吴桂昌

(漯河经济技术开发区建设和环境保护局，河南 漯河 462000)

为响应国家对建筑材料的节能发展政策，需要加快设计具备高力学强度以及安全、可靠的建筑材料，考虑到混凝土已经成为当前用量最大的一类建筑材料，因此需要积极推进开发性能更优的混凝土材料[1-5]。在保温承重混凝土中添加钢筋配件可以同时改善混凝土的承重性，其密度只有2 000 kg/m3左右，同时能够达到C40的强度，具备良好的耐火特性，这使其成为一种重要的绿色建筑材料。梁属于钢筋混凝土中的延性耗能结构，其实际延性耗能效果受到梁破坏方式的显著影响，同时截面的结构及其配筋数也和破坏形态之间存在紧密关联[1-4]。其中，梁截面上压力作用区域所在的位置及其截面剪压比度等都会对梁的破坏过程造成显著影响[5-9]。考虑到现阶段还没有相关文献报道关于承重保温混凝土结构在地震条件下的承受能力，因此还需对其进一步开展抗震性方面的力学测试与研究。本文主要研究了不同钢筋尺寸与截面高度条件下的混凝土保温承重墙破坏形式，设计了不同的对比测试方案来研究本文混凝土梁与普通混凝土梁之间的结构与力学性能差异，探讨了不同因素对混凝土梁参数指标的影响。

1 受弯性能试验

本文共制备5根受弯梁样品，包含1根普通混凝土梁(BL1)、4根保温承重混凝土梁(GBL)，将上述试样分成3组分别进行测试：第一组是玻化微珠保温土梁与普通混凝土梁；第二组是由不同截面高度组成的保温承重混凝土梁；第三组是不同受拉钢筋尺寸的保温承重混凝土梁。

测试所用混凝土强度级别是C35，梁的高度依次是265 mm、300 mm、365 mm 与430 mm，跨长与净跨分别是3.4 m与3.0 m。表1给出了5种试样梁的结构尺寸，根据图1对其进行配筋设计，配筋后的总体尺寸为280 mm×280 mm×3 500 mm。

表1 试样梁的结构尺寸

图1 配筋示意图

本文选择5 000 kN电子伺服长柱压力测试机对钢筋混凝土梁进行性能测试，梁采用对称形式通过分配梁对构件进行两点加载[10-12]。从图2中可以看到加载装置的具体结构，测试时使2个集中载荷之间产生具有相等弯矩的纯弯段。先采用10 kN载荷对混凝土梁实施预加载，确保各个仪表能够正常工作。在测试过程中采用分级加载的形式，在梁开裂前都按照5 kN一级的方式增大载荷，当梁体接近屈服点时将载荷的增大幅度降低为2.5 kN，之后重新采用5 kN一级的方式进行加载，当梁体快到达极限载荷的时候，将载荷增大幅度降低为2.5 kN进行加载直至测试构件失效为止。为了测试梁跨中区域的弯曲程度，按照100 mm标距贴上5片测试应变的电阻片以测定混凝土梁应变。

图2 受弯梁加载装置图

2 结果分析

2.1 破坏形式

保温承重混凝土梁产生开裂现象之前载荷-挠度曲线是一条直线，截面部位受力情况表现为线弹性特征[11-12]。此时梁截面具有较大的抗弯刚度，而截面曲率与扰度都较小，同时梁结构的内部只产生很小的钢筋应力。当梁体结构的纵向受拉钢筋快到达屈服点时，梁体中不会形成新的裂缝，这种情况下位于加载区域旁边的混凝土将不再处于受力状态。应力将在混凝土和钢筋内部重新分配，此时受拉钢筋将承担混凝土开裂前的外部拉力。表2给出了试件各阶段的特征破坏载荷及特征破坏位移。表中Fc，Fy，Fp分别表示长度、宽度和高度的破坏载荷，δc，δy，δp分别表示长度、宽度和高度的破坏位移。

表2 试件各阶段的特征破坏载荷及特征破坏位移

根据表2可知，梁体的中性轴发生了上移，同时截面的抗弯强度下降，并引起载荷-挠度曲线显著变化。进一步增大载荷后，钢筋受到的拉应力与梁挠度都会随之增加，并且裂缝宽度也不断增加，使受弯梁产生较大的弹性变形。当受拉钢筋快到达屈服点时，将会产生明显的应变，同时裂缝也会快速延展，使受弯梁的中性轴出现明显上移，当加载区的高度降低后混凝土压应力与压应变都会迅速升高，使梁产生更显著塑性变化。当受拉钢筋到达屈服点时，保温承重混凝土梁将会产生显著塑性变形，并且当载荷增加后，混凝土的裂缝将发生快速伸长，同时宽度增大约0.8 mm，从而降低了混凝土受压部位的高度，产生更大的压应力，使界面出现塑性转动，此时钢筋应力只小幅增大。随着受弯梁载荷升高至极限值后，在加载区域的混凝土中将会形成水平分布的裂缝，使加载区的混凝土发生破碎形成块状结构，同时引起测试梁的破坏。

2.2 钢筋应变

图3为对梁进行应力测试得到的载荷与钢筋应变关系。结果显示，保温承重混凝土表现出和普通混凝土相近的变化趋势。当混凝土发生开裂之前，钢筋应变增加缓慢。因为加载区的混凝土已经不再继续承受新增加的载荷作用，此时主要由抗拉

图3 钢筋应变规律

钢筋承受截面处的拉应力，从而使钢筋应变明显变大，在曲线上也形成一个显著的转折点。当受拉钢筋发生屈服时，应力处于一个稳定的状态。

2.3 极限抗弯承载力

图4是对梁进行载荷-挠度测试得到的曲线。可以将保温承重混凝土梁由施加载荷到破坏的过程分成3个不同阶段：

1)从施加载荷至混凝土开裂阶段，整个梁截面都处于工作状态，整体结构具有最大的刚度，挠度和载荷曲线呈现线性增长的趋势。

2)从梁开裂至钢筋发生屈服阶段，先在梁的纯弯段形成竖向弯曲裂缝，同时梁刚度快速减小，在载荷-挠度曲线上出现显著的转折点，之后载荷-挠度曲线继续增长到钢筋发生屈服为止。

3)从钢筋发生屈服至梁发生破坏阶段，此时钢筋出现塑性流变，裂缝的扩展速度明显变快，挠度快速上升，钢筋与混凝土压应变都快速增大，最终混凝土发生破裂。

由图4(a)可知，GBL1比BL1更晚发生屈服，当梁体屈服时，两者承载力都缓慢增加，形成了相近的峰值载荷。由图4(b)可知，梁截面高度和承载力之间表现为线性增长的趋势。实际测试结果显示，在较大梁截面条件下，GBL4 和BL1具有相近的承载性能。

图4 受弯梁载荷-挠度曲线

2.4 延性系数

抗弯构件必须具备良好延性才能充分吸收并分散地震产生的能量，因此可以利用跨中截面位移延性系数对梁的延性进行评价。从图5可以看到，相比普通混凝土梁，保温承重混凝土梁具有更优的延性。比较GBL2、GBL3与 GBL4可以发现，当梁尺寸增大后，将导致其延性降低。

图5 延性系数对比

3 结论

本文设计了不同的对比测试方案来研究保温承重混凝土梁与普通混凝土梁之间的结构与力学性能差异，得到如下结论：

1)保温承重混凝土梁(GBL)产生开裂现象之前形成的载荷-挠度曲线是一条直线。随着受弯梁载荷升高至极限值后，在加载区域的混凝土中将会形成水平分布的裂缝，使加载区的混凝土形成块状结构，同时引起测试梁的破坏。

2)当载荷增大后，加载区的高度降低，同时中性轴高度增加，混凝土应变和梁的高度表现为线性变化的趋势。 当受拉钢筋发生屈服时，应力处于一个稳定的状态，保温承重混凝土梁中性轴高度较小。

3)GBL1比BL1更晚发生屈服，当梁体屈服时，两者承载力都缓慢增加，形成了相近的峰值载荷，梁截面高度和承载力之间表现为线性增长的趋势。相比普通混凝土梁，保温承重混凝土梁具有更优的延性。