1 绪论
1.1 研究背景
轻骨料混凝土梁具有良好的力学性能，与普通混凝土梁相比，在不降低承载力的同时可以减轻由结构自重产生的恒载，被广泛应用于高层、大跨度等建筑结构中 [1-3]。结构自重减轻可以减小构件设计尺寸，使建筑的空间使用率提高。轻骨料的制备较多采用工业尾矿，废物利用促进建筑向高效、节能、环保方向发展。
为了提高轻骨料混凝土梁的抗裂、抗震等力学性能，通常在轻骨料混凝土中掺入纤维。纤维具有弹性模量高，抗拉性能优良等特点，掺入适量纤维能抑制轻骨料混凝土梁裂缝的开展，降低受拉钢筋应变，提高混凝土梁的抵抗开裂和承载能力，同时混凝土梁的延性改善，其抗疲劳性能和耐久性也能得到明显提升。
虽然纤维可以抑制轻骨料混凝土梁受拉区混凝土的开裂，但是对梁受压区混凝土的抗压强度提升效果不明显。在实际工程中，当配筋率较大时，纵筋尚未屈服受压区混凝土便被压碎，材料的强度未能得到有效利用。这种破坏是脆性的，无任何征兆，规范对这种结构的设计提出了严格限制。混凝土梁在纵筋屈服后承载力由受压区的混凝土强度所决定，因此，保证梁受压区混凝土的强度和变形能力是提高轻骨料混凝土梁力学性能的关键。通过对梁受压区混凝土增强，提高受压区混凝土抵抗变形能力和极限压应变。改善后的混凝土梁纵向纵筋屈服后，受压区混凝土可以继续承担较大荷载，此受力机制延缓了混凝土梁的破坏时间，为结构的失效提供了安全预警，增加了其安全储备。此外，纤维还具有增韧阻裂作用，对于吸收和释放能量、减震效果显著，在提高梁承载能力的同时，延性等性能也得到相应提升。
目前，关于高配筋率混凝土梁的承载力、延性等力学性能改善比较主流的方法有以下几种：增大截面[5]、外包钢板[6]、外贴 FRP[7]、施加预应力[8]等方式。通过工程实践经验总结，这些方法对混凝土梁承载力、刚度及延性的改善取得了一定效果，但仍然存在不足之处。例如：施工周期长且工序复杂，不利于快速化施工；施工成本高，社会效益相对较差；由于补强加固多应用在结构的维修加固中，对原有结构破坏严重，影响建筑的使用功能和美观，且后期维修加固费用高
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1.2 纤维轻骨料混凝土梁受弯性能研究现状
轻骨料混凝土梁与普通混凝土梁相比可以减轻结构自重、提高建筑空间利用率，但轻骨料混凝土梁抗裂性能差，脆性破坏现象显著。纤维价格低廉、稳定性好、施工便捷，对混凝土裂缝的形成和发展具有抑制作用[9]，研究表明，纤维的掺入提高了混凝土梁的承载力和延性 [10]，随着纤维的掺入混凝土梁的弯曲性能、疲劳强度等受力性能均得到提升[11,12]。纤维的种类、长径比和掺量等对混凝土梁性能影响效果显著，为了探究各影响因素与混凝土梁力学性能之间的相关性，专家学者进行了大量研究工作。
Abbass[13]以纤维掺量和纤维长径比为主要变量，研究了轻骨料混凝土梁的受弯性能，研究得出，随着纤维掺量的增加，轻骨料混凝土抗压强度提高了 10%~25%，混凝土梁承载能力提高了 31%~47%，随着纤维长径比的提高，梁的弯曲性能得到了改善。
Hassanpour[14]将低体积掺量（≤1.0%）的钢纤维掺入轻质混凝土中，研究表明，
纤维的掺入使得轻质混凝土干表观密度从 1 650 kg/m3 提高到 1 810 kg/m3，提高后的表观密度仍满足轻质混凝土的要求。钢纤维的掺入对混凝土后期抗压强度增长效果明显，混凝土 28 天抗压强度提高 21%~77%，混凝土梁弯曲强度提高了 6%~69%。
Caratelli[15]研究了四种不同的轻骨料混凝土梁在单调往复荷载下的力学性能。研究表明，钢纤维掺量为 30 kg/m3时，混凝土梁极限承载力增加了 20%，延性提高了65%；在循环荷载下，纤维混凝土梁的极限承载力比不掺纤维的混凝土梁提高了14%，耗能性能提高了 20%。
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2 试验概况
2.1 试验材料和配合比
2.1.1 试验材料
（1）水泥
包头市蒙西牌 P.O 42.5 级普通硅酸盐水泥，性能见表 2.1。
（2）粗骨料
本试验采用的粗骨料一共有两种：混凝土梁配置采用页岩陶粒，增强的受压区混凝土采用石子。 陶粒：湖北汇腾轻集料环保产品有限公司生产的 800 级碎石型页岩陶粒，骨料外形见图 2.1，力学性能见表 2.2。 石子：试验采用 5-20 粒径，连续级配石灰岩碎石，各项指标见表 2.3。 （3）细骨料
采用细度模数为 2.90 的河砂，经人工清洗后含泥量小于 3%，表观密度 2 600 kg/m3，堆积密度1 560 kg/m3。
2.2 试件设计与制作
本课题组对塑钢纤维轻骨料混凝土梁的正截面受弯和斜截面受剪力学性能进行了一系列探索，研究取得预期效果。为了更好的分析改善后梁的受弯性能，本试验在以往试验的基础上[25]采用同样尺寸（150×300×2 100 mm，支座间距 1 800 mm，混凝土保护层 20 mm），设计了 9 根受压区增强塑钢纤维轻骨料混凝土梁，混凝土梁基体统一采用 9 kg/m3 掺量的塑钢纤维。
2.2.1 试件参数
试件 C1-50-25、C2-60-25 受压区混凝土采用不同强度的普通混凝土，研究受压区混凝土强度对混凝土梁受弯性能的影响，由于高强度等级混凝土韧性低，抵抗变形能力差，普通混凝土强度不大于 C60；试件 S3-50-16、S4-50-22、 S5-40-25 局部受压区采用钢纤维混凝土，增强区长度为 800mm，研究钢纤维增强受压区混凝土的影响，当掺量较高时混凝土搅拌困难，不易分散，因此选取钢纤维的体积掺量取1.0%；试件 R6-50-16、R7-50-22、R8-40-25 受压区采用高 90mm、宽 110、间距 50 mm 的矩形箍筋，约束区长 800mm；试件 H9-40-25 受压区混凝土采用内径 90mm、间距 50mm 的螺旋箍筋约束，约束区长 800mm。为了保证增强的梁在受弯破坏前不发生剪切破坏，所有试件都通过配置较密的箍筋进行了抗剪加强设计。各组试件参数如表 2.7，梁尺寸和截面配筋如图 2.4 所示：
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3 受压区增强塑钢纤维轻骨料混凝土梁受弯性能试验结果分析 ........................................ 17
3.1 混凝土梁破坏过程分析 ...................................... 17
3.2 混凝土梁平截面假定验证 ....................... 20
4 受压区增强塑钢纤维轻骨料混凝土梁承载力研究 ................................... 35
4.1 极限弯矩确定 ............................................. 35
4.2 受压区增强塑钢纤维轻骨料混凝土梁承载力计算 ............................. 36
5 结论与展望 ............................. 47
5.1 结论 .................................... 47
5.2 展望 ...................................... 48
4 受压区增强塑钢纤维轻骨料混凝土梁承载力研究
4.1 极限弯矩确定
规范[54]对混凝土梁极限承载力给出了定义，在混凝土简支梁中，以出现以下标志之一即判定为试件达到极限承载力：受拉钢筋被拉断、受压区混凝土被压碎，跨中挠度达到梁跨度的 1/50；主裂缝达到 1.5mm 或纵筋应变达到 0.01。从图 3.13 纵筋荷载-应变曲线可以发现，试件在破坏时纵筋未达到 0.01，这里以混凝土的应变达到极限应变或试件挠度达到规定限值为极限弯矩。表 4.1 为试验梁的极限承载力试验值。
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5 结论与展望
5.1 结论
本文对 9 根受压区增强塑钢纤维轻骨料混凝土梁受弯性能经行研究，分析了受压区混凝土强度、受压区混凝土增强方式和配筋率等对混凝土梁的弯矩-挠度曲线、受拉钢筋应变、混凝土应变的影响，提出了受压区增强塑钢纤维轻骨料混凝土梁正截面承载力计算公式。试验的主要结论如下：
（1） 增强后的塑钢纤维轻骨料混凝土超筋破坏现象得到改善，脆性破坏现象得到延缓，所有梁在加载全过程均符合平截面假定。
（2）提高受压区混凝土强度后梁的混凝土极限压应变减小，试件C2-60-25的混凝土极限压应变比试件 C1-50-25 降低了 33.42%；钢纤维增强受压区混凝土梁的极限应变较高，试件 S5-40-25 的混凝土极限应变比试件 S3-50-16 和 S4-50-22 分别提高12.83%、20.10%；箍筋约束受压区混凝土可以提高梁的混凝土极限应变，随着配筋率提高压应变增加，试件 R8-40-22 比试件 R6-50-16 和试件 R7-50-22 的极限应变分别提高 12.39%、10.92%；钢纤维增强受压区混凝土梁的极限应变比矩形箍筋和螺旋箍筋约束受压区混凝土梁高，试件 S5-40-25 的混凝土极限应变比试件 R8-40-25 和H9-40-25 分别提高 68.12%、50.93%。
（3）梁的开裂弯矩受配筋率和受压区增强方式的影响不明显，屈服弯矩和峰值弯矩随着受压区混凝土提高而降低，试件 C2-60-25 比 C1-50-25 的屈服弯矩和峰值弯矩随着混凝土强度的提高分别降低 3.74%、2.20%，延性降低了 11.76%；采用钢纤维增强受压区混凝土的梁，随着配筋率的提高屈服弯矩和峰值弯矩都增加，试件 S4-50-22 的屈服弯矩和峰值弯矩比试件 S3-50-16 分别提高 66.48%、25.24%，延性降低了 32.69%；试件 S5-40-25 的屈服弯矩和峰值弯矩比试件 S3-50-16 分别提高 113.80%、57.92%，延性降低 62.98%；受压区混凝土采用矩形箍筋约束的梁屈服弯矩和峰值弯矩比采用钢纤维增强和螺旋箍筋约束受压区混凝土梁低，且延性较差，受压区采用螺旋箍筋约束的试件屈服弯矩和峰值弯矩最高，延性也最好。
参考文献（略）