装配式建筑结构轻质混凝土梁力学性能研究

引言

随着建筑行业的快速发展，装配式建筑因其施工周期短、生产效率高、节能环保等诸多优势，逐渐成为现代建筑的重要发展方向。在装配式建筑结构中，梁作为关键的承重构件，其性能直接关系到整个结构的安全性与稳定性。轻质混凝土作为一种新型建筑材料，具有密度低、保温隔热性能好、隔音性能优良等特点，将其应用于装配式建筑的梁结构中，不仅能够有效减轻结构自重，降低基础荷载，还能提升建筑的整体性能。

1 试验概况

1.1 试验材料

选用C60混凝土配合比为基准，采用轻质陶粒和泡沫分别替代普通粗骨料，经过多次试验与调整，成功获得满足工程标准的 C40 轻质混凝土配合比。其中，陶粒具有良好的级配，堆积密度适中，能够在保证混凝土强度的同时有效降低其自重；泡沫通过特定的发泡工艺制备，均匀分布于混凝土中，进一步提升了混凝土的轻质特性。钢筋选用符合国家标准的热轧带肋钢筋，其力学性能指标满足设计要求，确保与轻质混凝土具有良好的协同工作性能。

1.2 试件设计与制作

根据试验目的，设计并制作了陶粒混凝土梁和泡沫混凝土梁试件各若干组，同时制作了普通混凝土梁作为对比试件。试件的尺寸、配筋率等参数严格按照相关规范及试验要求确定，以保证试验结果的准确性与可比性。在试件制作过程中，严格控制原材料的计量、搅拌时间与浇筑振捣工艺，确保混凝土的均匀性与密实度。浇筑完成后，对试件进行标准养护，使其在规定的温湿度条件下达到设计强度。

1.3 试验装置与加载方案

采用万能材料试验机进行三点弯曲试验，试验装置的加载精度与稳定性满足试验要求。加载方案采用分级加载制度，首先施加较小的初始荷载，检查试验装置及试件的安装情况，确认无误后，按照预定的荷载增量逐级加载。在加载过程中，密切观察试件的变形、裂缝开展等情况，并使用位移计、应变片等测量仪器实时采集相关数据。当试件出现明显的破坏特征，如裂缝急剧扩展、挠度急剧增大等，停止加载，记录最终破坏荷载。

2 轻质混凝土梁力学性能研究

2.1 抗弯性能

破坏形态：适筋轻质混凝土梁的弯曲破坏过程与普通混凝土梁类似，经历弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段。其最终破坏形态也为受拉钢筋先屈服，随后受压区混凝土被压碎。正截面承载力：大量试验研究表明，对于适筋梁，现行《混凝土结构设计规范》（GB50010）中基于平截面假定的正截面受弯承载力计算公式同样适用于轻质混凝土梁，计算值与试验值吻合较好。但其极限压应变略小，需在计算中注意。弯曲刚度与挠度：由于弹性模量较低，轻质混凝土梁在正常使用阶段的裂缝宽度和挠度通常大于同等条件的普通混凝土梁。这是设计中需要重点控制的问题，往往需要通过增加截面高度或配筋率来满足正常使用极限状态的要求。

2.2 抗剪性能

抗剪性能是轻质混凝土梁研究的重点和难点。破坏形态：其剪切破坏形态更为脆性，斜裂缝发展迅速，突然性更强。抗剪承载力：由于轻骨料本身强度较低，其裂缝间的骨料咬合作用弱于普通混凝土，导致无腹筋梁的抗剪承载力显著低于 NWC 梁。对于有腹筋梁，箍筋的约束作用可以有效改善其抗剪性能。许多学者建议对规范中的抗剪计算公式引入一个小于 1.0 的折减系数来反映轻质混凝土的不利影响。影响因素：剪切跨度比（ ）是影响抗剪性能的关键因素。跨度比越小，剪切作用越明显，轻质混凝土的劣势越突出。

2.3 裂缝性能

轻质混凝土梁的裂缝间距略小，裂缝宽度在相同荷载下略大。这主要归因于 LWAC 与钢筋的粘结强度以及混凝土自身的抗拉强度。保证足够的钢筋粘结强度和控制使用荷载下的裂缝宽度是设计中的关键。

2.4 改善力学性能的技术措施

为提高轻质混凝土梁的延性和抗裂性，常采用以下技术：掺加纤维：掺入钢纤维或聚丙烯纤维可以有效地抑制裂缝的发展，提高混凝土的韧性、抗冲击和抗爆裂性能，显著改善梁的破坏形态，使其从脆性破坏向延性破坏转变。使用高强钢筋与高性能轻骨料：采用 HRB600 级高强钢筋可以减小配筋率，有利于裂缝控制。使用高强陶粒可配制出更高强度的 LWAC，提升材料本身性能。

3 试验结果与分析

3.1 破坏模式

普通混凝土梁在加载过程中，首先在跨中受拉区出现竖向裂缝，随着荷载的增加，裂缝逐渐向上发展，最终受压区混凝土被压碎，发生典型的适筋梁破坏。陶粒混凝土梁的破坏过程与普通混凝土梁类似，但由于陶粒的存在，其内部形成了一定的孔隙结构，在裂缝开展过程中，陶粒能够起到一定的阻裂作用，使得裂缝的发展相对较为缓慢。然而，当荷载达到一定程度后，陶粒混凝土梁仍会发生脆性破坏，破坏时裂缝宽度相对较小。泡沫混凝土梁的破坏模式与前两者有所不同，其在加载初期，变形发展较为均匀，裂缝出现较晚且较为细密。随着荷载的进一步增加，泡沫混凝土梁表现出较好的延性，能够承受较大的变形而不发生突然破坏，最终破坏时呈现出较为明显的塑性变形特征。

3.2 荷载-位移曲线

随着荷载的增加，曲线逐渐偏离线性，刚度开始下降，直至破坏。陶粒混凝土梁的荷载-位移曲线在弹性阶段与普通混凝土梁较为接近，但在裂缝出现后，其刚度下降速度相对较快，说明陶粒混凝土梁的抗裂性能略低于普通混凝土梁。泡沫混凝土梁的荷载-位移曲线在整个加载过程中呈现出较为平缓的趋势，其初始刚度相对较低，但在后期表现出良好的变形能力，延性明显优于普通混凝土梁和陶粒混凝土梁。

3.3 相对延性比与能量吸收比

计算得到泡沫混凝土梁的相对延性比为陶粒混凝土梁的 1.2 倍，这表明泡沫混凝土梁在破坏前能够承受更大的变形，具有更好的延性。在能量吸收方面，泡沫混凝土梁的能量吸收比为陶粒混凝土梁的 1.05 倍，说明泡沫混凝土梁在受力过程中能够吸收更多的能量，具有更强的耗能能力。这对于提高装配式建筑在地震等自然灾害作用下的抗震性能具有重要意义。

结语

通过本次试验研究，对装配式建筑结构轻质混凝土梁的力学性能有了较为深入的认识。试验结果表明，陶粒可在一定程度上降低混凝土梁的损伤破坏，但与普通混凝土梁相比，其力学性能仍存在一些差异，如破坏时的脆性特征较为明显，性能离散性相对较大。而泡沫混凝土梁表现出独特的力学性能优势，具有更好的抗弯性能、变形能力及能量转化特性，其相对延性比和能量吸收比均优于陶粒混凝土梁。在实际工程应用中，应根据装配式建筑的具体需求和结构特点，合理选择轻质混凝土梁的类型和设计参数。

参考文献

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