1 绪论
1.1 研究背景
北京京广中心和上海国际航运大厦的总高度都为 208 米，但上海国际航运大厦地上楼层却比北京京广中心少了 7 层[1]，两个建筑层数不同的根本原因是层高不同。在建筑结构中为了降低楼层高度、增加楼层的净高并满足对使用高度的要求，截面高度小、宽度大的扁梁结构应运而生，对建筑业的发展起到了推动作用，但扁梁由于有效高度小致使其承载力、抵抗变形和抗裂能力下降[2]，而且在承受相同荷载的情况下，扁梁较正常梁耗材多且自重较大[3]。
轻骨料混凝土是用密度小的粗骨料代替普通混凝土中密度大的粗骨料，轻骨料混凝土的干表观密度小于等于 1 950kg/m3[4]。轻骨料混凝土与普通混凝土相比，其比强度更大，且具有保温隔热和提高结构抗震性能的优势[5，6]。高层建筑结构中采用轻骨料混凝土的工程案例有很多，其中通过减轻自重并提高了层数的最典型案例就是位于美国休斯敦的贝壳广场大楼，贝壳广场大楼的原设计是 35 层，使用的是普通钢筋混凝土，后期全部采用轻骨料混凝土（骨料为页岩陶粒）之后，将贝壳广场大楼建造至52 层，并减轻了 20%的自重[7]。鉴于轻骨料混凝土其轻质、比强度高的优点，考虑将轻骨料混凝土应于与扁梁，弥补扁梁自重大的缺陷。
将纤维加入到混凝土中不仅能够阻碍裂缝的扩展和延伸、提升混凝土的力学性能，而且对于混凝土的耐久性也有一定程度的改善[8~10]。将纤维掺入到混凝土梁中，可以抑制梁上裂缝的扩大，提高梁的抗裂性能、刚度以及抗弯承载力。鉴于纤维的作用，考虑将纤维应用于与扁梁。将钢纤维或塑钢纤维掺入到混凝土梁中均提高梁的抗裂性能、刚度以及抗弯承载力。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 纤维轻骨料混凝土梁的研究现状
当前对于纤维轻骨料混凝土梁的研究内容主要包括对纤维混凝土梁性能研究、轻骨料混凝土梁性能研究、以及将纤维和轻骨料组合使用的纤维轻骨料混凝土梁性能等方面研究。
张勇[11]的探究表明：由于轻骨料混凝土本身所具备的脆性特征，致使一般轻骨料混凝土梁上裂缝扩展和延伸的速度比纤维轻骨料混凝土梁上裂缝扩展和延伸的速度快，其原因是加入纤维后，聚丙烯纤维的搭接作用有效地连接了裂缝两侧的混凝土，限制了裂缝扩展和延伸。
高天佑[12]探究表明：将耐碱玻璃纤维参入混凝土梁中，能够有效的抑制裂缝的发展，使混凝土梁的特征荷载（开裂荷载、屈服荷载和极限荷载）、刚度和延性都有了一定程度的提高，且梁正截面受弯过程符合平截面假设。
武星星[13]通过将钢纤维掺入混凝土梁中，探究了钢纤维混凝土梁在冲击荷载下的动态断裂行为。以同样的速度进行冲击，钢纤维混凝土梁的冲击峰值和断裂能比一般混凝土梁更高，混凝土梁中掺入钢纤维，能够显着提升混凝土梁的断裂性能，抑制裂缝扩大。
徐旭炜[14]测试了三组不同掺量的钢纤维混凝土梁（共 9 根），对比测试结果、中国规范和欧洲规范，结果是两个规范的计算结果接近，设计误差值 大约 20％，并且有足够的安全保证。中国规范中的误差主要是由于钢纤维影响系数取值较小造成的。
赵燕茹[15]探究了钢纤维对钢筋混凝土梁抗弯韧性和疲劳损伤的影响规律。研究发现：疲劳试验中，在钢筋混凝土梁中加入钢纤维对疲劳损伤发展规律基本没有影响，但会提升试验梁的刚度，纤维掺量越多，刚度越大，挠度越小。
宣硕[16]探讨了钢纤维所在混凝土层厚对再生混凝土梁抗裂能力的影响规律。研究发现梁的开裂荷载随钢纤维混凝土层厚度的增加而先提高后下降。提高钢纤维所在混凝土的厚度可以减小梁在破坏后的最大裂缝宽度。
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2 纤维轻骨料混凝土扁梁试验概况
2.1 材料的性能指标
2.1.1 试验材料
水泥：内蒙古包头市蒙西牌 P.O42.5 级普通硅酸盐水泥，性能见表 2.1；
粗骨料：湖北汇腾轻集料环保产品有限公司生产碎石型页岩陶粒，如图 2.1，性能参数见表 2.2；
细骨料：细度模数为 2.90 的中砂；
塑钢纤维：浙江宁波大成新材料股份有限公司生产的改性聚丙烯粗纤维，外形如图 2.3（a）；
钢纤维：唐山市玉田县致泰钢纤维制造有限公司生产的钢纤维，外形如图 2.3（b）；
减水剂：内蒙古安顺建材公司生产的聚羧酸减水剂，减水率 20%；
水：自来水；
纵向钢筋：HRB400 级带肋钢筋；
箍筋：HPB300 级光圆钢筋，钢筋性能参数见表 2.4；
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2.2 试验梁的设计
为了研究纤维掺量与配筋率对塑钢纤维和钢纤维轻骨料混凝土扁梁的破坏形态、短期刚度以及抗弯承载力的影响规律，本试验共设计 17 根试验梁（3 根轻骨料混凝土扁梁，8 根塑钢纤维轻骨料混凝土扁梁，6 根钢纤维轻骨料混凝土扁梁）。纤维轻骨料混凝土扁梁的截面尺寸 b×h 为 300mm×150mm，长度为 2 100mm，净跨为1 800mm，保护层厚度为 20mm。
各组试验梁均为适筋梁，试验梁受拉钢筋配筋率为 0.97%、1.30%和 1.62%。纤维掺量为 0、0.3%、0.6%、0.9%和 1.2%。剪弯段配置直径为 8mm，间距为 100mm的箍筋。试验梁配筋图如图 2.3、图 2.4 所示。各试验梁具体参数见表 2.7。表中以0-0-0.97、PS-0.3-0.97、和 S-0.3-0.97 为例，第一项中 0、PS 和 S 分别表示不掺纤维、掺塑钢纤维和掺钢纤维；第二项 0、0.3 表示纤维掺量为 0 和 0.3%，第三项 0.97 表示配筋率为 0.97%。
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3.1 试验现象......................................13
3.1.1 轻骨料混凝土扁梁破坏现象.....................................13
3.1.2 塑钢纤维轻骨料混凝土扁梁破坏现象..............................14
4 纤维轻骨料混凝土扁梁短期刚度研究...........................................38
4.1 塑钢纤维轻骨料混凝土扁梁短期刚度计算..........................................38
4.1.1 有效惯性矩法.....................................38
4.1.2 解析刚度法.........................................42
5 纤维轻骨料混凝土梁正截面抗弯承载力研究........................................53
5.1 塑钢纤维轻骨料扁梁正截面承载力计算..................................53
5.1.1 基本假定..............................53
5.1.2 塑钢纤维轻骨料混凝土等效矩形应力图形.............................54
5 纤维轻骨料混凝土扁梁正截面抗弯承载力研究
5.1 塑钢纤维轻骨料扁梁正截面承载力计算
5.1.1 基本假定
在对塑钢纤维轻骨料扁梁进行正截面承载力计算前，根据试验现象、数据以及相关规范中正截面承载力计算的一般规定做出以下假定。
（1）平截面假定由第 3 章中跨中混凝土应变可得，塑钢纤维轻骨料扁梁正截面受弯破坏过程中，梁跨中截面混凝土表面应变沿截面高度均呈线性变化，由此可以得出塑钢纤维轻骨料混凝土扁梁在受弯破坏过程中符合平截面假定。
（2）钢筋与混凝土共同工作
（3）不考虑塑钢纤维轻骨料混凝土受压时纤维的作用，即把受压区的纤维轻骨料混凝土看做轻骨料混凝土。参考《轻骨料混凝土结构技术规程》。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文通过对 3 根轻骨料混凝土扁梁、8 根塑钢纤维轻骨料混凝土扁梁和 6 根钢纤维轻骨料混凝土扁梁进行三分点对称加载，研究了纤维种类（塑钢纤维、钢纤维）、纤维掺量（0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%）和配筋率（0.97%、1.3%、1.62%）对纤维轻骨料混凝土扁梁截面受弯性能的影响规律，得出以下结论：
（1）纤维轻骨料混凝土扁梁的受弯破坏过程与轻骨料混凝土扁的破坏过程相似，均包括适筋梁受弯破坏过程的三个阶段，且符合平截面假定。
（2）纤维在提高了试验梁的开裂荷载，并抑制了试验梁上裂缝在加载过程的发展，纤维掺量越多开裂荷载越大、裂缝宽度越小、裂缝越密。配筋率的提高同样可以抑制试验梁上裂缝的发展。
（3）纤维掺量增加可以提高试验梁的短期刚度，短期刚度随纤维掺量而增大。塑钢纤维和钢纤维的掺量为 1.2%时，对试验梁的刚度提高最多，与不掺纤维的试验梁相比，分别提高了 40.63%和 65.45%。配筋率的增加同样可以提高试验梁的短期刚度，但配筋率的增加会抑制纤维对试验梁刚度的提高。与常规塑钢纤维轻骨料混凝土梁相比，纤维对塑钢纤维轻骨料混凝土梁的短期刚度提更多。
（4）纤维掺量增加可以提高试验梁的屈服荷载和极限荷载。配筋率为 0.97%时，塑钢纤维和钢纤维掺量为 1.2%时，屈服弯矩提高效果最好，与未掺纤维的轻骨料混凝土扁梁相比分别提高了 27.95%和 39.75%。塑钢纤维和钢纤维掺量为 1.2%和 0.9%时，极限弯矩提高效果最好，与未掺纤维的轻骨料混凝土扁梁相比分别提高了 28.35%和 30.93%。在纤维掺量相同时，配筋率越大，纤维对屈服弯矩和极限弯矩提高的越少，发挥的作用越小。
（5）本文基于有效惯性矩法和解析刚度法，并参考相关规定，建立了塑钢纤维轻骨料混凝土扁梁的两种短期刚度计算公式。利用上述两种短期刚度计算公式得到的塑钢纤维轻骨料混凝土扁短期刚度值都与实测值相吻合，说明基于有效惯性矩法和解析刚度法建立的两种公式都适用于塑钢纤维轻骨料混凝土扁梁以及普通梁的短期刚度计算。
参考文献（略）