輕骨料混凝土梁受彎力學性能試驗研究

吳毅斌，張造國

(1.湖南華罡規劃設計研究院有限公司;2.湖南省公路設計有限公司)

1 引言

如何進行輕骨料混凝土梁受彎力學性能試驗是當前工程結構設計關注的焦點。因此，研究輕骨料混凝土梁受彎力學性能試驗具有十分重要的現實意義。通過輕骨料混凝土梁靜載試驗，觀察輕骨料鋼筋混凝土梁從開裂、受拉鋼筋屈服、直至受壓區混凝土被壓碎這三個階段的受力與破壞全過程，掌握輕骨料鋼筋混凝土梁的基本力學性能。

2 試驗研究

2.1 試件設計與制作

試驗共設計3根矩形截面試驗梁。3根試驗梁采用相同的設計尺寸及配筋，可以保證試驗梁底保護層和側保護層相同.具體試驗參數如下。

(1)試件尺寸:尺寸對結果的影響很大，矩形截面試驗梁梁高h為600mm，梁寬b為400mm，總長l為4400mm，凈跨l0為4000mm。

(2)配筋:配筋是指鋼筋配制情況。在進行鋼筋配制過程中，分底部配筋、上部配筋和中部配筋三個部分。不同位置的鋼筋配置也不一樣，底部4根Φ22的受拉鋼筋，上部4根Φ16的構造鋼筋，中部2根Φ12的腰筋。與此同時，在配筋的過程中，還要集合實際的情況，防止發生剪切破壞，應根據距離的不同配置不同的鋼筋。

(3)混凝土強度等級為C40。

(4)保護層厚度:保護層指的是混凝土上面那層小部分墊層。在保護層厚度方面，試驗采用30mm和50mm兩種厚度。在混凝土構件中，試驗梁的具體形狀尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 試驗梁形狀尺寸及配筋

2.2 加載方式與加載制度

混凝土梁加載試驗裝置，包括試驗梁和加載裝置，試驗梁加載系統(如圖2所示)。

圖2 試驗梁加載系統

加載裝置包括加載橫梁、加載鋼球、壓力傳感器，正式加載時，要保證加載狀態符合試驗加載計算圖式要求。每級荷載約為使用荷載的20%(約501kN)，相鄰兩次加載的間隔時間為2～3min。當達到開裂荷載的90%后，級距再加密。在每級加載后的間歇時間內，進行各項讀數的記錄工作，直至破壞。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗現象與破壞特征

(1)TCI梁

TCI梁在各應力水平下的裂縫分布如圖3所示。

圖3 TCI梁在各應力水平下的裂縫分布

(2)TCII梁

TCII梁在各應力水平下的裂縫分布如圖4所示。

(3)TCⅢ梁

TCⅢ梁在各應力水平下的裂縫分布如圖5所示。

圖4 TCII梁在各應力水平下的裂縫分布

圖5 TCIII梁在各應力水平下的裂縫分布

3.2 正截面承載力

隨著輕骨料取代率的增加，對勁性輕骨料混凝土梁的正截面承載力進行試驗，其計算公式均為

按照式(1)、(2)計算得到各試驗梁正截面承載力計算值，再扣除梁體及加載設備自重的影響，并與試驗實測值進行對比如表1所示。

表1 正截面承載力實測值與計算值對比

由表可見，現行規范和規程計算公式用于輕骨料混凝土構件正截面承載力的計算是安全的，并且規范計算值的安全程度大于規程計算值。

3.3 梁截面彎曲變形

TCI梁、TCII梁的輕骨料混凝土梁平均應變如下圖所示。

(1)輕骨料混凝土梁在極限破壞階段前，以100mm為單位距離的截面高度一直保持著線形分布狀態。由圖6可知，一旦輕骨料混凝土梁遭到破壞，破壞階段的輕骨料混凝土梁英劇應變值較大。通過這樣的試驗，我們可以近似認為輕骨料混凝土梁符合平截面假定。

(2在進行TCI梁、TCII梁梁截面彎曲變形試驗時，我們可以看到，隨著荷載的增加，截面高度和平均應變具有上移的趨勢，由截面中部一直上升至接近梁頂部的位置，這是TCI梁、TCII梁在梁截面彎曲變形試驗過程中，顯現的共同特征，混凝土受壓區不斷減小。

(3)按照受壓區極限高度的概念和確定方法，輕骨料混凝土梁和普通的混凝土梁相比，其極限壓應變比普通的混凝土梁要大。究其原因，在進行梁截面彎曲變形試驗過程中，輕骨料混凝土的彈性模量較低，有利于提高建筑的承載能力。因此，在同等應力的情況下，輕骨料混凝土要比一般混凝土占據優勢，承受更大的應變。

圖6

圖7 沿梁高的梁體表面平均應變

4 結論

(1)未裂階段:輕骨料混凝土梁受彎力學試驗的未裂階段，是指從從加載開始至第一條裂縫出現前這一階段，試驗梁全截面工作，基本處于彈性受力階段，所以也可以把這一階段稱為輕骨料混凝土的彈性階段。在這一階段，輕骨料混凝土隨荷載增加保持線性增長，且斜率較大。以上便是未裂階段輕骨料混凝土梁的位列階段表現。

(2)帶裂縫工作階段:輕骨料混凝土梁受彎力學試驗的帶裂縫工作階段，是指輕骨料混凝土在荷載作用下，出現了第一條裂縫，出現裂縫的階段均稱為帶裂縫工作階段，也可以說是輕骨料混凝土的彈塑性階段，這一階段和未裂階段相比，輕骨料混凝土出現了明顯的變化，表現為荷載一撓度關系曲線出現一個明顯轉折點，當梁內某一點主拉應力達到并超過混凝土抗拉強度時，轉折點后曲線斜率明顯減小，這就意味著混凝土就會開裂。

(3)極限破壞階段:在進行輕骨料混凝土梁彎受力試驗的過程中，通過觀察裂縫出現的荷載、位置、順序等，到達一個極限破壞階段。也就是說輕骨料混凝土完全破壞到喪失承載能力。通過荷載一撓度曲線可以看出，輕骨料混凝土梁撓度受各種因素的制約。

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