1、混凝土復合型鋼組合梁的撓曲強度實驗性研究摘要這項研究嘗試提出在復合型材梁中使用預制抗彎鋼筋的方法來提供抗彎強度。型鋼板可以替代模板，并且有效提高抗剪強度和抗彎強度和減少長久繞度變形的發生。作為實驗結果，改進的MPB-CB2組件比先前發布的MPB-CB和MPB-LB組件具有更高的強度和延性。 都是基于MPB-CB2系列組件形成的T形截面區與用螺紋鋼強化抗彎，MPB-RB系列組件比起MPB-RT系列具有更高的初始剛度、抗彎剛度和延性。MPB-RT系列組件的抗彎強度減弱，可能由于所建立的T形截面底部填充低強度混凝土引起。利用最小屈服強度理論比較理論值和實驗值，實驗值與理論值的比值一般在0.9或者更高

2、，除了MPB-RB16和MPB-RT16系列組件。它們在相同截面下具有更高的強度，這意味著鋼筋混凝土復合型鋼組合梁在最小屈服強度理論下，具有更高的可應用性。關鍵詞：組合的，復合型鋼，撓曲強度，彎曲鋼筋，預制1、 簡介除了鋼筋以外，每種增強材料被研究為了提高鋼筋混凝土兩的強度和延度。在這些增強方法中，復合型鋼板早先作為墊板被用于樓板，這種復合的概念擴展到梁的研究開始于二十世紀九十年代的澳大利亞。現有的方法包括通過螺栓（Oehlers等人，1997、2000）或者粘合劑（Oehlers等人，2000）在鋼筋混凝土梁的兩邊加上側向板，并且用FRP（Minglan等人，2004）和CFRP（Kim等人

3、，2004）加固。作為當前關于復合型鋼組合梁的研究，Oehlers（1993）進行了一組對比性實驗，比較兩側加入復合型鋼板梁和普通鋼筋混凝土梁的抗彎強度和抗剪強度。并且得出基于在剛體塑性分析理論下的剪切連接率的復合型鋼梁抗彎強度的計算公式（Oehlers等人，1994）。Briande Uy等人比較了復合型鋼梁和鋼筋混凝土梁的彎曲-曲率特征圖與通過滑移應變參數理論公式得到的數據進行了對比（1995）。而且，應用理論公式進行各種變化的數值分析（Brian Uy等人，1995）。在先前的研究中（Ahn等人，2007），作者建議側邊和底部的C形和唇形組件，并且對于螺栓連接的參數和張拉鋼板的加固進行研

4、究。這樣，當前的研究與以往的研究有以下三個區別：首先，引進了永久復合型鋼板模板替代當前的臨時性模板的想法；這種復合型鋼板能夠大大提高抗彎和抗剪能力如同臨時模板的功能一樣，并且增強梁的剛度。其次，當前的SC梁在工廠中統一規格預制而在建筑工地使用，然后組合構件的概念引入到復合型鋼梁中，這使得構件能夠在所需的尺寸自由成型一次拼裝完成。第三，在必要的部位加入一定量的復合型材來增加抗彎剛度。根據這個概念，在研究中，一個加強版的復合型鋼板（即MPB)組合梁形成，其應用性得到提升。為了提升構件安全性，MPB被使用而獲得必要的抗彎強度。一組對比分析在剛體塑性分析理論與實驗數據之間進行。經過這些努力，研究試圖通

5、過測量和分析每個部分構件的性質證實復合型鋼板組合梁（即MPB-R）的可應用性。2、 MPB-R的撓曲強度根據Oehlers提出的理論方法的方程（1993,1994）分析MPB組件。實驗中復合型鋼梁的截面形狀和分析數據顯示在圖表一中。MPB-CB2為MPB-CB底部加強組件的樣本，被用于先前的實驗研究中（Ahn等人，2007）。MPB-RT為利用焊接T形截面強化的樣本，MPB-RB為利用螺紋鋼筋強化的樣本，在理論方程中，強化的強度由Pr表示。圖表二a顯示圖表一中a樣本中的組件，圖表二中顯示圖表一中b、c、d樣本中的組件。截面形狀和T形種類的尺寸和鋼筋的強度由表格一表示。2.1 如果組件相對滑移未

6、出現圖表三表示混凝土構件的性質。如果加強型混凝土構件受彎并受壓，混凝土構件和粘結壓力會分別形成受拉部分和受壓部分，引起彎矩。考慮力的平衡，混凝土加強組件的壓應力和拉應力可以由下列公式表示： （1）這里，Cc是混凝土所受的的壓力，Pb是混凝土和復合型材的粘結力，Pr為復合型材的壓力。軸心壓力Nc可以概括為： （2）圖表四表示復合型鋼的性質，Np表示中性軸。混凝土與復合型鋼整體的力的平衡，只有在粘結應力作用方向在混凝土拉力方向和復合型材的壓力方向的條件下成立。這樣，力的平衡方程表示為： (3)在這，Pc=復合型鋼受壓部分的壓力 Pt=復合型鋼受拉部分的拉力圖表四c表示在圖表四b的拉力區添加壓力，并

7、在拉力fy在復合型材的壓力區，這樣沒有改變力的平衡。當等式三轉換為圖表四c所示的合力分布，從而得出下面的公式： （4）在這，te為有效厚度，表達為，參照圖表一所示，S為復合型材的總長，t表示復合型材的厚度。通過方程4，復合型材的軸心力Np可概括為： （5）MPB-R組件所能承受的彎矩為Mp，如圖表一d和圖表二d所示，這包含截面上半部分端部產生的彎矩；粘結力所提供的抗彎值為零，因為它們的作用方向相反，并作用在上下兩部分的同一位子。 （6） 完全剪切連接完全剪切連接后，滑移為零，導致Nc=Mp。因此，（Pb）fsc，在完全剪切連接情況下，由等式（2）和等式（5）得： （7）在完全剪切連接情況下，可

8、以通過方程（7）的（Pb）fsc帶入方程（2）和方程（5）得到Nc和Np，然后將所得的結果帶入方程（6）。 部分剪切連接Nc和Np的每個數值，根據剪切連接的角度改變（Pb）fsc值代入得到彎矩值，替代公式（6）中的Mp。例如，如果剪切連接率為50%，（Pb）psc=0.5 x（Pb）fsc。這里的剪切連接率為。 無剪切連接當Pb=0時，沒有剪切連接，并且從方程（2）得，從方程（5）中得。通過分離混凝土和復合型鋼，彎矩由兩個單獨的力表示出來。2.2 在組件之間出現滑移 部分剪切連接（psc）如果滑移出現在MPB組件之間，復合型鋼和混凝土的應變分布如圖表五b和e所示，應力分布如圖表五的c和f所示。

9、在這種情況下，通過在無滑移的復合型鋼施加相等的壓力來獲得方向向上的彎矩（Mp）。彎矩的方向朝向強化混凝土的頂部，并且復合型鋼承受的彎矩與相應的滑移部分相同。 （8）在這，P（a）：無滑移部分鋼板承受的拉力 hc:樣本的高度 hm:組件的高度 Mm：每個滑移率對應的組件部分彎矩 Cc：在完全剪切連接條件下，混凝土承受的壓力 Pr：復合型材承受的拉力 de：復合型材中心至壓力作用邊緣的距離 h3:編號為3的組件的中心距例如，如果滑移比率為30%，則復合型鋼70%的拉力作用形成整個截面的彎矩，即為P（a），并且30%拉力形成復合型鋼自身的彎矩Mm。 無剪切連接（nsc）（Mp）nsc，在混凝土和復合

10、型鋼對于MPB-R組件不存在粘結力時，為每個組件和這些的混凝土和內力構件產生的彎矩之和。3、實驗步驟3.1 測試樣本在這些試驗中，對于拉力增強性，增強能力通過條狀和平面狀兩種情況下測定。總共為此實驗準備了七個實驗樣本：MPB-RB 10通過四根直徑為十毫米的螺紋鋼加強，MPB-RB13樣本通過四根直徑為十三毫米的螺紋鋼加強，MPB-RB16樣本通過四根直徑為十六毫米的螺紋鋼加強；MPB-RT10樣本通過鋼板強化，其截面積與直徑為十毫米的螺紋鋼截面積相近，MPB-RT13樣本與直徑為十三毫米的螺紋鋼截面積相近，MPB-RT16樣本與直徑為十六毫米的螺紋鋼截面積相近；而CB2樣本未進行強化。組件之

11、間的連接通過直徑為八毫米、長度為二十五毫米的螺栓間隔二百毫米布置。對于強化的CB2樣本，通過與現存的CB樣本就行對比，評估其增強的表現，并且強化構件的對比分析在理論值和實驗值之間進行，根據強化的情況去確定剛度和強度的提高程度。3.2 材料實驗 混凝土抗壓強度試驗在這個樣本中的混凝土具有二十四兆帕的抗壓強度，并且在現場澆筑后養護。使用KSF2403器具制作的樣本在與實驗相同的環境下養護，筒形混凝土抗壓強度在養護二十八后測得的強度為二十六兆帕。 復合型材抗拉強度實驗此實驗樣本使用的復合型鋼為Q235號鋼和KSD3503冷軋鋼板。兩個樣本以不同的直徑和厚度制作。3.3 加載和測量對實驗樣本進行加載，

12、兩個490KN的通用測試器以集中荷載形式作用在樣本上，如圖表七所示。在梁中心的左右兩側分別放置一個LVDT用來測量梁的位移。鋼板應變計粘結在側邊組件的頂部、中間和底部，在梁的頂部和底部。混凝土應變計粘結在梁頂部的中心位置用來檢查混凝土在受壓方向的應變情況。4、實驗結果4.1 破壞形式 MPB-RB和MPB-CB2圖表八表示MPB-RB和MPB-CB2的破壞形態。隨著最大負荷后的應變增加，在集中荷載作用處的鋼板底部出現局部屈曲。隨著應變的增加，組件之間的明顯分離發生在局部屈曲處的底部，并且側面鋼板屈服如圖表八f所示。對比CB2組件，MPB-RB系列樣本在兩邊的盡端頂部屈服而出現裂縫，這表明內部的

13、螺紋鋼給混凝土提供了足夠的強度。 MPB-RT圖表九表示MPB-RT的屈服破壞后的形態。與混凝土在最大荷載作用下受壓屈服相比，局部屈服僅出現在集中荷載作用處附近的鋼板，鋼板屈服后應變不斷增加，并且組件之間突然發生分離。對比MPB-RB系列組件，T10樣本之間兩端的頂部出現少許裂縫，但沒有裂縫出現在其他位置因為T形截面不封強化材料為提供足夠的承載力。4.2 荷載-位移與荷載-應變曲線 荷載中心的位移圖表十表示各樣本之間荷載-位移曲線之間的對比。大多數樣本顯示出足夠的位移變形能力。MPB-RT系列強化樣本比起未強化樣本具有更低極限強度，盡管它們有鋼板強化。而經鋼筋強化的MPB-RB系列樣本，樣本B

14、10和B13在極限荷載后沒有達到塑性穩定狀態，只是承載能力急劇下降。MPB-RT系列組件強度下降最多，由于T形截面的底部填充低強度混凝土并在鋼板與混凝土之間產生滑移。 高強度纖維混凝土的荷載-應變曲線圖表十一顯示高強度混凝土荷載-應變曲線。MPB-CB2系列樣本混凝土應變隨著荷載的增加而增加，混凝土的應變值可以達到6000；這樣，可以認為混凝土對于強度的增加做出了重要貢獻。由于在極限荷載作用下出現急劇的增長，MPB-RT系列樣本表現出壓縮屈服破壞的形態。而MPB-RB系列樣本未表現出急劇的應變增長或者超過材料的實驗測定的極限應變，這表明在極限荷載作用下具有較好的延性。 底部鋼纖維荷載-應變曲線

15、圖表十二表示底部構件的荷載-應變曲線。MPB-RT系列組件包括MPB-CB2組件表現出較大的應變能力，因為隨著荷載的增加而應變增加，并且更低的組件位置較大程度的影響著彎矩值。相反的，MPB-RB系列樣本知道實驗結束也沒有超過屈服應變值。 強化材料的荷載-應變曲線圖表十三表示混凝土強化構件的荷載-應變曲線。對于MPB-RT系列組件，應變測量通過在T形強化材料的頂部粘結應變計來測量，而MPB-RT10樣本測量儀在早期就失效。MPB-RT系列強化材料與混凝土在早期均承受拉力，隨著與混凝土之間發生滑移分離而承受壓力。在極限荷載作用下，強化材料與混凝土完全分離，MPB-RT16系列樣本發生壓力屈服。在M

16、PB-RB系列中，B10樣品表現出較大的應變并且達到屈服，而B13和B16樣本應變相當于屈服應變的一半。結果，B10樣本，其強化構件屈服，達到極限強度，其數值最接近理論值。4.3 分析和討論 彎曲強度分析1） CB2系列組件和原始復合型鋼梁之間比較，作者為Ahn等（2007）圖表十四表示復合型材的截面形狀，表格四表示理論和實驗的極限荷載值和改進后的CB2和復合型材梁（MPB-CB，MPB-LB）樣本的初始截面剛度比。截面積比值等于每個樣本的截面積除以CB2樣本的截面積。CB2的負荷比值為0.84，這高于CB的0.76與LB的0.8，并且接近單獨不均勻截面值0.88。初始剛度與先前的發布樣本具有

17、相同的模式。圖表十五顯示，改善后的CB2樣本具有足夠的延度和完全塑性穩定階段出現在荷載超過極限荷載時。這樣，可以認為CB2樣本具有更好的抗彎性能，比起所有的LB系列樣本，其具有足夠的剛度不過當荷載超過極限荷載時，承載能力迅速下降。而CB系列樣本，沒有充分表現出強度。2） MPB-RT系列組件受力分析表格五顯示理論極限荷載與實驗極限荷載的比較。理論最大荷載以組件之間完全相互連接并且復合型材與混凝土之間完全連接的假設為計算基礎。對于CB2樣本，Pme/Pmt的值為0.84。利用第二節中所推到的方程對進行CB2的受力分析，在完全連接無滑移情況下，極限荷載值為271KN；在50%的粘結率無滑移情況下，

18、極限荷載值為240KN；在20%的滑移率情況下，極限荷載值為224KN。其中226KN的實驗值與組件之間低粘結力無滑移的理論值比較接近。而且，滑移的發生如同圖18a所示的復合型材側向應變的改變，這里可以應用2.2.1章節的理論。在這，滑移比率即為復合型材比率通過復合型材滑移產生的彎矩進行分配。對于MPB-RT系列樣本實驗值低于理論值。 這個結果只要由在強化構件與混凝土之間失去粘結、低強度混凝土填充在T形強化構件的底部引起。因此，T形強化構件截面對于抵抗玩具能力較差。樣本的理論強度由最小屈服壓力fy代替實驗測定的材料性能去計算Pmt2，并將計算值與實驗值比較，比較的數據如表格四表示。在這，型號為

19、SS400鋼板fy=235MPa，型號為SD400鋼筋fy=400MPa。對比結果表明：除了T16其余實驗值與理論值均比較接近。3） MPB-RB的受力分析對比表格六中的理論值與實驗值的最大彎矩值。B10系列的樣本具有最好的抗彎性能在所有強化樣本中，其Pme/Pmt值為0.75。通過第二章節得出的理論方程分析實驗結果，在完全連接無滑移的情況下，極限強度為327KN；在50%的連接率無滑移情況下，極限強度為309KN；在35%的滑移率情況下的246KN的實驗值與在組件之間作用低壓力有滑移存在情況下的理論值比較相似。而且，組件之間滑移發生如圖表十八d，側邊復合型材應變的改變量，在這，章節的理論能夠

20、得到應用。除了B10樣本，B13與B16樣本的實驗值與理論值的比值分別顯示為0.68與0.63的低比例比值。這表明強度值并沒有隨著低強度的混凝土填充與薄弱環節填充混凝土而對實驗產生削減影響。如果受壓強度隨著在受壓區添加鋼板，在受壓區引進T形截面去協助復合材料延緩發生屈曲現象，更好的MPB可以被研發出來。對于B10，在實驗值Pmt2與理論值Pme之間的比值為1.07。對于B13為0.90，對于B16為0.84.在所有強化樣本中，只有B10的數值超過1的。 初始剛度樣本的初始剛度計算結果如表格七所示。初始剛度定義為：屈服荷載與極限荷載之間的比值；屈服撓度為極限荷載與60%的極限荷載剛度銜接的紐帶；

21、并且強度即為屈服強度。MPB-RT系列樣本表現出與CB2相似的剛度，強化材料的截面不影響剛度的增長。相反，PMB-RB系列樣本比MPB-RT系列與CB2更大的剛度，意味著強化構件的強化影響影響著構件剛度。尤其，T10的初始剛度至少為18.9，這就意味著混凝土未緊密地填充在T形強化材料的底部。 每個樣本應變計所在位置的應變分析圖表十六表示側邊組件的荷載應變的分布情況。豎向軸上的1至9編號表示應變計的位置，在表格七中表示，水平軸線表示應變。加載被分為四個階段，每個加載過程應變計位置的分布被表示出來。加載過程一，荷載為極限荷載的20%；加載過程二，荷載為極限荷載的50%；加載過程三，荷載為極限荷載的

22、80%；加載過程四，荷載為極限荷載值。為了更好的理解每個實驗過程的應變分布，荷載過程的應編制有一些直線連接起來。編號13表示上部組件，編號46表示中心組件，編號79表示底部構件。在所有樣本中，加載過程一和二，當達到荷載極限強度的50%時，在組件之間出現一些滑移現象，并且保持恒定線性狀態。加載荷載越大，組件之間的滑移也越大，側面復合型材未表現出完全塑性現象，這表明實驗彎矩強度沒有達到完全塑性狀態下的理論值。對于CB2，其實驗值最接近于完全塑性狀態下的理論值，側面復合型材對于提高強度的緣故為復合型材在拉力方向的應變超過在極限荷載下的屈服應變。對于MPB-RB系列在受壓側的應變，B10完全表現出屈服

23、應變。對于受拉側，B16樣本的底部組件的底部達到屈服。尤其，MPB-RB系列受拉側的應變普遍小于MPB-RT系列的應變，由于內部鋼筋強度分布的影響。5、結論對于改進并強化的MPB材料的彎曲現象的實驗與理論分析，可以得出以下結論：l 對于強化的MPB-CB2材料，實驗值與理論值之間的比值為0.85，高于現存的MPB-CB的0.76與MPB-LB的0.8，而且在極限荷載后表現出較好的形變能力與塑性平穩階段。因此，MPB-CB2樣本比MPB-LB樣本具有更穩定的截面，在極限荷載后具有更大的剛度但承載能力急劇下降。比起其他樣本，其表現出更好的抗彎性能。l MPB-RT系列樣本T10，T13，T16表現

24、出于MPB-CB2相似的剛度，表明強化材料的截面形狀對于剛度的增長不產生作用。然而，MPB-RB系列樣本B10，B13和B16表現出比MPB-RT和MPB-CB2更大的剛度，表明強化構件的強化作用對于剛度的影響。l 在所有樣本中，在大于極限荷載50%的情況下，在組件之間基本不存在滑移情況，保持持續恒定線性。然后，隨著荷載值的增加，組件之間的滑移也增加。超過極限荷載以后，組件之間的分離變得明顯。在所有樣本中的側面復合型材沒有出現完全塑性現象。l 對于完全連接無滑移情況下，荷載實驗值與理論值之間的比值，MPB-RT10的值僅為0.66，而MPB-RT13的值為0.66，MPB-RT16的值為0.5

25、7，MPB-RB10的值為0.75，MPB-B13的值為0.68，MPB-B16的值為0.63。由于低強度混凝土的填充與圖層混凝土的面積不足，強度并沒有提高。除了MPB-T16和MPB-B16，在所有樣本中，使用最小屈服強度fy荷載比超過0.9。MPB強化材料的可以應用最小屈服強度fy。參考文獻1、Ahmed, M., Oehlers, D.J. and Bradford, M.A. (2000), “通過錨固型鋼板在兩側強化混凝土梁。第一部分：性質與實驗”, Struct. Eng. Mech., Int. J ., 10(3), 211-226.2、Brian Uy, and Andrew

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