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碱式硫酸镁水泥混凝土是新开发出来不久的混凝土材料，胶凝材料为MgO-MgSO4-H2O胶凝体系，不溶性碱式硫酸镁晶须(5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O，5·1·7相)为其主要水化产物，具有早强、高抗拉强度、抗冲击等优点，且碱式硫酸镁水泥的生产使用工业三废，能节能减排。由于碱式硫酸镁水泥与普通硅酸盐水泥的组分差别很大，其混凝土的力学性能存在与普通混凝土不同的特点，梁和柱力学性能也有可能不同于普通混凝土构件。为了将这种新型土木工程结构材料应用到实际工程中，有必要研究碱式硫酸镁水泥混凝土构件在受弯、受剪和受压状态下的承载力计算方法，为碱式硫酸镁水泥钢筋混凝土构件的设计提供依据。
本文基于前期碱式硫酸镁水泥混凝土配合比试验、力学基本性能测试结果，设计了C30、C35、C40、C50和C55五个强度等级、五个系列的构件(纯弯曲梁、斜截面破坏梁，大偏心受压柱、小偏心受压柱和轴心受压柱)进行力学性能测试，以探索碱式硫酸镁水泥混凝土梁和柱力学性能的基本规律，分析碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝土构件在承载力、变形、破坏模式等力学性能方面的差异，建立碱式硫酸镁水泥混凝土梁和柱构件的计算模型。主要研究工作与结论如下：
(1)为了实现碱式硫酸镁水泥混凝土的泵送施工，研究了不同掺量萘系减水剂对碱式硫酸镁水泥混凝土塌落度和强度的影响，确定了强度等级分别为C30、C40、C50和C60的泵送型碱式硫酸镁水泥混凝土萘系高效减水剂适宜掺量分别为2.0%、1.2%，1.5%和1.8%。
(2)本文对12根以截面尺寸、配筋率和混凝土强度为设计参数的碱式硫酸镁水泥混凝土梁进行抗弯性能试验，研究其正截面受力全过程和破坏形态，并对其抗弯性能及影响因素进行了系统的分析。结果表明：平截面假定仍然适用；碱式硫酸镁水泥混凝土梁的破坏形态与普通硅酸盐混凝土梁相似，但平均裂缝间距小15%以上；较低强度等级(C35及以下强度等级)的碱式硫酸镁水泥混凝土梁开裂前的抗弯刚度与普通混凝土梁相同，开裂后变形比普通混凝土梁大，梁的韧性好；高强度等级(C40及以上强度等级)梁开裂前的抗弯刚度比普通混凝土梁大，开裂后荷载—挠度曲线斜率和同设计条件的普通混凝土梁斜率逐渐接近，截面抗弯刚度在梁破坏前基本相同。
(3)碱式硫酸镁水泥混凝土受弯梁开裂弯矩比普通混凝土梁开裂弯矩高20%以上，且随着混凝土强度等级和配箍率的提高而增大；GB50010-2010《混凝土结构设计规范》(以下简称GB50010-2010规范)中普通混凝土梁抗弯承载力计算公式、开裂弯矩计算公式适合于碱式硫酸镁水泥混凝土梁，确定了梁的相对受压区高度和最小配筋率等，获得了其最大裂缝宽度、挠度等计算公式的参数取值规律。碱式硫酸镁水泥混凝土梁的构造配筋要求是，纵向受力钢筋最小直径取为10mm，净距不小于60mm且不大于梁宽度；为了充分发挥碱式硫酸镁水泥混凝土的作用，梁箍筋加密(最小配箍率大于0.24%或将普通混凝土梁最小配箍率增大一倍)。
(4)对比研究了不同设计参数(混凝土抗压强度、配箍率和剪跨比)的19根碱式硫酸镁水泥混凝土梁和普通混凝土梁的斜截面受剪性能，发现碱式硫酸镁水泥混凝土梁开裂荷载较大；开裂前的碱式硫酸镁水泥混凝土梁抗剪刚度高于普通混凝土梁15%以上，C35以上的碱式硫酸镁水泥混凝土梁开裂后的刚度有所降低，但破坏时的刚度略高于普通混凝土梁。此外，引入了梁的抗剪刚度退化模型，发现碱式硫酸镁水泥混凝土优良的抗拉性能可以提高斜截面破坏梁的抗裂性能；随着配箍率和混凝土强度的提高，梁抗剪承载力增长。碱式硫酸镁水泥混凝土对梁斜截面抗剪的贡献随着剪跨比的增加而增大(C40斜拉破坏梁极限承载力比C40普通混凝土斜拉破坏梁高出约20%)。GB50010-2010规范中的普通混凝土剪压破坏梁承载力、刚度等公式适用于碱式硫酸镁水泥混凝土梁，并确定了其梁开裂荷载计算公式的参数取值规律。当碱式硫酸镁水泥混凝土梁的受剪承载力低于Vmax=(fyAsz+0.5ftbz)/a，梁将发生剪切破坏；当碱式硫酸镁水泥混凝土梁配置较多箍筋(箍筋超配至0.48ft/fy)且1.1≤λ≤1.75时，梁将发生剪压破坏。
(5)以偏心距、混凝土强度和配筋率为设计参数，对同截面尺寸的16根大偏压、12根小偏压和11根轴心受压共39根柱进行抗压性能试验。对比分析了柱的各项基本力学性能，发现碱式硫酸镁水泥混凝土大偏压柱比普通混凝土柱开裂荷载提高20%以上，承载力提高约15%，且加载过程中刚度退化较慢，考虑碱式硫酸镁水泥混凝土对大偏心受压过程中的贡献，得出钢筋碱式硫酸镁水泥混凝土偏心受压开裂荷载计算公式；GB50010-2010规范中普通混凝土大偏心受压柱的承载力、平均裂缝间距、最大裂缝宽度和柱中挠度(刚度)计算公式均适用于碱式硫酸镁水泥混凝土大偏心受压柱。对比两种混凝土柱的N-M曲线显示，碱式硫酸镁水泥混凝土柱曲线比同等条件下的普通混凝土柱曲线丰满，显示了更好的延性；在相同偏心距的情况下，碱式硫酸镁水泥混凝土柱的承载力大于同设计条件的普通混凝土柱；且偏心距越大承载力差距越明显，轴心受压时差别最小。与碱式硫酸镁水泥混凝土受弯梁相比，碱式硫酸镁水泥混凝土大偏压柱在承载力等方面更能体现优越性其原因在于柱的轴向受力使得截面受压区高度加大，钢筋受拉应力减小，延迟横向拉裂缝的出现，裂缝宽度减小，因此承载力更大。
(6)根据试验结果，验证了GB50010-2010规范中大偏心柱计算模型能够适用于碱式硫酸镁水泥混凝土大偏压柱的承载力和变形计算。当偏心距大于等于0.75h0时，碱式硫酸镁水泥混凝土柱的承载能力随混凝土强度的增加(由C40提高到C50)提高了约10%。随着碱式硫酸镁水泥混凝土抗压强度由C40提高到C50，大偏心受压柱的开裂荷载提高了15%～20%，极限承载力提高约10%；提高纵筋配筋率，碱式硫酸镁水泥混凝土大偏压柱的裂缝数量增多，裂缝宽度减小，裂缝高度降低。碱式硫酸镁水泥混凝土大偏心受压柱侧向变形基本呈正弦半波分布。在相同偏心距下，随着碱式硫酸镁水泥混凝土强度的提高，碱式硫酸镁水泥混凝土柱高h/2处的侧向变形由h/200减小了约h/500，但极限侧向变形明显增大h/450，仍符合柱的破坏控制条件(h/50)，这说明随着碱式硫酸镁水泥混凝土强度的提高，柱的侧向变形能力也增强，韧性也增强；碱式硫酸镁水泥混凝土柱极限侧向变形还随着混凝土配筋率的增大而增大；其他条件相同时，柱侧向变形随偏心距的增大而增大。
(7)根据试验结果，验证了GB50010-2010规范中小偏心柱计算模型能够适用于碱式硫酸镁水泥混凝土小偏压柱的承载力和变形计算。对于立方体抗压强度相同的两种混凝土，在相同配筋率和配箍率的条件下，碱式硫酸镁水泥混凝土轴心受压柱极限承载力低于普通混凝土柱约10%，普通混凝土承载力计算公式前需乘以折减系数0.9。碱式硫酸镁水泥混凝土轴心受压柱的箍筋间距减小至100mm(或体积配箍率2倍于普通混凝土轴压柱)，能够保证两种构件轴心受压柱具有相同的承载力。设计碱式硫酸镁水泥混凝土偏心受压柱配筋时，最小纵筋直径为10mm，并保证x≤εbh0和N＜εbfcbh0-0.2ftb(h-εbh0/0.07)，其中碱式硫酸镁水泥混凝土偏心受压柱值比普通混凝土偏心受压柱值大约10%。设计碱式硫酸镁水泥混凝土大偏心受压柱时，其截面尺寸可以比普通混凝土柱截面尺寸减少10%～15%，最小配筋率降低10%。
(8)运用理论计算，综合比较了抗震7度区的C50碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝土七层框架结构，发现在横向水平地震力作用下，碱式硫酸镁水泥混凝土框架最大位移只有普通混凝土框架的66%，体现了较好的抗侧移刚度，更符合GB50011-2010《建筑抗震设计规范》中对竖向规则性(薄弱层、软弱层等)的规定，这来源于碱式硫酸镁水泥混凝土较高的弹性模量。设计碱式硫酸镁水泥混凝土框架时，混凝土用量为普通混凝土框架混凝土用量的85%，即可满足抗震规范对承载力和层间变形等的要求。
本文基于前期碱式硫酸镁水泥混凝土配合比试验、力学基本性能测试结果，设计了C30、C35、C40、C50和C55五个强度等级、五个系列的构件(纯弯曲梁、斜截面破坏梁，大偏心受压柱、小偏心受压柱和轴心受压柱)进行力学性能测试，以探索碱式硫酸镁水泥混凝土梁和柱力学性能的基本规律，分析碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝土构件在承载力、变形、破坏模式等力学性能方面的差异，建立碱式硫酸镁水泥混凝土梁和柱构件的计算模型。主要研究工作与结论如下：
(1)为了实现碱式硫酸镁水泥混凝土的泵送施工，研究了不同掺量萘系减水剂对碱式硫酸镁水泥混凝土塌落度和强度的影响，确定了强度等级分别为C30、C40、C50和C60的泵送型碱式硫酸镁水泥混凝土萘系高效减水剂适宜掺量分别为2.0%、1.2%，1.5%和1.8%。
(2)本文对12根以截面尺寸、配筋率和混凝土强度为设计参数的碱式硫酸镁水泥混凝土梁进行抗弯性能试验，研究其正截面受力全过程和破坏形态，并对其抗弯性能及影响因素进行了系统的分析。结果表明：平截面假定仍然适用；碱式硫酸镁水泥混凝土梁的破坏形态与普通硅酸盐混凝土梁相似，但平均裂缝间距小15%以上；较低强度等级(C35及以下强度等级)的碱式硫酸镁水泥混凝土梁开裂前的抗弯刚度与普通混凝土梁相同，开裂后变形比普通混凝土梁大，梁的韧性好；高强度等级(C40及以上强度等级)梁开裂前的抗弯刚度比普通混凝土梁大，开裂后荷载—挠度曲线斜率和同设计条件的普通混凝土梁斜率逐渐接近，截面抗弯刚度在梁破坏前基本相同。
(3)碱式硫酸镁水泥混凝土受弯梁开裂弯矩比普通混凝土梁开裂弯矩高20%以上，且随着混凝土强度等级和配箍率的提高而增大；GB50010-2010《混凝土结构设计规范》(以下简称GB50010-2010规范)中普通混凝土梁抗弯承载力计算公式、开裂弯矩计算公式适合于碱式硫酸镁水泥混凝土梁，确定了梁的相对受压区高度和最小配筋率等，获得了其最大裂缝宽度、挠度等计算公式的参数取值规律。碱式硫酸镁水泥混凝土梁的构造配筋要求是，纵向受力钢筋最小直径取为10mm，净距不小于60mm且不大于梁宽度；为了充分发挥碱式硫酸镁水泥混凝土的作用，梁箍筋加密(最小配箍率大于0.24%或将普通混凝土梁最小配箍率增大一倍)。
(4)对比研究了不同设计参数(混凝土抗压强度、配箍率和剪跨比)的19根碱式硫酸镁水泥混凝土梁和普通混凝土梁的斜截面受剪性能，发现碱式硫酸镁水泥混凝土梁开裂荷载较大；开裂前的碱式硫酸镁水泥混凝土梁抗剪刚度高于普通混凝土梁15%以上，C35以上的碱式硫酸镁水泥混凝土梁开裂后的刚度有所降低，但破坏时的刚度略高于普通混凝土梁。此外，引入了梁的抗剪刚度退化模型，发现碱式硫酸镁水泥混凝土优良的抗拉性能可以提高斜截面破坏梁的抗裂性能；随着配箍率和混凝土强度的提高，梁抗剪承载力增长。碱式硫酸镁水泥混凝土对梁斜截面抗剪的贡献随着剪跨比的增加而增大(C40斜拉破坏梁极限承载力比C40普通混凝土斜拉破坏梁高出约20%)。GB50010-2010规范中的普通混凝土剪压破坏梁承载力、刚度等公式适用于碱式硫酸镁水泥混凝土梁，并确定了其梁开裂荷载计算公式的参数取值规律。当碱式硫酸镁水泥混凝土梁的受剪承载力低于Vmax=(fyAsz+0.5ftbz)/a，梁将发生剪切破坏；当碱式硫酸镁水泥混凝土梁配置较多箍筋(箍筋超配至0.48ft/fy)且1.1≤λ≤1.75时，梁将发生剪压破坏。
(5)以偏心距、混凝土强度和配筋率为设计参数，对同截面尺寸的16根大偏压、12根小偏压和11根轴心受压共39根柱进行抗压性能试验。对比分析了柱的各项基本力学性能，发现碱式硫酸镁水泥混凝土大偏压柱比普通混凝土柱开裂荷载提高20%以上，承载力提高约15%，且加载过程中刚度退化较慢，考虑碱式硫酸镁水泥混凝土对大偏心受压过程中的贡献，得出钢筋碱式硫酸镁水泥混凝土偏心受压开裂荷载计算公式；GB50010-2010规范中普通混凝土大偏心受压柱的承载力、平均裂缝间距、最大裂缝宽度和柱中挠度(刚度)计算公式均适用于碱式硫酸镁水泥混凝土大偏心受压柱。对比两种混凝土柱的N-M曲线显示，碱式硫酸镁水泥混凝土柱曲线比同等条件下的普通混凝土柱曲线丰满，显示了更好的延性；在相同偏心距的情况下，碱式硫酸镁水泥混凝土柱的承载力大于同设计条件的普通混凝土柱；且偏心距越大承载力差距越明显，轴心受压时差别最小。与碱式硫酸镁水泥混凝土受弯梁相比，碱式硫酸镁水泥混凝土大偏压柱在承载力等方面更能体现优越性其原因在于柱的轴向受力使得截面受压区高度加大，钢筋受拉应力减小，延迟横向拉裂缝的出现，裂缝宽度减小，因此承载力更大。
(6)根据试验结果，验证了GB50010-2010规范中大偏心柱计算模型能够适用于碱式硫酸镁水泥混凝土大偏压柱的承载力和变形计算。当偏心距大于等于0.75h0时，碱式硫酸镁水泥混凝土柱的承载能力随混凝土强度的增加(由C40提高到C50)提高了约10%。随着碱式硫酸镁水泥混凝土抗压强度由C40提高到C50，大偏心受压柱的开裂荷载提高了15%～20%，极限承载力提高约10%；提高纵筋配筋率，碱式硫酸镁水泥混凝土大偏压柱的裂缝数量增多，裂缝宽度减小，裂缝高度降低。碱式硫酸镁水泥混凝土大偏心受压柱侧向变形基本呈正弦半波分布。在相同偏心距下，随着碱式硫酸镁水泥混凝土强度的提高，碱式硫酸镁水泥混凝土柱高h/2处的侧向变形由h/200减小了约h/500，但极限侧向变形明显增大h/450，仍符合柱的破坏控制条件(h/50)，这说明随着碱式硫酸镁水泥混凝土强度的提高，柱的侧向变形能力也增强，韧性也增强；碱式硫酸镁水泥混凝土柱极限侧向变形还随着混凝土配筋率的增大而增大；其他条件相同时，柱侧向变形随偏心距的增大而增大。
(7)根据试验结果，验证了GB50010-2010规范中小偏心柱计算模型能够适用于碱式硫酸镁水泥混凝土小偏压柱的承载力和变形计算。对于立方体抗压强度相同的两种混凝土，在相同配筋率和配箍率的条件下，碱式硫酸镁水泥混凝土轴心受压柱极限承载力低于普通混凝土柱约10%，普通混凝土承载力计算公式前需乘以折减系数0.9。碱式硫酸镁水泥混凝土轴心受压柱的箍筋间距减小至100mm(或体积配箍率2倍于普通混凝土轴压柱)，能够保证两种构件轴心受压柱具有相同的承载力。设计碱式硫酸镁水泥混凝土偏心受压柱配筋时，最小纵筋直径为10mm，并保证x≤εbh0和N＜εbfcbh0-0.2ftb(h-εbh0/0.07)，其中碱式硫酸镁水泥混凝土偏心受压柱值比普通混凝土偏心受压柱值大约10%。设计碱式硫酸镁水泥混凝土大偏心受压柱时，其截面尺寸可以比普通混凝土柱截面尺寸减少10%～15%，最小配筋率降低10%。
(8)运用理论计算，综合比较了抗震7度区的C50碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝土七层框架结构，发现在横向水平地震力作用下，碱式硫酸镁水泥混凝土框架最大位移只有普通混凝土框架的66%，体现了较好的抗侧移刚度，更符合GB50011-2010《建筑抗震设计规范》中对竖向规则性(薄弱层、软弱层等)的规定，这来源于碱式硫酸镁水泥混凝土较高的弹性模量。设计碱式硫酸镁水泥混凝土框架时，混凝土用量为普通混凝土框架混凝土用量的85%，即可满足抗震规范对承载力和层间变形等的要求。