王艺霖
（山东建筑大学土木工程学院）
关键词：石膏;钢材;楼盖;节能;拱
石膏砌块是由建筑石膏重新水化硬化后形成的二水硫酸钙晶体组成的，形状为长方体。它取材于天然，在加工过程中也完全不会产生废气、废水、废物，属于完全的环保型材料。目前在建筑中的应用主要是做墙体，包括非承重墙体［1－2］和与混凝土结合起来构成的承重墙体［3］。
如能将石膏砌块应用于其它构件，则能显著增强整体建筑节能环保效果。在建筑的其它构件中，面积比较大、对整体结构的节能效果能产生明显影响的就是楼盖。楼盖是建筑的主要构件之一，从节能角度来看，重要性不亚于墙体。如能在楼盖构造中引入一定数量的石膏砌块，将明显提升建筑整体的节能环保性，减少钢筋、水泥这类高耗能建材的使用，获得更大的社会和经济效益。文中将研究基于石膏和钢材的组合式楼盖技术，在这方面做些探索性工作。
1石膏钢材组合式楼盖技术方案
楼盖总体上来说可认为是受弯构件。在弯矩作用下，截面上必然有受压区和受拉区。石膏砌块的抗压强度能达到4～10MPa，考虑到一般民用建筑的楼盖所承受的活荷载并不大，这个抗压强度是有可能满足要求的。但石膏砌块的抗拉性能很弱，不能适应受拉区的要求。另外，石膏砌块是分散的块体，需要其它材料配合才能构成整体楼盖。因此，应当寻求抗拉性能好、易加工的材料来和石膏砌块配合以形成楼盖。结合延性、经济性等方面的考虑，最佳选择显然是钢材。通过钢材的合理配置来连接各石膏砌块，使其主要受压而自身主要受拉或受压，同时提供楼盖的延性。
另外，石膏砌块的强度还表现为可以承受30kg砂袋落差0.5m冲击3次以上，N重物垂直吊挂24h未出现贯通裂纹，断裂荷载可达5kN以上，因此可基本承受正常使用阶段楼盖受到的一些荷载作用。可见，这种楼盖组成思路是可行的。下面介绍具体的结构形式。
1.1组合式楼盖的结构形式:
(1)先将整个楼盖沿较短边方向划分成若干个等尺寸的板带，各板带之间留有一定的空隙。每个板带由若干个石膏砌块单元并排组成，石膏砌块单元的长度方向与板带的长度方向相垂直。根据板带的宽度，每个单元包含若干个石膏砌块，若干内嵌钢筋贯穿这些石膏砌块，并在两端各露出一个外伸端。
(2)在板带长度方向的一侧边缘有一个钢质的拱结构，包括一根纵向直钢杆、一根纵向拱形钢杆和若干根竖向连接两钢杆的连接杆。考虑到完整性，楼盖边缘的两个板带之中，应该有一个板带在两侧边缘各有一个拱结构。
(3)各板带并排布置，各砌块单元内的内嵌钢筋外伸端与拱结构垂直相交，并分别固定在纵向直钢杆上。两相邻板带的内嵌钢筋外伸端在交界处共用一个拱结构来实现固定。
(4)对拱结构提供竖向支撑:可以在每个拱结构的端部下面布置柱子，也可以在楼盖的较长边方向用一整个横梁来支撑起各个拱结构。如果是前者的支撑方案，整体结构可认为是板柱式;如果是后者的支撑方案，整体结构可认为是框架式。
(5)相邻板带之间的空隙除了拱结构之外，最后还需要现浇混凝土来完全填满。这样就形成了暗梁，可以使各个板带达到协同工作。
1.2细部构造要求
(1)采用空心石膏砌块，沿某一方向有若干个贯穿的孔。内嵌钢筋就布置在这些贯穿的孔内，穿过所在的整个砌块单元，并在两个端部各伸出一小段。
通过在孔内灌注粘结剂来实现钢筋与砌块的协同工作。为了让石膏砌块主要受压而钢筋主要受拉，内嵌钢筋在孔内应尽量贴紧下表面布置，偏离截面中性轴一段距离。
(2)拱结构中:纵向直钢杆在竖直方向紧贴于各内嵌钢筋外伸段的下表面，并在各接触点处进行焊接以实现固结。根据抗弯刚度的需要，最好选用型钢，如槽钢、方钢等;纵向拱形钢杆的形状为小矢高的拱形，与纵向直钢杆在两端处进行固结。截面形式可以为螺纹钢筋、方钢、槽钢、空心钢管等;连接杆沿竖直方向布置，紧贴于纵向直钢杆和拱形钢杆，并在各接触点处进行固结。可选用窄条钢板。
(3)考虑结构在自重作用下的下挠，施工时纵向直钢杆应适当向上起一点拱，石膏砌块单元在中间部分也可以适当向上起一点拱。
(4)石膏砌块单元内部各砌块之间、单元与单元交界处的砌块之间都涂抹粘结剂。
楼盖的整体及局部示意图如图1～图4所示。
2初步实验
根据本楼盖的结构特点，在初步实验阶段可只对一个板带进行加载。这样先不考虑暗梁的作用，是偏安全的。
(1)板带制作。选取石膏砌块的尺寸为:高10cm、长66.6cm、宽50cm。密度为kg/m3，抗压强度为4MPa，弹性模量为MPa。板带的长度取为6m。每个石膏砌块单元的宽度为0.66m，所以板带内总共有6/0.66=9个砌块单元。每个单元包含3个石膏砌块，长度为0.5m×3=1.5m，即为板带的宽度。内嵌钢筋采用直径为10cm光圆钢筋，板带间拱结构的矢高取为15cm，纵向直钢杆采用槽钢，纵向拱形钢杆采用空心钢管，连接杆采用窄条钢板。因为主要验证的是板带的性能，所以对板带的支撑简化处理。四角直接用槽钢来代替柱子提供竖向支撑。
(2)加载。按照GB－《建筑结构荷载规范》，一般民用建筑楼盖的活载标准值为2.0kN/m2，考虑活载的分项系数1.4，设计值为2.8kN/m2。据此，实验荷载拟加到3kN/m2。分若干级进行施加。为了方便起见，采用水来模拟均布荷载。水的高度直接代表了荷载的大小，3kN/m2的荷载就对应30cm高的水。为了使水作用于板带之上，需要在板带上表面的一周边缘布设围栏，然后在整个上表面铺设大塑料布。水直接通过自来水管注入塑料布内。
(3)加载过程与结果。采用分级加载(以注水的高度来控制)。测试数据包括板带的跨中挠度、石膏砌块单元的跨中挠度(选取靠边缘的一个单元来进行测量)。同时观察每级荷载作用下是否出现强度破坏的现象。可得各级荷载作用下的测试数据如表1所示。
观察到当荷载加到最大时，板带各处仍基本未出现破坏迹象。强度方面:板带可以满足强度的要求，在活载设计值作用下不出现破坏;另外注意到，这里采用的只是最普通的石膏砌块，在实际中还可以采用强度更高的石膏砌块，如磷石膏砌块，脱硫石膏砌块等;刚度方面:直到加载到活载设计值以上时，板带跨中挠度最大仅为25mm，挠度与跨度的比值为1/。石膏砌块单元的跨中挠度也不大，仅为8mm。
3耐久性问题
(1)石膏砌块的耐水问题。以往人们普遍认为石膏怕水怕潮，但经过机理性研究［4，5］和技术开发，通过掺入活性火山灰质材料、有机防水剂(高分子聚合物)等方式，目前已能生产出耐水型石膏砌块［6，7］。另外一种方法是在砌块表面涂覆或浸渍憎水物质或涂刷防水涂料。
(2)钢材的防锈蚀问题。对拱结构内的钢材，由于后浇混凝土，可以提供保护层，所以耐久性能得到保证;对石膏内部的钢筋，类似于钢筋混凝土结构，如果石膏内部的钢筋发生锈蚀，则将产生锈胀，可能导致石膏胀裂，从而影响耐久性。因此，需要注意钢筋的防锈蚀问题。这方面有比较成熟的技术可以采用，例如采用镀锌钢筋、环氧涂层钢筋等。
4结语
将石膏和钢材组合起来构成楼盖，是一个新的技术思路。文中对此作了初步的技术开发和探讨，给出了技术方案并进行了实验验证。今后还需要不断地进行技术完善，最终形成一套完善的分析理论和设计方法。
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