普通混凝土自重大、能源消耗大、环境污染严重，建筑材料轻质化且节能环保，为工程界长期以来追求的目标和土木工程领域的重要发展方向。BAS改性水泥珍珠岩复合材料———膨石，属近年我国自主研发的一种新型轻质、节能、环保、绿色建筑材料，其通过加入复合高分子材料，解决了普通水泥珍珠岩材料强度低、吸水率高的问题。用膨石作为芯材、配以钢筋(丝)网面的膨石轻板，自重仅有普通RC楼板的30%～40%，系集承重、保温隔热、防水、抗震等功能于一体的轻质结构板材。其与混凝土结构、轻钢结构及网架等多种结构形式配套，可用于工业厂房、大型公共建筑等屋面，并已在国家卫星发射基地、中国民航博物馆、国家战略储备库等国家重点工程项目中成功应用。但由于膨石材料自身强度低，导致膨石轻板承载力较低、易于发生剪切破坏^[1,2]。为了改善普通膨石轻板受力性能，研发了新型钢骨架膨石轻板，编制了《钢骨架膨石轻型板参考图集(13CG12-1)》^[3]。为解决其理论明显滞后于工程实践之问题，设计了钢骨架膨石轻板足尺试件，以及无边框的双筋、不同板厚的膨石轻板试件，进行静力性能对比试验，分析双筋、板厚以及钢骨架对普通膨石轻板受力性能的影响改善效果，研究膨石与钢骨架相互协同作用，为膨石轻板在装配式结构楼、屋面中的广泛应用提供依据。

　　 鉴于型钢构件强度高、刚度大之优点，并参考型钢混凝土试件抗剪性能试验研究成果^[4,5,6]，研发了型钢与普通膨石轻板组合而成的钢骨架膨石轻板，即在普通膨石轻板的四周加上钢骨外边框，使冷弯薄壁型钢、钢筋、膨石三种材料协同作用，以抵抗各种外部作用效应的新型轻质板材。

　　 为了获得这种新型轻质楼板真实的破坏模式及受力特点，试验采用足尺试件。同时，为了研究钢骨架与膨石材料的协同作用，以及相比于受压纵筋与增大板厚方法，钢骨架对于改善膨石轻板受力性能的优势，设计了1块钢骨架膨石轻板与不同钢筋配置、不同板厚的7块普通膨石轻板足尺试件。所有试件的芯材均采用北京某公司生产的400级膨石。试件平面尺寸均为3 000×1 200，设计参数见表1，具体配筋做法见图1。其中，B1,B2,B3为单筋试件，配筋率依次增大;B1-a,B2-a为双筋试件，分别在单筋试件B1,B2基础上，配置受压钢筋;B2-b,B3-b为增大板厚试件，分别将B2,B3板厚由120mm增至140mm;B1-K为带边框的钢骨架膨石试件，钢骨架主肋采用冷弯薄壁型钢C120×60×20×3.0，材质为Q235。为增加芯材与钢筋的粘结应力，采用小直径钢筋3，5和6，以提高抗滑移性能。试件制作过程中，每块膨石轻板对应浇筑3块尺寸为100×100×100的立方体试块，并与各轻板试件在相同条件下养护，用于实测膨石抗压强度。预留试件膨石材料力学性能实测值见表1。

　　 由表1可知，400级膨石材料立方体抗压强度约为1.77MPa。通过对膨石进行一系列基本力学性能试验，并参考蒸压加气混凝土研究成果^[7]，将400级膨石材料棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度与立方体抗压强度之比分别近似取为0.95,0.12,0.21^[2]。由此可见，膨石抗压、抗拉强度低，且与混凝土一样，材料不均匀、离散性大，抗拉强度远不及抗压强度。这是导致膨石轻板抗剪强度不足、易发生剪切破坏的内因。

　　 各试件边界按简支即一端固定铰支座、另一端滚动铰支座处理。为模拟实际工程中板受均布荷载作用，采用三级分配梁实现单调静力加载，如图2(a)所示。在板底跨中、四角处分别安置位移计、百分表;在板底、板顶粘贴混凝土应变片，以量测膨石应变;在板底、双筋板顶纵向钢筋纯弯段处粘贴钢筋应变片;在B1-K板侧处粘贴钢筋应变片，以量测钢骨架应变。测点布置见图2(b)～(e)。

　　 采用5t液压千斤顶，手动控制方式，单向分级加载，通过力传感器应用DH3 815N数据采集系统进行采集。采用力-位移双控制法加载。即先以荷载控制加载;为观察到第一条(批)裂缝，试件开裂前每级加载1～1.5kN;开裂后，每级加载1.5～2.0kN;当接近峰值荷载时，以跨中位移控制加载，每级加载5mm，直至试件破坏。试验过程中观察板底与板侧裂缝开展情况，并手绘裂缝发展趋势。采用DJCK-2裂缝测宽仪量测裂缝宽度。

　　 试验表明:除B1-K发生弯曲延性破坏外，其他试件均发生剪切脆性破坏。限于篇幅，以B1,B1-K为例，描述膨石轻板剪切破坏与弯曲破坏的破坏特征。

　　 对B1而言，当荷载加载到2.15kN时，在荷载作用点附近剪跨段内出现第一条裂缝。随荷载继续增加，斜裂缝发展较快，逐渐向水平方向延伸。当荷载增至16kN时，裂缝迅速变宽，垫板附近膨石被压碎，发生剪切破坏，如图3(a)所示。此外，比B1配筋率大的B2,B3、配置受压钢筋的B1-a,B2-a，以及增大板厚的B2-b,B3-b均出现无法控制的斜裂缝开展，且斜裂缝沿板厚贯通或板顶膨石剥离，发生剪切脆性破坏，如图3(b)～(g)所示。由此可见，斜截面剪切破坏为普通膨石轻板试件失效的主要原因。

　　 对B1-K而言，当荷载加载到3.2kN时，板底纯弯段首先出现裂缝。随着荷载增大，板底裂缝不断增多变宽。当荷载加载到31.5kN时，裂缝主要位于板底纯弯段，钢骨架与膨石间未出现滑移或粘结裂缝。当荷载加载到35.16kN时，钢骨架边缘下部受拉屈服，板底主裂缝宽度约为0.4～0.5mm，板顶钢骨架与膨石之间出现粘结裂缝;当加载到接近峰值荷载41.8kN时，板顶钢骨架与膨石材料之间脱离，钢骨架上翼缘凹陷，板承载力降低而破坏。此时加载点处出现压碎痕迹，横、纵向裂缝将板底膨石分割为数个块状，板底主裂缝最宽处达3～4mm，发生弯曲破坏，如图3(h)～(l)所示。通过以上过程可知，当加载到极限荷载的75%之前，钢骨架与膨石材料粘结良好、协同工作，有效避免了斜裂缝开展。这主要是由于置于截面中和轴两侧的钢骨架作为一个整体，具有一定的自锚作用，减小了钢骨架与膨石间的滑移。当加载接近破坏荷载时，钢骨架与膨石之间的粘结裂缝导致传递剪力能力有所降低，但是仍呈现正截面延性破坏。由此可见，钢骨架显著改善了膨石试件的抗剪性能。这与钢骨轻骨料混凝土试验研究结果一致^[8]。

　　 实测试件跨中位移随荷载的变化曲线如图4所示。实测试件开裂荷载、破坏荷载以及相应的位移值见表2。

　　 对单、双筋试件，由图4(a)可知，配筋率较小的B1,B1-a，其荷载-位移曲线基本重合，这表明双筋在提高板承载力、变形方面的作用并不明显。而对于配筋率较大的B2,B2-a，加载初期曲线相差不大，但随荷载增大，B2-a刚度大于B2，随后两者曲线都发生转折，在加载后期，B2-a受压纵筋由于限制了斜裂缝向加载点方向发展，其极限荷载与破坏位移明显大于B2，由此说明，受压、受拉纵筋配筋率可影响膨石轻板的性能，当配筋率较大时，受压纵筋能提高试件承载力与变形能力。

　　 对不同板厚试件，由图4(b)可知，对于板厚较小的B2,B3，其荷载-位移曲线斜率、开裂荷载与极限荷载均小于相应板厚较大的试件B2-b,B3-b，但是后者加载到峰值荷载时，承载力骤降、破坏突然，脆性特征显著，这说明增大板厚，虽可推迟板开裂和提高板极限承载力，却对板变形能力有不利影响。这与轻质混凝土和普通混凝土构件是一致的^[9]。

　　 由图4(c)可知，B1-K跨中挠度曲线明显分为弹性、屈服和破坏三个阶段。在整个加载过程中，钢骨架对裂缝开展有显著约束作用，有效避免了斜裂缝出现和限制弯曲裂缝开展^[10];与双筋试件B2-a相比，B1-K的极限荷载和破坏位移分别为B2-a的1.6倍与1.24倍;与140mm厚B2-b相比，B1-K的极限荷载和破坏位移分别为B2-b的1.6倍与3.7倍。试件的位移延性系数μ是构件延性好坏的衡量标准，一般用结构极限位移Δ_u与屈服位移Δ_y之比来表示，即μ=Δ_u/Δ_y,B1-K的位移延性系数μ=4.235。由此可见，与配置受压纵筋、增大板厚的试件相比，钢骨架膨石轻板构件的刚度、承载力、变形能力均有显著提高，性能改善效果明显。

　　 由图5(a)可知，B1-K板底钢筋拉应变-荷载曲线明显分为弹性、屈服和破坏三个阶段。B1-K板底开裂后，由于钢骨架下翼缘承担了大部分拉力，纵筋应变增长速度较缓。当荷载达到极限荷载的75%时，钢骨架下翼缘边缘开始屈服，纵筋应变增长明显加快，并最终达到屈服，试件破坏时，纵筋极限拉应变增长至5 474με。除B1-K外，其他试件板底钢筋拉应变-荷载曲线分为弹性、破坏两个阶段。从开始加载至板开裂，纵筋应变线性增长，开裂后试件刚度下降，曲线出现明显转折，破坏时纵筋应变约为0.001 5，应力约320MPa，远小于纵筋实测屈服强度519MPa，纵筋未达到屈服、强度未得到充分利用。由此可见，B1-K的延性明显优于其他试件。

　　 由图5(b)可知，B1-K从开始加载至达到极限荷载的75%，横向钢筋应变值很小，基本上未参与受力;随着荷载继续增大，钢骨架下翼缘屈服，横向钢筋应变增大较快，当加载至接近峰值荷载时，横向钢筋应变迅速增大，破坏时板底出现了几条不连续纵向裂缝，横向钢筋最大应变值约为0.000 45。这说明纵向钢骨架的主肋对膨石轻板的约束起到了类似于支座的作用，使轻板受力类似于双向板，横向钢筋参与了受力，使荷载分担更均匀合理，材料得到充分利用。但是由于横向钢筋仅在加载后期参与受力，建议实际工程设计中不考虑这部分有利因素，仅作为强度储备利用。

　　 板顶膨石压应变随荷载变化规律，如图6所示。

　　 由图6可知，弹性阶段B1-K的刚度较大，板顶膨石应变小于其他试件。随着荷载增加，钢骨架下翼缘达到屈服，板顶膨石压应变逐渐变为水平线增长，直至达到破坏时极限压应变达到0.002 5。其他试件膨石应变的变化规律类似，即从开始加载至最终破坏过程中，膨石压应变随荷载呈线性变化，试件破坏时极限压应变不超过0.001 5，破坏突然，呈剪切破坏。这表明钢骨架不但提高了膨石轻板的承载力，而且在加载过程中由于钢骨架对膨石起到了约束作用，板顶膨石处于三向受压有利状态，提高了膨石抗压强度和极限压应变，从而使得B1-K延性明显优于其他试件。

　　 由图7可知，随荷载增大，测点S1受压屈服，测点S2从受压变为受拉，并且拉应变增长较快，直至屈服，中和轴位置已高于测点S2。这是由于膨石对钢骨架上翼缘有显著支撑与约束作用，提高了钢骨架的受压性能，避免了其过早的局部失稳破坏。另外，由图7可知，随荷载增大，测点S3,S4受拉屈服;当测点S4应变约为0.001 2时，钢骨架下翼缘受拉屈服，中和轴缓慢上移，当加载至破坏荷载41.8kN时，钢骨架下翼缘最大拉应变超过了0.008。

　　 图8为试件跨中截面在不同荷载等级下膨石和钢骨架的应变分布。

　　 由图8(a)～(e)可以看出，对于普通膨石试件，荷载较小时，膨石截面高度应变分布近似符合平截面假定，当加载至极限荷载的75%时，膨石截面应变出现不协调现象。由图8(f)可见，从开始加载至最终破坏，B1-K的钢骨架应变始终符合平截面假定。在加载到极限荷载的75%之前，中和轴位置上升较缓慢，这是由于钢骨架刚度大、强度高，此时受压区与受拉区翼缘存在自锚作用^[4]，并且钢骨架限制了板侧裂缝的发展，使得中和轴位置基本处于1/2板厚处;随着荷载增加，钢骨架下翼缘开始屈服，中和轴位置上移加快，当加载接近极限荷载时，原先处于受压区的测点S2出现拉应变，中和轴位置已上升至测点S2以上。这主要是由于钢骨架下翼缘已受拉屈服，正是由于受压区钢骨架与膨石的相互约束作用，才避免了钢骨架的过早失稳破坏，又提高了膨石材料抗压强度，从而使得受压性能明显提升。

　　 通过对不同单双筋配置、不同板厚的膨石轻板以及钢骨架膨石轻板进行静力加载试验，得出以下结论:

　　 (1)钢骨架与膨石轻板能否协调变形，是两者共同工作的前提条件。钢骨架膨石轻板最终是由于钢骨架上翼缘受压局部失稳而破坏，此时钢骨架下翼缘已屈服，板顶膨石也已被压碎，是典型的弯曲破坏;其他试件都是由于斜裂缝不断发展而发生剪切脆性破坏。

　　 (2)受压纵筋对膨石轻板静力性能的影响与其配筋率有关;当配筋率较大时，受压纵筋仅在加载后期具有限制斜裂缝开展的作用，并可提高试件承载力与变形能力。

　　 (3)增大板厚能有效推迟板的开裂，提高板的承载力和刚度，但是对加载后期板变形能力不利。

　　 (4)膨石轻板与钢骨架的协同工作，使两种材料都能充分发挥各自的优势;膨石轻板对钢骨架受压翼缘的支撑作用，避免了受压翼缘过早的局部失稳破坏，而钢骨架对膨石材料的约束作用，提高了膨石抗压强度与极限压应变。

　　 (5)钢骨架主肋对膨石轻板的约束起到了类似支座的作用，使板受力类似于双向板，横向钢筋也部分参与受力，使荷载分担更均匀合理。

　　 (6)与普通钢结构构件相比，钢骨架膨石轻板构件具有更高的局部稳定性和整体稳定性;同普通膨石轻板相比，由于配置了钢骨，钢骨架膨石轻板构件刚度、承载力、变形能力均有显著提高，明显改善了构件的破坏性质。故钢骨架膨石轻板适宜在工程中大力发展推广应用。