鋼—輕骨料混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

高 明 郭長(zhǎng)青

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代建筑逐漸向大跨度、高層發(fā)展，減輕高層建筑和大跨度構(gòu)件的自重，增加結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，提高建筑物抗震性能已顯得十分重要。鋼—輕骨料混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)和輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型組合結(jié)構(gòu)。它繼承了鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，采用輕骨料混凝土材料替代了自重大、保溫隔熱性能差的普通混凝土，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)外對(duì)鋼—輕骨料混凝土組合結(jié)構(gòu)方面的研究較少，關(guān)于“輕骨料混凝土”方面的研究成果主要集中在高性能輕骨料混凝土梁板和纖維及聚合物輕骨料混凝土梁板，我國(guó)對(duì)輕骨料組合結(jié)構(gòu)的研究雖然起步較晚，但近年來在組合梁板方面取得了不少成果，各項(xiàng)性能試驗(yàn)也在進(jìn)一步研究之中。

1 輕骨料混凝土

輕骨料混凝土[1](LightWeight Aggregate Concrete，簡(jiǎn)稱 LWAC)，也稱輕集料混凝土，指用輕骨料、普通砂(或輕砂)、水泥和水配制而成，干表觀密度不大于 1 950 kg/m3的混凝土。

采用輕骨料混凝土代替普通混凝土可以減輕結(jié)構(gòu)自重，如采用輕骨料混凝土較普通混凝土可以減輕樓板自重的 20%～30%，亦可以減小結(jié)構(gòu)斷面尺寸，提高結(jié)構(gòu)跨度或增加層高，并且具有輕質(zhì)、高強(qiáng)特征明顯;抗凍性、抗?jié)B性能優(yōu)越;隔熱、保溫、保濕性能好;抗震、耐火性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，使用輕骨料混凝土不僅可以節(jié)約水泥、鋼筋以及預(yù)應(yīng)力鋼筋等材料，取得較大的直接經(jīng)濟(jì)效益，而且可以降低基礎(chǔ)處理費(fèi)用，增加使用面積，延長(zhǎng)工程使用壽命，獲得顯著的間接經(jīng)濟(jì)效益。

2 輕骨料組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

2.1 鋼—輕骨料組合梁的研究狀況

鋼—輕骨料混凝土組合梁除具有普通組合梁的一切優(yōu)點(diǎn)外，還降低了自重、減少了截面高度、跨越能力增強(qiáng)、抗震性能提高。由于鋼—輕骨料混凝土組合梁的翼緣板材料性能的變化，將導(dǎo)致組合梁的力學(xué)性能發(fā)生改變。為此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)鋼—輕骨料混凝土組合梁開展了大量的研究工作。

Roderick JW等[2]對(duì) 5座鋼—輕骨料混凝土組合梁和 1座鋼—混凝土組合梁進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩種組合結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象及極限承載能力。Ollgaard JG等[3]通過對(duì) 48組鋼輕骨料試件的試驗(yàn)，研究得到了國(guó)內(nèi)外規(guī)范普遍采用的栓釘連接件抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式。Meyer Karl F等[4]對(duì)工字形輕骨料預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行了研究，表明在相同荷載、梁截面情況下，采用輕骨料混凝土梁可比普通混凝土梁的跨度增大 4%以上。Rigoberto Burgueno等[5]研究了混合纖維聚合物混凝土組合梁的抗彎性能，得出了采用碳纖維的聚合物混凝土組合結(jié)構(gòu)對(duì)于梁板橋是可行的。H D Basche[6]采用二維有限元數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)觀測(cè)的方法，研究了輕骨料混凝土組合梁的抗剪能力。

我國(guó)對(duì)輕骨料混凝土組合梁的研究始于 20世紀(jì) 70年代末，并于 1982年編制了JGJ 12-82鋼筋輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程，東北大學(xué)也最先開始了鋼—輕骨料混凝土組合梁的研究。

王連廣等在鋼—輕骨料混凝土組合梁取得了一定的成績(jī):對(duì)鋼—輕骨料混凝土組合梁受力性能及連接件性能進(jìn)行了研究[7];利用最小勢(shì)能原理，建立了鋼—輕骨料混凝土簡(jiǎn)支組合梁變形計(jì)算公式，并用試驗(yàn)加以驗(yàn)證[8];研究影響鋼板與輕骨料混凝土組合梁抗彎及變形性能的主要因素，并建立其抗彎承載力計(jì)算公式及其荷載—變形關(guān)系曲線[9];通過 5塊鋼板與輕骨料混凝土組合梁的試驗(yàn)研究，利用彈性理論，建立了鋼板與輕骨料混凝土組合梁交界面相對(duì)滑移微分方程，得到不同工況下的鋼板與輕骨料混凝土組合梁滑移計(jì)算公式，并通過試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證[10]。

劉寒冰等在此研究領(lǐng)域也做了大量工作:利用能量變分法，建立了鋼—輕骨料混凝土組合梁翼板有效寬度的計(jì)算方法[11]，并以此分析了組合梁翼緣板有效寬度的變化規(guī)律及有效寬度的計(jì)算公式[12];以對(duì)稱集中荷載為加載方式，研究了鋼—輕骨料混凝土組合梁結(jié)構(gòu)的承載及變形能力，并提出組合梁在集中荷載作用下跨中撓度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式[13];基于塑性理論，推導(dǎo)了預(yù)應(yīng)力鋼—輕骨料混凝土組合梁的承載能力計(jì)算公式，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該公式的可行性[14，15]。

楊勇等[16]通過對(duì) 8個(gè)閉口型壓型鋼板—輕骨料混凝土組合梁試件的靜力試驗(yàn)，提出了鋼—閉口型壓型鋼板輕骨料混凝土組合梁的受彎承載能力以及受剪承載能力計(jì)算方法。

2.2 鋼—輕骨料組合(樓)板的研究狀況

以壓型鋼板—混凝土組合樓板為體系的組合樓板充分利用了混凝土耐壓、鋼材耐拉的特點(diǎn)，并具有承載力高、剛度大、抗震性能好且便于管道鋪設(shè)、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑結(jié)構(gòu)及橋梁中應(yīng)用廣泛。國(guó)內(nèi)外對(duì)于組合樓板的研究，絕大部分集中于普通混凝土組合樓板力學(xué)性能的研究，近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者及研究人員對(duì)輕骨料混凝土組合樓板性能的研究在逐漸增多。

李幗昌等[17]利用工業(yè)廢料——煤矸石作骨料，分析了組合樓板的彎矩與撓度的關(guān)系曲線、彎矩與滑移的關(guān)系曲線及組合樓板的受力過程。李朝輝等[18]模擬分析了 6塊壓型鋼板—煤矸石輕骨料混凝土組合樓板的極限承載力、應(yīng)變及組合板撓度隨荷載的變化規(guī)律，并分析了組合板厚度和煤矸石輕骨料混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)組合板承載力的影響。

陳浩軍等對(duì)壓型鋼板—輕集料混凝土組合樓板的粘結(jié)—滑移性能、承載能力及撓度進(jìn)行了研究，提出了相關(guān)計(jì)算公式[19];并對(duì)配置橫向剪力鋼筋的壓型鋼板—輕骨料混凝土組合樓板的抗滑移性能進(jìn)行了研究[20]。

張燕坤等[21，22]通過對(duì)壓型鋼板—輕骨料混凝土組合樓板受彎承載力試驗(yàn)，對(duì)比分析了輕骨料混凝土組合樓板受力、變形性能和破壞機(jī)理，并研究了端部栓釘及橫向抗剪鋼筋對(duì)承載力的影響，為輕骨料混凝土組合樓板的設(shè)計(jì)施工提供參考。

楊勇等[23]對(duì) 6塊閉口型壓型鋼板—輕骨料混凝土組合板試件進(jìn)行了兩點(diǎn)對(duì)稱集中加載靜力試驗(yàn)研究，考察了組合板在不同剪跨比下的破壞形態(tài)、鋼板與混凝土應(yīng)變發(fā)展、端部滑移和裂縫發(fā)展情況，研究了組合板的縱向剪切極限承載能力。

曾蘇生等[24]研究了鋼板—輕骨料混凝土空心組合板中鋼管的布置方向和加載名義剪跨比對(duì)其受力性能的影響，建立了空心組合板的正截面受彎極限承載力和剛度計(jì)算方法;并通過組合板試件的高周疲勞對(duì)比試驗(yàn)，分析了組合板的疲勞破壞形態(tài)、疲勞剛度及疲勞后剩余承載力退化規(guī)律等疲勞性能。

3 進(jìn)一步研究工作

近年來，雖然鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國(guó)建筑和橋梁等領(lǐng)域已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用，顯示出很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[25]。但是，目前對(duì)于鋼—輕骨料混凝土組合結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用甚少。盡管，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究人員在輕骨料組合結(jié)構(gòu)的性能上做了不少研究工作，但是無論是采用輕骨料混凝土還是采用普通混凝土材料的組合結(jié)構(gòu)，組合板界面的連接性能問題，焊接質(zhì)量不易保證及焊接栓釘、鍍鋅可焊性差等施工問題還是依然存在。

在我國(guó)目前還未出臺(tái)有關(guān)鋼—輕骨料混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程之前，筆者認(rèn)為，還需要進(jìn)一步做以下研究工作:鋼—輕骨料混凝土連續(xù)組合梁理論研究，預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)的研究，組合結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力狀態(tài)下的性能及設(shè)計(jì)方法，溫度、徐變和收縮效應(yīng)及殘余應(yīng)力的影響，組合結(jié)構(gòu)的整體性能和施工力學(xué)問題研究，以及輕骨料混凝土材料指標(biāo)的技術(shù)檢測(cè)等，這將為推廣輕骨料組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)規(guī)程的制定提供寶貴的依據(jù)。

4 結(jié)語

鋼—輕骨料混凝土組合結(jié)構(gòu)在繼承了鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的剛度大、延性好、抗震性能好、施工簡(jiǎn)便、工期短、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還具有自重輕、保溫隔熱性能較好等自身優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，輕骨料可采用多種工業(yè)廢料(如煤矸石、粉煤灰等)進(jìn)行生產(chǎn)，可降低環(huán)境污染。因此，推廣和應(yīng)用鋼—輕骨料混凝土組合結(jié)構(gòu)，可帶動(dòng)建筑材料行業(yè)的發(fā)展，對(duì)保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)目標(biāo)，必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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