轻骨料混凝土梁受弯力学性能试验研究

吴毅斌，张造国

(1.湖南华罡规划设计研究院有限公司;2.湖南省公路设计有限公司)

1 引言

如何进行轻骨料混凝土梁受弯力学性能试验是当前工程结构设计关注的焦点。因此，研究轻骨料混凝土梁受弯力学性能试验具有十分重要的现实意义。通过轻骨料混凝土梁静载试验，观察轻骨料钢筋混凝土梁从开裂、受拉钢筋屈服、直至受压区混凝土被压碎这三个阶段的受力与破坏全过程，掌握轻骨料钢筋混凝土梁的基本力学性能。

2 试验研究

2.1 试件设计与制作

试验共设计3根矩形截面试验梁。3根试验梁采用相同的设计尺寸及配筋，可以保证试验梁底保护层和侧保护层相同.具体试验参数如下。

(1)试件尺寸:尺寸对结果的影响很大，矩形截面试验梁梁高h为600mm，梁宽b为400mm，总长l为4400mm，净跨l0为4000mm。

(2)配筋:配筋是指钢筋配制情况。在进行钢筋配制过程中，分底部配筋、上部配筋和中部配筋三个部分。不同位置的钢筋配置也不一样，底部4根Φ22的受拉钢筋，上部4根Φ16的构造钢筋，中部2根Φ12的腰筋。与此同时，在配筋的过程中，还要集合实际的情况，防止发生剪切破坏，应根据距离的不同配置不同的钢筋。

(3)混凝土强度等级为C40。

(4)保护层厚度:保护层指的是混凝土上面那层小部分垫层。在保护层厚度方面，试验采用30mm和50mm两种厚度。在混凝土构件中，试验梁的具体形状尺寸及配筋如图1所示。

图1 试验梁形状尺寸及配筋

2.2 加载方式与加载制度

混凝土梁加载试验装置，包括试验梁和加载装置，试验梁加载系统(如图2所示)。

图2 试验梁加载系统

加载装置包括加载横梁、加载钢球、压力传感器，正式加载时，要保证加载状态符合试验加载计算图式要求。每级荷载约为使用荷载的20%(约501kN)，相邻两次加载的间隔时间为2～3min。当达到开裂荷载的90%后，级距再加密。在每级加载后的间歇时间内，进行各项读数的记录工作，直至破坏。

3 试验结果及分析

3.1 试验现象与破坏特征

(1)TCI梁

TCI梁在各应力水平下的裂缝分布如图3所示。

图3 TCI梁在各应力水平下的裂缝分布

(2)TCII梁

TCII梁在各应力水平下的裂缝分布如图4所示。

(3)TCⅢ梁

TCⅢ梁在各应力水平下的裂缝分布如图5所示。

图4 TCII梁在各应力水平下的裂缝分布

图5 TCIII梁在各应力水平下的裂缝分布

3.2 正截面承载力

随着轻骨料取代率的增加，对劲性轻骨料混凝土梁的正截面承载力进行试验，其计算公式均为

按照式(1)、(2)计算得到各试验梁正截面承载力计算值，再扣除梁体及加载设备自重的影响，并与试验实测值进行对比如表1所示。

表1 正截面承载力实测值与计算值对比

由表可见，现行规范和规程计算公式用于轻骨料混凝土构件正截面承载力的计算是安全的，并且规范计算值的安全程度大于规程计算值。

3.3 梁截面弯曲变形

TCI梁、TCII梁的轻骨料混凝土梁平均应变如下图所示。

(1)轻骨料混凝土梁在极限破坏阶段前，以100mm为单位距离的截面高度一直保持着线形分布状态。由图6可知，一旦轻骨料混凝土梁遭到破坏，破坏阶段的轻骨料混凝土梁英剧应变值较大。通过这样的试验，我们可以近似认为轻骨料混凝土梁符合平截面假定。

(2在进行TCI梁、TCII梁梁截面弯曲变形试验时，我们可以看到，随着荷载的增加，截面高度和平均应变具有上移的趋势，由截面中部一直上升至接近梁顶部的位置，这是TCI梁、TCII梁在梁截面弯曲变形试验过程中，显现的共同特征，混凝土受压区不断减小。

(3)按照受压区极限高度的概念和确定方法，轻骨料混凝土梁和普通的混凝土梁相比，其极限压应变比普通的混凝土梁要大。究其原因，在进行梁截面弯曲变形试验过程中，轻骨料混凝土的弹性模量较低，有利于提高建筑的承载能力。因此，在同等应力的情况下，轻骨料混凝土要比一般混凝土占据优势，承受更大的应变。

图6

图7 沿梁高的梁体表面平均应变

4 结论

(1)未裂阶段:轻骨料混凝土梁受弯力学试验的未裂阶段，是指从从加载开始至第一条裂缝出现前这一阶段，试验梁全截面工作，基本处于弹性受力阶段，所以也可以把这一阶段称为轻骨料混凝土的弹性阶段。在这一阶段，轻骨料混凝土随荷载增加保持线性增长，且斜率较大。以上便是未裂阶段轻骨料混凝土梁的位列阶段表现。

(2)带裂缝工作阶段:轻骨料混凝土梁受弯力学试验的带裂缝工作阶段，是指轻骨料混凝土在荷载作用下，出现了第一条裂缝，出现裂缝的阶段均称为带裂缝工作阶段，也可以说是轻骨料混凝土的弹塑性阶段，这一阶段和未裂阶段相比，轻骨料混凝土出现了明显的变化，表现为荷载一挠度关系曲线出现一个明显转折点，当梁内某一点主拉应力达到并超过混凝土抗拉强度时，转折点后曲线斜率明显减小，这就意味着混凝土就会开裂。

(3)极限破坏阶段:在进行轻骨料混凝土梁弯受力试验的过程中，通过观察裂缝出现的荷载、位置、顺序等，到达一个极限破坏阶段。也就是说轻骨料混凝土完全破坏到丧失承载能力。通过荷载一挠度曲线可以看出，轻骨料混凝土梁挠度受各种因素的制约。

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