近年来, 我国大力推广建筑工业化, 市场规模迅速扩大, 预制构件生产企业日益增多。预制构件质量对装配式建筑质量有着较大的影响^[1,2,3,4], 预制构件的结构性能检验是装配式混凝土结构检测的一项重要内容, 检验结果直接关乎装配式混凝土结构的安全性和使用性^[5,6]。为此, 本文对上海及其周边地区的15家预制构件厂生产的35个预制楼梯进行了结构性能检测与分析。

根据GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》^[7]的规定, 梁板类简支受弯预制构件进场时应进行结构性能检验, 同一类型预制构件不超过1 000个为一批, 每批随机抽取1个构件进行结构性能检验。不同于外观质量、尺寸偏差的检查和实体检验, 结构性能检验是一种破坏性试验检验, 通过加载试验, 检验构件的变形 (挠度) 、裂缝出现 (抗裂性能) 和发展 (裂缝宽度) , 以及破坏荷载 (承载能力) 和破坏形态, 从而对梁板类简支受弯预制构件的结构性能进行综合评定。

《混凝土结构工程施工质量验收规范》附录B对受弯预制构件的检验要求和试验方法都做了相关规定, 检测内容包括承载力检验、准永久荷载下的挠度和裂缝宽度检验;检验方法为短期静力、分级加载。本文对预制楼梯统一采用三分点集中加载试验进行结构性能检验, 加载和加载装置如图1, 2所示。

预制楼梯的准永久荷载、标准荷载和设计荷载均为均布荷载, 而试验加载为集中加载, 两者需进行跨中弯矩等效的转换, 计算方法如下:

均布荷载下的跨中弯矩为:

三分点集中荷载下的跨中弯矩为:

令则P=3qbl₀/4。式中, q为楼梯水平投影下的面荷载, b为梯段宽度, l₀为计算跨度, P为集中荷载。

预制楼梯的检验内容包括承载力检验、准永久值下的挠度和裂缝宽度检验, 故承载力、准永久组合值下的裂缝宽度与挠度是3项关键性控制指标。

对于受弯预制构件, 其承载能力极限状态的检验标志主要为: (1) 受拉主筋处的最大裂缝宽度达到1.5mm或挠度达到跨度的1/50; (2) 受压区混凝土破坏; (3) 受拉主筋拉断。根据规定, 若在规定的荷载持续时间内出现上述标志之一, 应取本级荷载值与前一级荷载值的平均值作为其承载力检验荷载实测值;若在规定的荷载持续时间结束后出现上述检验标志, 应取本级荷载值作为其承载力检验荷载实测值。

按照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》^[8], 承载力极限状态应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载 (效应) 组合。预制楼梯宜取荷载效应的基本组合。

荷载效应基本组合的设计值S应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利值, 即预制楼梯的荷载设计值q_d为:

当检验结果满足下式时, 承载力检验合格:

式中, 分别为结构的重要性系数和楼梯的承载力检验系数允许值, 均按照设计方提供的计算说明书和《混凝土结构工程施工质量验收规范》中附表B.1.1取值;为楼梯的承载力检验系数实测值, P_u为试件荷载实测值与设计值的比值 (均包含自重) ;P_u为包括加荷设备自重在内的检验集中荷载实测值。

根据《混凝土结构施工质量验收规范》表B.1.5, 预制楼梯在准永久组合值下的最大裂缝宽度限值为[啄_max]=0.2mm。

预制楼梯的挠度检验应满足《混凝土结构施工质量验收规范》第B.1.2条的要求, 即:

式中, a_s⁰为在检验用荷载准永久组合值作用下的构件挠度实测值;[a_s]为挠度检验允许值, 根据《混凝土结构施工质量验收规范》第B.1.3条进行计算, 其计算公式为:

式中, [a_f]为受弯构件的挠度限值, 兹为考虑荷载长期效应组合对挠度增大的影响系数, 两者均按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》^[9]的确定。

本次预制楼梯的结构性能检验共包含35个试件, 混凝土强度设计等级均为C30, 受力钢筋等级均为HRB400, 试件基本信息如表1所示。

加载过程中, 首先在楼梯底部形成沿宽度方向的受弯主裂缝, 然后随着加载的进行, 逐渐在主裂缝两侧依次出现若干条裂缝。主裂缝多为跨中裂缝, 少数为偏离跨中一定距离的裂缝, 均在纯弯区段。当构件出现承载力极限状态的标志后, 终止试验。各预制楼梯的破坏模式均为受拉区混凝土裂缝宽度达1.5mm的受弯破坏。另外, 在准永久荷载下, 35个预制楼梯的最大裂缝宽度均符合要求, 其中28个构件未发现可见裂缝。

试验实测结果包括:准永久荷载下预制楼梯最大裂缝宽度w⁰_max、跨中挠度a_s⁰、挠度相对值 (挠度实测值与允许值的比值) a_s⁰/[a_s];构件承载力检验系数实测值及承载力系数相对值 (承载力检验系数实测值与允许值的比值) 。详细检测结果如表1所示。最大裂缝宽度、挠度相对值和承载力系数相对值的统计分析结果如表2所示。

由表2可知, 35个预制楼梯的结构性能检验结果统计数据具有以下特性: (1) 最大裂缝宽度平均值为0.01mm, 离散系数为2.47, 合格率为100%; (2) 跨中挠度相对值的平均值为0.18, 离散系数为0.89, 合格率为100%; (3) 承载力系数相对值的平均值为2.66, 离散系数为0.29, 合格率为100%。由实测结果可知, 35个预制楼梯的结构性能检验结果均为合格, 且从平均意义上看具有较大的安全储备。

结构性能检验结束后, 按照JGJ/T 384—2016《钻芯法检测混凝土强度技术规程》^[10]对各预制楼梯进行取芯, 取芯位置为楼梯平台处 (该部位基本不受结构性能检验影响) 。每个预制楼梯取3个符合标准的混凝土芯样。芯样直径100mm, 高120mm, 切割成标准芯样尺寸100mm×100mm, 芯样端部进行抹平。所有芯样在测试前均经过检查, 中间未包含钢筋且无缺损。按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》^[11]进行芯样抗压强度测试。

由表1可知, 预制楼梯芯样抗压强度平均值为44.26MPa, 标准差为11.61MPa, 数据离散性较大。与混凝土设计强度等级C30相比, 30个预制楼梯达到设计要求, 合格率为85.7%;另有5个预制楼梯的混凝土抗压强度小于30MPa, 其中2个小于25MPa。

除设计要求外, 《混凝土结构设计规范》要求“采用强度等级400MPa及以上的钢筋时, 混凝土强度等级不应低于C25”;JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》^[12]规定“预制构件的混凝土强度等级不宜低于C30”。国标和行标对混凝土最低强度等级的要求一方面是为提高材料的利用效率;另一方面则是为了带动工业化建筑产品质量的提升。

因此, 在对预制构件进行结构性能检验的同时, 也应同步开展预制构件混凝土抗压强度的检测, 加强预制构件质量控制。考虑到预制楼梯承载力具有较大的富余度, 为避免结构性能检验后钻取芯样是否受到结构性能检验损伤的争议, 可在结构性能检验前在上下平台处钻取芯样。

1) 预制楼梯的破坏模式均为受拉区混凝土主裂缝宽度达1.5mm的受弯破坏。

2) 本文进行结构性能检验的15家预制构件厂的35个预制楼梯, 其最大裂缝宽度、跨中挠度和承载力均满足规范要求, 且具有较大的安全储备。

3) 预制楼梯的实测混凝土抗压强度平均值为44.26MPa, 标准差为11.61MPa, 离散较大。与混凝土设计强度等级C30相比, 仅30个预制楼梯达到设计要求, 合格率为85.7%。建议今后在结构性能检验的同时进行混凝土强度检测, 进一步加强对预制构件的质量控制。