混凝土成型前，在其自身硬化过程和收到外部因素影响时，会产生微观裂缝和宏观裂缝。具体主要包括以下几个因素：①混凝土配合比。②钢筋（连杆）和加劲板的混凝土保护层厚度不足。③在翻转前因自重荷载导致在混凝土尚未形成强度前，混凝土局部产生拉应力，致使预制构件产生裂缝。④堆放场地温度温差较大。⑤因构件浇筑搁置点间距较大，因自身荷载产生裂缝。⑥构件在运输、堆放、吊装过程中错误导致产生裂缝。基于结构安全性，结构耐久性需对裂缝宽度及裂缝深度进行检测，并对其修补后才能够使用在工程施工中。

4.3 PEC构件裂缝预防措施

根据PEC构件裂缝产生的原因，可以有针对性地制定相应的预防措施：首先检查确认混凝土配合比，材料使用无问题；在混凝土终凝后、终凝前对表面进行二次压实抹平措施；加强养护措施管理，需要安排专门的养护人员进行养护和时间登记工作，严格控制混凝土翻身条件，应以强度和龄期双控。

另外，在实际PEC构件浇筑过程中发现构件内侧翼缘板之间的加劲板过高，此处砼表面厚度过小，易导致混凝土开裂开裂，因此采用减低构件加劲板的高度，保证表面砼厚度的方法，增加抗拉力，能有效改善该部位裂缝产生问题。

同时在实际浇筑、堆放、运输过程中，严格控制混凝土浇筑搁置点，构件堆放方式，装车运输吊装、搁置方式能够有效的避免二次裂缝产生。

5结语

在进行PEC构件裂缝影响分析过程中可知，所有PEC梁裂缝（01~0.3mm）基本为浅层表面裂缝，对构件刚度、构件抗剪承载力、抗弯承载力等力学性能影响较小。基于结构耐久性要求，需对明显的裂缝，采用水泥浆浆料、修补胶等材料进行表面修复。在PEC构件制作过程中根据不同环境调整施工工序，严格把控构件翻身时间和加强构件运输、堆放、吊装等环节管控能够有效减少构件裂缝产生。

参考文献

[1]王鹏飞，刘继明，谭文娅，吴成龙，于素健，周飞.部分填充式钢混组合结构研究进展[J]. 山东农业大学学报，2020，51(4):676-683.

[2]T/CECS719－2020,部分包覆钢混凝土组合结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社.2020.

[3]王铁梦.工程结构裂缝控制的综合方法[M].北京：中国建筑工业出版社.

[4]CECS21:2000.超声波检测混凝土缺陷技术规程[S].北京：中国工程建设标准协会.2000.

[5]CECS293:2011.房屋裂缝检测与处理技术规程[S].北京：中国计划出版社.2011

[6]JGJ138-2016.组合结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社.

[7]王鹏飞.外包型钢混凝土梁性能研究[D].西安：西安建筑科技大学，2004.

[8]GB50017-2017.钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社.

[9]吕朝坤，董香军.框架梁开裂后工作性能的试验研究[J].杭州：浙江省建筑科学设计研究院，2012.