鋼—輕骨料混凝土組合結構的研究進展

高 明 郭長青

隨著經濟和社會的飛速發展，現代建筑逐漸向大跨度、高層發展，減輕高層建筑和大跨度構件的自重，增加結構的保溫隔熱性能，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構是在鋼—混凝土組合結構和輕骨料混凝土結構的基礎上發展起來的一種新型組合結構。它繼承了鋼—混凝土組合結構的優點的同時，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，因而具有廣泛的應用前景。國外對鋼—輕骨料混凝土組合結構方面的研究較少，關于“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，我國對輕骨料組合結構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，各項性能試驗也在進一步研究之中。

1 輕骨料混凝土

輕骨料混凝土[1](LightWeight Aggregate Concrete，簡稱 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構自重，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%，亦可以減小結構斷面尺寸，提高結構跨度或增加層高，并且具有輕質、高強特征明顯;抗凍性、抗滲性能優越;隔熱、保溫、保濕性能好;抗震、耐火性好等優點。因此，使用輕骨料混凝土不僅可以節約水泥、鋼筋以及預應力鋼筋等材料，取得較大的直接經濟效益，而且可以降低基礎處理費用，增加使用面積，延長工程使用壽命，獲得顯著的間接經濟效益。

2 輕骨料組合結構的研究現狀

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點外，還降低了自重、減少了截面高度、跨越能力增強、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，將導致組合梁的力學性能發生改變。為此，國內外許多學者對鋼—輕骨料混凝土組合梁開展了大量的研究工作。

Roderick JW等[2]對 5座鋼—輕骨料混凝土組合梁和 1座鋼—混凝土組合梁進行了室內模型試驗，對比分析了兩種組合結構的破壞現象及極限承載能力。Ollgaard JG等[3]通過對 48組鋼輕骨料試件的試驗，研究得到了國內外規范普遍采用的栓釘連接件抗剪強度的計算公式。Meyer Karl F等[4]對工字形輕骨料預應力混凝土梁進行了研究，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構對于梁板橋是可行的。H D Basche[6]采用二維有限元數值模擬和室內試驗觀測的方法，研究了輕骨料混凝土組合梁的抗剪能力。

我國對輕骨料混凝土組合梁的研究始于 20世紀 70年代末，并于 1982年編制了JGJ 12-82鋼筋輕骨料混凝土結構設計規程，東北大學也最先開始了鋼—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:對鋼—輕骨料混凝土組合梁受力性能及連接件性能進行了研究[7];利用最小勢能原理，建立了鋼—輕骨料混凝土簡支組合梁變形計算公式，并用試驗加以驗證[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算公式及其荷載—變形關系曲線[9];通過 5塊鋼板與輕骨料混凝土組合梁的試驗研究，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算公式，并通過試驗對其進行驗證[10]。

劉寒冰等在此研究領域也做了大量工作: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算方法[11]，并以此分析了組合梁翼緣板有效寬度的變化規律及有效寬度的計算公式[12];以對稱集中荷載為加載方式，研究了鋼—輕骨料混凝土組合梁結構的承載及變形能力，并提出組合梁在集中荷載作用下跨中撓度的簡化計算公式[13];基于塑性理論，推導了預應力鋼—輕骨料混凝土組合梁的承載能力計算公式，并通過試驗驗證了該公式的可行性[14，15]。

楊勇等[16]通過對 8個閉口型壓型鋼板—輕骨料混凝土組合梁試件的靜力試驗，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，并具有承載力高、剛度大、抗震性能好且便于管道鋪設、節省空間等優點，在高層建筑結構及橋梁中應用廣泛。國內外對于組合樓板的研究，絕大部分集中于普通混凝土組合樓板力學性能的研究，近年來，國內學者及研究人員對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]利用工業廢料——煤矸石作骨料，分析了組合樓板的彎矩與撓度的關系曲線、彎矩與滑移的關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、應變及組合板撓度隨荷載的變化規律，并分析了組合板厚度和煤矸石輕骨料混凝土強度等級對組合板承載力的影響。

陳浩軍等對壓型鋼板—輕集料混凝土組合樓板的粘結—滑移性能、承載能力及撓度進行了研究，提出了相關計算公式[19];并對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行了研究[20]。

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

楊勇等[23]對 6塊閉口型壓型鋼板—輕骨料混凝土組合板試件進行了兩點對稱集中加載靜力試驗研究，考察了組合板在不同剪跨比下的破壞形態、鋼板與混凝土應變發展、端部滑移和裂縫發展情況，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算方法;并通過組合板試件的高周疲勞對比試驗，分析了組合板的疲勞破壞形態、疲勞剛度及疲勞后剩余承載力退化規律等疲勞性能。

3 進一步研究工作

近年來，雖然鋼—混凝土組合結構在我國建筑和橋梁等領域已經得到越來越多的應用，顯示出很好的技術經濟效益和社會效益[25]。但是，目前對于鋼—輕骨料混凝土組合結構在實際工程中的應用甚少。盡管，許多國內外學者及研究人員在輕骨料組合結構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構，組合板界面的連接性能問題，焊接質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。

在我國目前還未出臺有關鋼—輕骨料混凝土組合結構的設計技術規程之前，筆者認為，還需要進一步做以下研究工作:鋼—輕骨料混凝土連續組合梁理論研究，預應力組合結構的研究，組合結構在復雜受力狀態下的性能及設計方法，溫度、徐變和收縮效應及殘余應力的影響，組合結構的整體性能和施工力學問題研究，以及輕骨料混凝土材料指標的技術檢測等，這將為推廣輕骨料組合結構的應用及相關技術規程的制定提供寶貴的依據。

4 結語

鋼—輕骨料混凝土組合結構在繼承了鋼—混凝土組合結構的剛度大、延性好、抗震性能好、施工簡便、工期短、經濟效益好等優點的同時，還具有自重輕、保溫隔熱性能較好等自身優點。同時，輕骨料可采用多種工業廢料(如煤矸石、粉煤灰等)進行生產，可降低環境污染。因此，推廣和應用鋼—輕骨料混凝土組合結構，可帶動建筑材料行業的發展，對保護環境，實現可持續發展的建設目標，必將產生良好的經濟效益和社會效益。

[1] 葉列平，孫海林，陸新征.高強輕骨料混凝土結構性能、分析與計算[M].北京:科學出版社，2009.

[2] Roderick JW，Hawkins N M，Lim L C.The behaviour of composite steel and lightweight concrete beams[J].Inst Engrs Civil Eng Trans，1967，9(2):265-275.

[3] Ollgaard JG，Slutter R G，Fisher JW.Shear Strength of Stud Connectors in Lightweightand NormalWeight Concrete[J].Engineering Journal of AISC，1971，8(2):55-64.

[4] Meyer Karl F，Kahn Lawrence F.Lightweight Concrete Reduces Weight and Increases Span Length of Pretensioned Concrete Bridge Girders[J].PCIJournal，2002，47(1):68-75.

[5] Rigoberto Burgueno，Andrew Davol，Lei Zhao，etal..Flexural Behavior of Hybrid Fiber-Reinforced Polymer/Concrete Beam/Slab Bridge Component[J].Structural Journal，2004，101(2):228-236.

[6] H D Basche，IRhee，K JWillam，et al..Analysis of shear capacity of lightweight concrete beams[J].Engineering Fracture Mechanics，2007，74(2):179-193.

[7] 王連廣，劉之洋，曹 閱.鋼—火山渣組合梁連接件及交接面滑移分析[J].工業建筑，1995，25(3):18-23.

[8] 王連廣，劉之洋.鋼—輕骨料混凝土組合梁變形理論與實驗研究[J].工業建筑，1997，27(9):13-16.

[9] 王連廣，許 偉，朱浮聲，等.鋼板與輕骨料混凝土組合梁試驗研究[J].東北大學學報(自然科學版)，2002，23(12):1193-1196.

[10] 王連廣，許 偉，張 巖.鋼板與輕骨料混凝土組合梁滑移性能研究[J].沈陽建筑工程學院學報(自然科學版)，2004，20(3):183-185.

[11] 劉殿忠，劉寒冰.鋼—輕骨料混凝土組合梁的有效寬度分析[J].哈爾濱工業大學學報，2007，39(S2):232-236.

[12] 劉寒冰，劉殿忠.鋼—輕骨料混凝土組合梁考慮滑移的有效寬度分析[J].建筑結構學報，2007，28(6):581-586.

[13] 代艷杰，劉寒冰，葛 琪.鋼—輕骨料混凝土簡支組合梁承載及變形能力研究[J].公路交通科技，2008，25(11):60-65.

[14] 代艷杰，劉寒冰，張宏強，等.預應力鋼—輕骨料混凝土簡支組合梁承載能力試驗研究[J].公路，2009(3):24-28.

[15] 劉寒冰，代艷杰，韓 碩，等.預應力鋼—輕骨料混凝土組合梁抗彎承載力[J].吉林大學學報(工學版)，2009，39(S1):138-140.

[16] 楊 勇，聶建國，楊文平，等.鋼—閉口型壓型鋼板輕骨料混凝土組合梁受力性能試驗研究[J].建筑結構學報，2008，29(6):56-62.

[17] 李幗昌，常 春，曲嘖勝.壓型鋼板—煤矸石砼組合樓板的力學性能[J].遼寧工程技術大學學報，2003，22(1):61-63.

[18] 李朝輝.壓型鋼板—煤矸石輕骨料混凝土組合樓板的有限元分析[D].太原:太原理工大學，2008.

[19] 尹 擎，陳浩軍.壓型鋼板—輕集料混凝土組合樓板受力性能研究[D].長沙:長沙理工大學，2004.

[20] 甄 毅，陳浩軍.壓型鋼板—輕骨料混凝土組合板抗滑移計算[J].長沙理工大學學報，2005，2(1):14-18.

[21] 張燕坤，劉陽花，宋小軟.壓型鋼板—輕骨料混凝土組合樓板受彎承載力試驗研究[J].工業建筑，2008，38(8):83-85.

[22] 張燕坤，靳海江，姜德民，等.輕骨料混凝土組合樓板力學性能試驗研究[J].北方工業大學學報，2008，20(1):81-84.

[23] 楊 勇，聶建國，楊文平，等.閉口型壓型鋼板—輕骨料混凝土組合板受力性能及動力特性試驗研究[J].建筑結構學報，2008，29(6):49-55.

[24] 曾蘇生.鋼板—輕骨料混凝土空心組合板靜力及疲勞性能試驗研究[D].西安:西安建筑科技大學，2010.

[25] 聶建國，陶慕軒，黃 遠，等.鋼—混凝土組合結構體系研究新進展[J].建筑結構學報，2010，31(6):71-80.