利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构，包括钢板、砖砌体和楼板：所述钢板包括设置于砖砌体两侧的第一钢板和间隔地设置于砖砌体底部的第二钢板，所述第一钢板和第二钢板连接，且第一钢板采用数个对拉螺栓固定；所述楼板设置于砖砌体的上部。该组合梁结构操作安全系数高，且牢固。
【专利说明】
利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构。
【背景技术】
[0002] 砖混结构底层的大空间改造需要对部分砖砌体承重墙体进行拆除，使得局部砖墙 承重结构体系转换为梁、柱承重，因此必须采取有效的加固措施形成可靠的承重梁和柱子。 相对传统的托梁拆墙改造技术，钢板砖砌体组合结构托换是一种创新。它采用后锚固技术 将钢板外包在砖墙上，通过有效的构造措施使钢板和砖墙连接成整体，保证两者之间能协 同变形，从而使原来的承重墙体变换为钢板砖砌体组合梁、柱框架。该方法具备截面尺寸变 化小、施工方便、工期短、不需要模板以及外型美观等优点。通过对此类组合结构的施工工 艺与工作机理的阐述，介绍某具体工程实例，并现场实测组合梁控制截面的应变大小和分 布特征。检测结果表明组合梁的工作特点以及钢板砖砌体组合结构用于传统砖砌体结构托 换的可行性。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种利于大空间改造的砖混形式的组合梁 结构，该组合梁结构操作安全系数高，且牢固。
[0004] 本实用新型提供的利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构，包括钢板、砖砌体 和楼板：
[0005] 所述钢板包括设置于砖砌体两侧的第一钢板和间隔地设置于砖砌体底部的第二 钢板，所述第一钢板和第二钢板连接，且第一钢板采用数个对拉螺栓固定；
[0006] 所述楼板设置于砖砌体的上部。
[0007] 作为本实用新型进一步的改进:所述钢板与砖砌体的结合方式为:将没有粉刷的 砖砌体用自流式的灌浆料与钢板连接在一起。
[0008] 作为本实用新型进一步的改进:所述钢板与砖砌体的结合方式为：先对砖砌体进 行粉刷，再用结构胶将砖砌体与钢板结合在一起。
[0009] 作为本实用新型进一步的改进:所述粉刷材料为普通的水泥砂浆或高延性混凝 土。
[0010] 作为本实用新型进一步的改进:所述对拉螺栓固定的操作步骤为：先在砖砌体里 预留孔洞，再在第一钢板相应位置钻孔，最后穿对拉螺栓固定。
[0011] 作为本实用新型进一步的改进:所述对拉螺栓间距为280-350mm。
[0012] 作为本实用新型进一步的改进:所述第一钢板与第二钢板通过焊接的方式连接。
[0013] 楼板为既有楼板，其位于第一钢板上方。第二钢板是间隔布置的小块钢板，相较于 通长布置的钢板，安全、操作性高。本实用新型提供的利于大空间改造的砖混形式的组合梁 结构，可行性高，结构精巧，牢固。
【附图说明】
[0014] 图1是:底部钢板间距及布置形式图。
[0015] 图2是:对拉螺栓布置图。
[0016] 图3是：组合梁塑性承载力计算简图。
[0017]图4是：组合梁应变片布置图。
[0018] 图5-9是:试件ZHL-1组合梁1 -1、2-2、3-3、4-4、5-5截面钢板荷载-应变曲线图。
[0019 ]图1 〇-14是:试件ZHL-1组合梁的截面应变沿梁高的分布图。
[0020]图15是:试件ZHL-1组合梁的荷载-挠度变化曲线图I。
[0021] 图16-20是:试件ZHL-2组合梁1 -1、2-2、3-3、4-4、5-5截面钢板荷载-应变曲线图。
[0022]图21-25是:试件ZHL-2组合梁截面应变沿梁高的分布图。
[0023]图26是:试件ZHL-2组合梁的荷载-挠度变化曲线图。
[0024]图27-31是:试件ZHL-3组合梁1-1、2-2、3-3、4-4、5-5的截面钢板荷载应变曲线图。
[0025] 图32-36是:试件ZHL-3组合梁的截面应变沿梁高的分布图
[0026] 图37是:试件ZHL-3组合梁荷载-挠度变化曲线图。
[0027] 图38-41是:试件ZHL-4组合梁1-1、2-2、3-3、4-4、5-5的荷载-应变曲线如图。
[0028]图42-44是:试件ZHL-4组合梁的截面应变沿梁高的分布图。
[0029]图45是:试件ZHL-4组合梁的荷载-挠度变化曲线图。
[0030] 图46-50是:试件ZHL-5组合梁1 -1、2-2、3-3、4-4、5-5组合梁的荷载-应变曲线图。
[0031] 图51-55是:试件ZHL-5组合梁1-1、2-2、3-3、4-4、5-5组合梁的截面应变沿梁高的 分布图。
[0032]图56是:试件ZHL-5组合梁的荷载-挠度变化曲线图。
[0033] 图57-61是:试件ZHL-6组合梁1 -1、2-2、3-3、4-4、5-5截面钢板荷载应变曲线图。
[0034] 图62-66是:试件ZHL-6组合梁1-1、2-2、3-3、4-4、5-5截面应变沿梁高的分布图。
[0035]图67是:试件ZHL-6组合梁的荷载-挠度变化曲线图。
[0036]图68是:各组合梁的荷载-挠度曲线图。
[0037]图中：10、钢板;20、对拉螺栓;30、应变片;40、楼板。
【具体实施方式】
[0038]以下通过具体实施例对本实用新型提供的一种钢板与砖砌体的组合梁结构做进 一步更详细的说明：
[0039]相关实验
[0040]实验一、钢板-砖砌体组合梁结构静力荷载试验
[0041] 1.试验目的
[0042] 钢板-砖砌体组合结构是一种新型有效的砖混房屋大空间改造技术，为了更好地 了解和利用该技术，需要进行大量的试验来对它进行研究。本试验将考虑粉刷材料、灌浆材 料、螺栓间距等因素，通过对六根钢板-砌体组合梁构件进行受弯破坏试验，来研究该托换 技术的可行性以及该托换技术的受力性能，为工程实践提供指导作用。
[0043] 2.试件梁要求
[0044] 鉴于组合梁内部为砖墙，试件的内部砖砌体宽度取一砖长。组合梁设计6个几何 尺寸相同，梁截面高度取350mm，梁长3000mm，支座间距2800m m。为了更好的模拟实际情 况，在六个组合梁的上部都浇筑了宽度与砖砌体相同，高度为100mm的混凝土（相当于楼 板）。组合梁两侧安装5mm X 370mm X 3000mm的Q235的钢板，底部用5mm X 200mm X 300mm的 Q235的小钢板块与两侧的钢板进行焊接，底部钢板间距及布置形式如图1所示。两侧钢板采 用对拉螺栓进行固定，螺栓采用的规格是M16,对拉螺栓的具体布置见图2。砖砌体与钢板 之间的结合形式有两种:①将没有粉刷的砖砌体用自流式的灌浆料与钢板紧密地连接在一 起;②先对砖砌体进行粉刷，以增强砖砌体本身的整体性，再用结构胶将砖砌体与钢板紧密 地结合在一起。其中，第二种方式中的粉刷材料有两种:①普通的水泥砂浆;②五和高延性 纤维混凝土。试件的具体要求见表1。
[0045] 表1试件梁要求
[0046]
[0047] 3.试验装置及试验器材
[0048] 静态应变采集仪、位移计若干、应变片30若干、加工好的反力架及六根钢-砌体组 合梁、电脑、千斤顶、分配梁等。
[0049] 4.试验荷载确定
[0050] 要确定试验荷载，首先要对组成试件的各材料进行力学性能测定，其结果见表2~ 6所示
[0051]表2砖块抗压强度试验结果
[0052]
[0053] 所以砖块的抗压强度均值为：12.41MPa。
[0054] 表3水泥砂浆抗压强度试验结果
[0055]
[0056] 所以水泥砂浆的抗压强度均值为:15.3MPa。
[0057] 表4混凝土抗压强度试验结果
[0058]
[0059] 所以混凝土的抗压强度均值为：14.44MPa。
[0060] 表5高延性混凝土抗压强度试验结果
[0061]
[0062] 由于最大值与中间值之差超过中间值的15%，所以高延性混凝土的抗压强度取中 间值，即为:45.14MPa。
[0063]表6钢板抗拉强度试验结果
[0064] 所以钢板的屈服强度为341.67MPa，极限强度为443.33MPa。
[0065] 由试验测得，砖块的抗压强度为12.41MPa，所以本实验砖块的强度等级为MU10;水 泥砂浆的抗压强度为15.3MPa，所以本实验砂浆的强度等级为M15。由砖块与砂浆的强度等 级，查《砌体结构设计规范》 [37]中表B. 0.1-1，得本试验砖砌体的轴心抗压强度平均值为 4.19MPa〇
[0066] 在进行内力计算时，只考虑砖砌体与钢板对组合梁极限承载力的影响，其它因素 的影响在试验结果得出之后再进行分析。至于砖砌体上的一层混凝土"楼板"的影响，由于 其与组合梁没有进行可靠的抗剪连接，故也不对其进行考虑。
[0067] 为了使得简化的计算分析模型与实际情况尽量吻合，以及未加以考虑的不利因 素，本试验采取了可靠的构造措施:①布置对拉螺栓;②试件梁底部焊接短钢板;③灌注黏 结材料。
[0068] 本次试验的组合梁的内力应当按照塑性设计方法来计算。假设组合结构存在一条 塑性中和轴，中和轴以上的砖砌体和钢板承受压力，中和轴以下的钢板承受拉力。由此简 化，算出组合梁正弯矩截面最大受弯承载力。再由最大受弯承载力算出试验所需的最大破 坏荷载。塑性承载力计算简图如图3所示。
[0069]此时，组合梁正弯矩截面受弯承载力应当满足：
[0070] (bxfb+Asify)h/2
[0071] bxfb+Asify=(As-Asi)fy
[0072] 式中，Μ-正弯矩设计值；
[0073] b-砖砌体的宽度；
[0074] X-组合梁受压区高度；
[0075] h-组合梁的高度；
[0076] fb-砖砌体的轴心抗压强度平均值；
[0077] fy-钢板的屈服强度值；
[0078] As-钢板的总截面面积；
[0079] AS1-钢板受压区截面面积。
[0080] 由试验已知条件，b=240mm，h=370mm，fb=4 · 19MPa，fy=341 · 67MPa，As=370 X 5 X 2= 3700mm2，Asi=10x，得x=161 · 27mm，Mmax=131 · 97KN · m。
[0081] 在受弯构件试验中，经常利用几个集中荷载来代替均布荷载。本试验采用在跨度 四分点加两个集中荷载的方式来代替均布荷载，并取试验梁的跨中弯矩等于设计弯矩时的 荷载作为梁的试验荷载，这时支座截面的最大剪力也可以达到均布荷载梁的剪力设计值。 由计算，得试验所需最大荷载为377KN，扣除组合梁和千斤顶的自重9.8KN，且为了便于计 算，将荷载预估值设为360KN。
[0082] 5.测点布置
[0083] 5.1组合梁的变形测试
[0084]本试验在组合梁跨中布置位移计，以测量其最大挠度。试验时由于荷载的影响，组 合梁两端会有支座下沉和受弯向内翘曲的现象，为了避免这些因素的影响，在组合梁两端 支座位置各布置一个位移计，测量这些因素的影响，以便修正这些因素引起的误差。
[0085] 5.2组合梁的应变测试
[0086] 组合梁的承载能力主要依靠其两侧的钢板，所以为了 了解钢板在荷载作用下的受 力情况，在钢板的表面粘贴应变片，在钢板的跨中及1/4跨处沿高度均匀布置。由于组合梁 的底部设计为每隔一定距离设置一小块钢板连接两侧钢板，所以导致组合梁的竖向截面分 为底部有钢板和底部没有钢板两种情况。底部钢板的存在对于其上部的侧向钢板的变形有 约束作用，也会导致某些底部没有钢板的竖向截面的底部出现应力集中现象。本次实验的 组合梁的跨中截面的底部均为有小钢板块的情况，所以为了更全面地了解侧向钢板的受力 情况，在跨中截面旁边选择一个底部没有钢板的截面与其进行对比研究。考虑到受力不均 匀对试验的影响，选择了多个对称截面进行研究。具体选择的截面和测点的布置如图4所 示。其中，有些测点的位置会遇到螺栓，此时可将测点向原测点位置的旁边移动少量距离， 影响不大。
[0087] 6.加载过程
[0088] 6.1加载方法
[0089] 本试验为探究钢板-砌体组合梁作为托换梁的托换技术的可行性，并取得一定的 试验数据，故采用静力试验的方法即可完成。结构静载试验的项目很多，其中最基本的试验 是单调加载静力试验。单调加载静力试验是指在短时间内对试验对象平稳地一次性连续施 加荷载，荷载从"零"开始直至构件破坏，或者在短时间内平稳地若干次施加预定重复荷载 后，再连续增加荷载直至构件最终破坏。本试验即为单调静力加载试验，并采用分级加载方 式，试验时采用液压千斤顶按两点加载的方式进行加载。
[0090] 6.2加载程序
[0091]本试验为钢板-砌体组合梁的破坏性试验，为充分研究结构的工作情况，试验加载 分为预加载、正式加载和卸载三个过程，其中正式加载过程中采用分级加载。在正式加载 前，先加载荷载预估值的10%做为预加值，以测试仪器读数，观察试件、装置、仪表工作是否 正常并及时排除故障，然后卸载到零。调试完毕后，开始正式加载，每一个荷载步加载值为 荷载预估值的10%，当加载值达到预估值的80%时，将每一荷载步加载值改为预估值的5%，继 续加载直至荷载加不上去或变形过大时，停止加载，然后卸载到零，停止试验。
[0092] 6.3观察试验现象并进行记录
[0093] 测试组合梁变形的位移计与测试钢板应变的应变片通过采集仪与电脑相连，因 此，组合梁的挠度与钢板的应变可以通过电脑简单采集。
[0094] 试验加载前，用电脑采集一次数据，记录位移计与钢板应变的初始读数;试验加载 过程中，每级荷载应平缓加载，每级荷载加载结束后应进行一次数据采集，然后持荷5min且 待变形稳定后再进行一次数据采集，并记下此时的荷载回落值，持荷期间，还应观察组合梁 的裂缝及其它破坏情况。
[0095] 7.组合梁破坏过程及试验结果
[0096] 7.1 ZHL-1
[0097]加载初期，组合梁整体性较好，呈弹性状态，变形稳定发展；当加载至150KN时，组 合梁出现间断性的脆响，观察组合梁并未发现其有破坏现象;继续加载至240KN时，脆响明 显变多，检查组合梁发现，在加载点的下方附近的侧向钢板与灌浆料层之间有剥离现象出 现，底部连接作用的小块钢板之间（除两边跨)均出现了沿组合梁宽度方向的细长裂缝;随 着荷载的增加，侧向钢板与灌浆料层之间的剥离现象越来越严重，底部裂缝也不断发展，不 断变长变宽；当加载至402KN时，荷载回落速度大于加载速度，组合梁挠度发展速度明显增 快，钢板屈服，定义此时的组合梁为破坏状态，检查组合梁发现，侧向钢板与灌浆料层之间 的剥离宽度最大达到20mm左右，加载点下方的混凝土沿两边向下45°方向有斜裂缝出现，但 并未贯穿;再卸载到零，组合梁有明显的回升现象，侧向钢板与灌浆料层之间的最大剥离宽 度回到10_左右。组合梁的荷载-应变曲线如图6~10所示。
[0098] 由图5~图9可以看出，当荷载较小时，试件ZHL-1的各个截面的钢板荷载-应变曲 线都近似为线性关系，当荷载加至300KN以后，跨中截面与四分之一跨截面渐渐呈现出了两 种不同的发展状态，代表跨中截面的2-2、3-3以及5-5截面继续保持较好的线性关系发展， 而代表四分之一跨的1-1和4-4截面渐渐呈现出了非线性增长的趋势，甚至在某些点出现了 反常的发展趋势。之所以会出现这种状况，是由于组合梁的破坏是由加载点下的钢板屈曲 所造成的，而加载点刚好位于四分之一跨处。组合梁破坏时，跨中截面的钢板并未达到屈服 状态，所以其荷载-应变曲线能够保持较好的线性关系;而四分之一跨处的钢板上部即受压 区域出现了屈曲，理论上其屈曲部分的荷载-应变曲线增长迅速，甚至增长到无穷大，但是 图5和图8未能反映这一现象，这是由于本试验采用的应变片比较小，只能反映较小范围的 钢板荷载-应变变化情况，由于上部钢板的屈曲，导致中和轴下移，底部钢板的应力明显增 大，呈现出非线性增长的趋势。由图7可以看出，当加载值达到一个较大数值以后，测点2-4 的读数要比测点2-5大，这是由于图7反映的跨中截面底部有连接作用的小块钢板，小块钢 板的存在约束了侧向钢板底部的拉伸作用。组合梁的截面应变沿梁高的分布如图10~图14 所示。
[0099] 由图10~图14可以看出，除了图10和图13中几个较大荷载作用下的曲线，每个截 面的上部4个点的应变基本为直线分布，符合平截面的假定，而每个截面的最下面的一个点 的应变增长受到了不同程度的约束，这是因为受到了底部小块钢板的影响。随着荷载的增 加，中和轴有轻微的下移，这是由于随着荷载的增加，上部钢板逐渐受压屈曲。组合梁的荷 载-挠度变化曲线如图16所示。
[0100]由图15可以看出，当荷载较小时，组合梁的挠度随着荷载的增大变化较小，当加载 到300KN以后，挠度的增大速度明显加快。其实，当荷载较小时，组合梁的荷载-挠度曲线关 系是线性的（由于挠度读数的精度问题，没有表现得很明显），钢板没有达到屈服应变，组合 梁处于弹性工作阶段，组合梁整体刚度较大，挠度变化较小。当加载至300KN左右时，组合梁 的挠度增大速度加快，组合梁的荷载-挠度曲线呈现非线性增长趋势，说明组合梁中的部分 钢板达到屈服，组合梁进入弹塑性工作阶段，组合梁刚度不断减小。
[0101] 7.2 ZHL-2
[0102] 加载初期，组合梁整体性较好，呈弹性状态，变形稳定发展；当加载至150KN时，组 合梁出现间断性的脆响，观察组合梁并未发现其有破坏现象；继续加载至240KN时，出现一 次较大响声，检查组合梁发现，在底部连接作用的小块钢板之间出现了沿组合梁宽度方向 的细长裂缝;加载至255KN时，出现一次较大的撕裂声，在加载点的下方附近的侧向钢板与 灌浆料层之间有剥离现象出现，之前出现的细长裂缝贯穿底面;随着荷载的增加，侧向钢板 与灌浆料层之间的剥离现象越来越严重，底部裂缝也不断有新的出现，且不断变长变宽；当 加载至378KN时，荷载回落速度大于加载速度，组合梁挠度发展速度明显增快，钢板屈服，定 义此时的组合梁为破坏状态，检查组合梁发现，侧向钢板与灌浆料层之间的剥离宽度最大 达到20mm左右，加载点下方的混凝土沿两边向下45°方向有斜裂缝出现，但并未贯穿；再卸 载到零，组合梁有明显的回升现象，侧向钢板与灌浆料层之间的最大剥离宽度回到l〇mm左 右。组合梁的荷载-应变曲线如图16~图20所示。
[0103]由图16~图20可以看出，当荷载较小时，试件ZHL-2的各个截面的钢板荷载-应变 曲线都近似为线性关系，当荷载加至300KN以后，跨中截面与四分之一跨截面渐渐呈现出了 两种不同的发展状态，代表跨中截面的2-2、3-3以及5-5截面继续保持较好的线性关系发 展，而代表四分之一跨的1-1和4-4截面渐渐呈现出了非线性增长的趋势。之所以会出现这 种状况，是由于组合梁的破坏是由加载点下的钢板屈曲所造成的，而加载点刚好位于四分 之一跨处。组合梁破坏时，跨中截面的钢板并未达到屈服状态，所以其荷载-应变曲线能够 保持较好的线性关系；而四分之一跨处的钢板上部即受压区域出现了屈曲，导致中和轴下 移，底部钢板的应力明显增大，呈现出非线性增长的趋势。由图17可以看出，当加载值达到 一个较大数值以后，测点2-4的读数要比测点2-5大，这是由于图18反映的跨中截面底部有 连接作用的小块钢板，小块钢板的存在约束了侧向钢板底部的拉伸作用。组合梁的截面应 变沿梁高的分布如图21~图25所示。
[0104]由图22~图26可以看出，除了图21和图24中几个较大荷载作用下的曲线，每个截 面的上部4个点的应变基本为直线分布，符合平截面的假定，而每个截面的最下面的一个点 的应变增长受到了不同程度的约束，这是因为受到了底部小块钢板的影响。随着荷载的增 加，中和轴有轻微的下移，这是由于随着荷载的增加，上部钢板逐渐受压屈曲。
[0105] 组合梁的荷载-挠度变化曲线如图26所示。
[0106] 由图26可以看出，当荷载较小时，组合梁的挠度随着荷载的增大变化较小，当加载 到350KN以后，挠度的增大速度明显加快。其实，当荷载较小时，组合梁的荷载-挠度曲线关 系是线性的（由于挠度读数的精度问题，没有表现得很明显），钢板没有达到屈服应变，组合 梁处于弹性工作阶段，组合梁整体刚度较大，挠度变化较小。当加载至350KN左右时，组合梁 的挠度增大速度加快，组合梁的荷载-挠度曲线呈现非线性增长趋势，说明组合梁中的部分 钢板达到屈服，组合梁进入弹塑性工作阶段，组合梁刚度不断减小。
[0107] 8.3 ZHL-3
[0108] 加载初期，组合梁整体性较好，呈弹性状态，变形稳定发展；当加载至180KN时，组 合梁出现间断性的轻微滋滋声，偶有脆响，观察组合梁并未发现其有破坏现象;继续加载至 252KN时，滋滋声变大，频率变快，检查组合梁发现，在底部连接作用的小块钢板之间出现了 沿组合梁宽度方向的细长裂缝;加载至342KN时，上部的混凝土层与砖砌体层之间的某些地 方出现细小横向裂缝;随着荷载的增加，上部的混凝土层与砖砌体层之间不断有新的横向 裂缝出现，底部裂缝也不断有新的出现，且不断变长变宽；当加载至414KN时，有连续不断的 滋滋声和撕裂声，且响声较为剧烈，之前的上部混凝土层与砖砌体层之间出现的横向裂缝 发展相交，混凝土层与砖砌体层有脱层的现象，加载点下方的混凝土沿两边向下45°方向有 斜裂缝出现；当加载至477KN时，荷载回落速度大于加载速度，组合梁挠度发展速度明显增 快，分配梁的圆滚支座下的钢板屈服，定义此时的组合梁为破坏状态;再卸载到零，组合梁 有明显的回升现象。
[0109] 组合梁的荷载-应变曲线如图27~图31所示。
[0110] 由图27~图31可以看出，当荷载较小时，试件ZHL-3的各个截面的钢板荷载-应变 曲线都近似为线性关系，当荷载加至400KN以后，各截面的钢板荷载-应变曲线渐渐呈现出 了非线性增长的趋势。之所以会出现这种状况，是由于混凝土层与砖砌体层之间的脱层所 造成的，当荷载较小时，混凝土层与其下面的组合结构能够保持为一个整体，具有较大的刚 度，随着荷载的增加，混凝土层渐渐与下面的组合结构脱离，组合结构的刚度减小，但是大 部分的刚截面并未达到屈服。组合梁破坏时，1-1截面的钢板上部即受压区域出现了屈曲， 受压的最上部的应变片急剧增长，中和轴下移，底部钢板的应力明显增大。由图29可以看 出，当加载值达到一个较大数值以后，测点2-4的读数要比测点2-5大，这是由于图7反映的 跨中截面底部有连接作用的小块钢板，小块钢板的存在约束了侧向钢板底部的拉伸作用。
[0111] 组合梁的截面应变沿梁高的分布如图32~图36所示。
[0112]由图33~图37可以看出，除了图33中几个较大荷载作用下的曲线，每个截面的上 部4个点的应变基本为直线分布，符合平截面的假定，而每个截面的最下面的一个点的应变 增长受到了不同程度的约束，这是因为受到了底部小块钢板的影响。随着荷载的增加，中和 轴有轻微的下移，这是由于随着荷载的增加，混凝土层退出整体，上部钢板逐渐受压屈曲。 [0113]组合梁的荷载-挠度变化曲线如图38所示。
[0114] 由图37可以看出，当荷载较小时，组合梁的挠度随着荷载的增大变化较小，当加载 到400KN以后，挠度的增大速度明显加快。其实，当荷载较小时，组合梁的荷载-挠度曲线关 系是线性的（由于挠度读数的精度问题，没有表现得很明显），钢板没有达到屈服应变，组合 梁处于弹性工作阶段，组合梁整体刚度较大，挠度变化较小。当加载至400KN左右时，组合梁 的挠度增大速度加快，组合梁的荷载-挠度曲线呈现非线性增长趋势，说明组合梁中的部分 钢板达到屈服，组合梁进入弹塑性工作阶段，组合梁刚度不断减小。
[0115] 8.4 ZHL-4
[0116] 加载初期，组合梁整体性较好，呈弹性状态，变形稳定发展；当加载至180KN时，组 合梁出现间断性的轻微滋滋声，偶有脆响，观察组合梁并未发现其有破坏现象;继续加载至 252KN时，滋滋声变大，频率变快，检查组合梁发现，在底部连接作用的小块钢板之间出现了 沿组合梁宽度方向的细长裂缝;加载至288KN时，上部混凝土在两支座处被轻微压碎；加载 至342KN时，上部的混凝土层与砖砌体层之间的某些地方出现细小横向裂缝;随着荷载的增 加，上部的混凝土层与砖砌体层之间不断有新的横向裂缝出现，底部裂缝也不断有新的出 现，且不断变长变宽；当加载至360KN时，有连续不断的滋滋声和撕裂声，且响声较为剧烈， 之前的上部混凝土层与砖砌体层之间出现的横向裂缝发展相交，混凝土层与砖砌体层有脱 层的现象，加载点下方的混凝土沿两边向下45°方向有斜裂缝出现；当加载至473KN时，荷载 回落速度大于加载速度，组合梁挠度发展速度明显增快，分配梁的圆滚支座下的钢板屈服， 定义此时的组合梁为破坏状态;再卸载到零，组合梁有明显的回升现象。
[0117] 组合梁的荷载-应变曲线如图38~图41所示。
[0118]为了研究钢板在各个方向的受力情况，在ZHL-4的4-4截面设置了应变花，其荷载-应变曲线如图41所示，只有4-1-2和4-3-2的测点的应变比较大，其它测点的应变都非常小， 可以忽略不计，而这两个测点分别代表的是4-4截面最上部和最下部的横向应变，由此可以 看出，组合梁在受弯时，钢板横向受力最大，其它方向的受力不影响组合梁的承载能力，故 在对其它梁进行研究时，只考虑横向应变。由图38~图40可以看出，当荷载较小时，试件 ZHL-4的各个截面的钢板荷载-应变曲线都近似为线性关系，当荷载加至360KN以后，各截面 的钢板荷载-应变曲线渐渐呈现出了非线性增长的趋势。之所以会出现这种状况，是由于混 凝土层与砖砌体层之间的脱层所造成的，当荷载较小时，混凝土层与其下面的组合结构能 够保持为一个整体，具有较大的刚度，随着荷载的增加，混凝土层渐渐与下面的组合结构脱 离，组合结构的刚度减小，但是大部分的刚截面并未达到屈服。组合梁破坏时，1-1截面的钢 板上部即受压区域出现了屈曲，受压的最上部的应变片急剧增长，中和轴下移，底部钢板的 应力明显增大。由图39可以看出，当加载值达到一个较大数值以后，测点2-4的读数要比测 点2-5大，这是由于图7反映的跨中截面底部有连接作用的小块钢板，小块钢板的存在约束 了侧向钢板底部的拉伸作用。
[0119]组合梁的截面应变沿梁高的分布如图42~图44所示。
[0120]由图42~图44可以看出，除了图43中几个较大荷载作用下的曲线，每个截面的上 部4个点的应变基本为直线分布，符合平截面的假定，而每个截面的最下面的一个点的应变 增长受到了不同程度的约束，这是因为受到了底部小块钢板的影响。随着荷载的增加，中和 轴有轻微的下移，这是由于随着荷载的增加，混凝土层退出整体，上部钢板逐渐受压屈曲。
[0121] 组合梁的荷载-挠度变化曲线如图45所示。
[0122] 由图45可以看出，当荷载较小时，组合梁的挠度随着荷载的增大变化较小，当加载 到400KN以后，挠度的增大速度明显加快。其实，当荷载较小时，组合梁的荷载-挠度曲线关 系是线性的（由于挠度读数的精度问题，没有表现得很明显），钢板没有达到屈服应变，组合 梁处于弹性工作阶段，组合梁整体刚度较大，挠度变化较小。当加载至400KN左右时，组合梁 的挠度增大速度加快，组合梁的荷载-挠度曲线呈现非线性增长趋势，说明组合梁中的部分 钢板达到屈服，组合梁进入弹塑性工作阶段，组合梁刚度不断减小。
[0123] 8.5 ZHL-5
[0124] 加载初期，组合梁整体性较好，呈弹性状态，变形稳定发展；当加载至252KN时，检 查组合梁发现，在底部连接作用的小块钢板之间出现了沿组合梁宽度方向的细长裂缝;加 载至486KN时，底部裂缝发展较快，多条裂缝贯穿底面，上部的混凝土层与砖砌体层之间的 某些地方出现细小横向裂缝;随着荷载的增加，上部的混凝土层与砖砌体层之间不断有新 的横向裂缝出现且伴随有胶体撕裂的啪啪声，底部裂缝也不断有新的出现，且不断变长变 宽；当加载至504KN时，有连续不断的滋滋声和撕裂声，且响声较为剧烈，加载点下方的混凝 土沿两边向下45°方向有斜裂缝出现且发展较快；当加载至522KN时，荷载回落速度大于加 载速度，组合梁挠度发展速度明显增快，整个混凝土层与砖砌体层之间布满细小横向裂缝， 且在两端有似断层现象出现，分配梁的圆滚支座向下45°方向有斜裂缝的混凝土破坏严重， 且有向外鼓出的趋势，圆滚支座下的钢板屈服，定义此时的组合梁为破坏状态;再卸载到 零，组合梁有明显的回升现象。
[0125] 组合梁的荷载-应变曲线如图46~图50所示。
[0126] 由图46~图50可以看出，当荷载较小时，试件ZHL-5的各个截面的钢板荷载-应变 曲线都近似为线性关系，当荷载加至一个较大数值以后，各截面的钢板荷载-应变曲线渐渐 呈现出了不同的增长趋势。由图46,当加载至500KN左右时，出现了较明显的突变现象，这是 由于1-1截面上的混凝土渐渐受到了破坏，其上部钢板渐渐屈服。由图47、48、50，组合梁跨 中的几个截面从开始直至加载到破坏，钢板的荷载-应变曲线一直保持较好的线性关系发 展，且最后的应变也不是很大，说明中间部分的钢板直到组合梁破坏也没有达到屈服，能够 继续承载。由图50，当加载至450KN左右时，出现了较明显的突变，但较图46的突变要缓，此 时的突变是由于组合梁的混凝土层与砖砌体层的脱层引起的。由图47可以看出，当加载值 达到一个较大数值以后，测点2-4的读数要比测点2-5大，这是由于图6反映的跨中截面底部 有连接作用的小块钢板，小块钢板的存在约束了侧向钢板底部的拉伸作用。
[0127] 组合梁的截面应变沿梁高的分布如图51~图55所示。
[0128] 由图51~图55可以看出，除了图52和图55中几个较大荷载作用下的曲线，每个截 面的上部4个点的应变基本为直线分布，符合平截面的假定，而每个截面的最下面的一个点 的应变增长受到了不同程度的约束，这是因为受到了底部小块钢板的影响。随着荷载的增 加，中和轴有轻微的下移，这是由于随着荷载的增加，混凝土层退出整体，上部钢板逐渐受 压屈曲。
[0129] 组合梁的荷载-挠度变化曲线如图56所示。
[0130] 由图56可以看出，当荷载较小时，组合梁的挠度随着荷载的增大变化较小，当加载 到500KN以后，挠度的增大速度明显加快。其实，当荷载较小时，组合梁的荷载-挠度曲线关 系是线性的（由于挠度读数的精度问题，没有表现得很明显），钢板没有达到屈服应变，组合 梁处于弹性工作阶段，组合梁整体刚度较大，挠度变化较小。当加载至500KN左右时，组合梁 的挠度增大速度加快，组合梁的荷载-挠度曲线呈现非线性增长趋势，说明组合梁中的部分 钢板达到屈服，组合梁进入弹塑性工作阶段，组合梁刚度不断减小。
[0131] 8.6 ZHL-6
[0132] 加载初期，组合梁整体性较好，呈弹性状态，变形稳定发展；当加载至252KN时，检 查组合梁发现，在底部连接作用的小块钢板之间出现了沿组合梁宽度方向的细长裂缝;加 载至414KN时，底部裂缝发展较快，多条裂缝贯穿底面，上部的混凝土层与砖砌体层之间的 某些地方出现细小横向裂缝;加载至432KN时，响声变多，铰支座下的混凝土层与砖砌体层 之间的细小横向裂缝发展至端部，在端部出现似断层现象，铰支座下的混凝土在向下45°方 向有细微斜裂缝出现;随着荷载的增加，上部的混凝土层与砖砌体层之间不断有新的横向 裂缝出现且伴随有胶体撕裂的啪啪声，底部裂缝也不断有新的出现，且不断变长变宽；当加 载至531KN时，荷载回落速度大于加载速度，组合梁挠度发展速度明显增快，整个混凝土层 与砖砌体层之间布满细小横向裂缝，分配梁的铰支座向下45°方向有斜裂缝的混凝土破坏 严重，且有向外鼓出的趋势，铰支座下的钢板屈服，定义此时的组合梁为破坏状态;再卸载 到零，组合梁有明显的回升现象。
[0133] 组合梁的荷载-应变曲线如图57~图61所示。
[0134] 由图57~图61可以看出，当荷载较小时，试件ZHL-5的各个截面的钢板荷载-应变 曲线都近似为线性关系，当荷载加至一个较大数值以后，各截面的钢板荷载-应变曲线渐渐 呈现出了不同的增长趋势。总体来看，在同一条件下，偏右截面的应变要普遍大于偏左截 面，最终破坏也是在右四分之一跨加载点所在的截面，说明组合梁的受力有一点偏右。由图 57，1-1截面从开始直至加载到破坏，钢板的荷载-应变曲线一直保持较好的线性关系发展， 且最后的应变也不是很大，说明该截面钢板直到组合梁破坏也没有达到屈服，能够继续承 载。由图60,当加载至400KN左右时，右四分之一截面的钢板荷载-应变曲线渐渐出现了非线 性发展的趋势，应变增长速度加快，这是由于4-4截面上的混凝土渐渐受到了破坏，其上部 钢板渐渐屈服。由图57、58、60，组合梁跨中的几个截面钢板荷载-应变曲线都出现了不同程 度的非线性发展，应变增长速度加快，这是由于随着荷载的增大，1-1截面的钢板逐渐屈服， 退出工作，内力重新分布，导致中间几个截面的内力增大。由图58可以看出，当加载值达到 一个较大数值以后，测点2-4的读数要比测点2-5大，这是由于图7反映的跨中截面底部有连 接作用的小块钢板，小块钢板的存在约束了侧向钢板底部的拉伸作用。
[0135] 组合梁的截面应变沿梁高的分布如图62~图66所示。
[0136] 由图62~图66可以看出，除了几个较大荷载作用下的曲线，每个截面的上部4个点 的应变基本为直线分布，符合平截面的假定，而每个截面的最下面的一个点的应变增长受 到了不同程度的约束，这是因为受到了底部小块钢板的影响。随着荷载的增加，中和轴有轻 微的下移，这是由于随着荷载的增加，混凝土层退出整体，上部钢板逐渐受压屈曲。
[0137] 组合梁的荷载-挠度变化曲线如图67所示。由图67可以看出，当荷载较小时，组合 梁的挠度随着荷载的增大变化较小，当加载到500KN以后，挠度的增大速度明显加快。其实， 当荷载较小时，组合梁的荷载-挠度曲线关系是线性的（由于挠度读数的精度问题，没有表 现得很明显），钢板没有达到屈服应变，组合梁处于弹性工作阶段，组合梁整体刚度较大，挠 度变化较小。当加载至500KN左右时，组合梁的挠度增大速度加快，组合梁的荷载-挠度曲线 呈现非线性增长趋势，说明组合梁中的部分钢板达到屈服，组合梁进入弹塑性工作阶段，组 合梁刚度不断减小。
[0138] 8.试验结果分析
[0139] 8.1破坏形态分析
[0140]根据粉刷层与灌注材料的不同，组合梁可以分为三组，因此也形成了三种不同的 破坏形态。
[0141] 无粉刷层，只用高强灌浆料灌注的ZHL-1和ZHL-2,当荷载较小时，上部混凝土、下 部砖砌体以及侧向钢板作为一个整体，具有较强的刚度，其荷载-应变呈线性状态，变形稳 定发展。当加载至一个较大荷载后，加载点附近的侧向钢板的上部渐渐与砖砌体脱离，随后 整个试件的变形加快，组合梁的中和轴微微下移，与砖砌体脱离的钢板逐渐屈服，退出工 作，最终屈曲，导致试件破坏。
[0142] 粉刷层为水泥砂浆，灌注材料为结构胶的ZHL-3和ZHL-4，当荷载较小时，上部混凝 土、下部砖砌体以及侧向钢板作为一个整体，具有较强的刚度，其荷载-应变呈线性状态，变 形稳定发展。当加载至一个较大荷载后，上部的混凝土层与砖砌体层之间不断有横向裂缝 出现，最终形成脱层，组合梁刚度减小，且随着荷载的增加，分配梁支座下的侧向钢板逐渐 受压屈曲，试件破坏。
[0143] 粉刷层为高延性混凝土，灌注材料为结构胶的ZHL-5和ZHL-6，其破坏形态与ZHL-3 和ZHL-4类似，只是其承载能力更大，且最终破坏时，上部混凝土的破坏较为严重。
[0144] 8.2承载能力分析
[0145] 由试验破坏过程和试验结果可知，试件梁破坏时总是侧向钢板的上部首先达到屈 月艮，随后整个试件梁破坏，屈服荷载定义为试件梁中的侧向钢板的上部达到屈服的前一级 荷载;本次试验的组合梁上部有相当于楼板作用的混凝土层，滑移荷载定义为混凝土层与 砖砌体层之间出现横向裂缝的前一级荷载；因本试验为破坏试验，极限荷载定义为对试件 梁加载到不能继续增加荷载时的最大荷载。根据这个确定方法，得到各试件梁的滑移荷载、 屈服荷载和极限荷载，如表7所示。
[0146] 表7各组合梁的滑移荷载、屈服荷载和极限荷载对比分析
[0147] 由表7可知，ZHL-1和ZHL-2的屈服荷载和极限荷载都比较接近，些许的差别可能是 由于制作时的缺陷引起的，可忽略不计，由于其承载能力较低，所以还没达到滑移荷载，就 已屈服破坏;ZHL-3和ZHL-4的几个荷载都几乎一样，但ZHL-4在设计时的螺栓间距较ZHL-3 要密，说明螺栓虽然对提高钢板和砖砌体的整体性作用很大，但是其间距达到一定程度之 后，再加密对提高组合梁的承载力作用不大，因为各组合梁的破坏都是由于钢板上部受压 屈曲破坏，所以整体性地加密螺栓起到的作用不是很大，可以考虑钢板受压屈曲破坏位置 的螺栓进行加密以提高组合梁的承载力，另外，ZHL-3和ZHL-4的极限荷载的平均值较ZHL-1 和ZHL-2提高了 21.8%，说明结构胶相对于高强灌浆料增强了钢板和砖砌体之间的粘结力， 更有效地提高了钢板抵抗局部单向压曲失稳的能力;ZHL-5和ZHL-6的极限荷载的平均值较 ZHL-3和ZHL-4提高了 10.8%，说明高延性混凝土相对于普通的水泥砂浆，更能够提高组合梁 的整体性，增强组合梁的承载能力;ZHL-3~ZHL-6的屈服荷载和极限荷载非常的接近，说明 组合梁的钢板上部达到屈服以后，组合梁的挠度会迅速增长，很快达到失稳破坏，由此可以 看出，结构胶虽然能够有效提高组合梁的承载力，但是对于组合梁的塑性增长贡献不大。
[0148] 8.3变形分析
[0149] 各组合梁挠度变化情况如图68所示。
[0150] 由图68和各组合梁的实验现象可知，组合梁在其上部钢板受压屈曲前挠度变化很 小，成线性关系，且在同一个较小荷载的作用下，各组合梁的挠度几乎无差别，这是因为组 合梁在屈服前的主要受力构件是相同的，且在屈服前，整个组合梁的刚度很大，抵抗变形的 能力很强，组合梁处于弹性工作阶段;试件ZHL-1和ZHL-2的屈服荷载和极限荷载都较低，当 组合梁的上部钢板受压屈曲后，挠度增大的速度加快，荷载-挠度曲线呈现非线性增长趋 势，组合梁进入弹塑性工作阶段，接近极限荷载时，试件的刚度显著降低，挠度明显增大，其 变形经历了一个较长的发展过程;试件ZHL-3~ZHL-6的屈服荷载都比较高，当组合梁的上 部钢板受压屈曲后，荷载增加很小时挠度就迅速增长，最终导致试件破坏。
[0151] 9.试验结论
[0152] 通过对6根钢板-砖砌体组合梁试件进行加载试验，并对试验现象、试验数据等方 面进行深入分析，得出以下结论：
[0153] 1.钢板与砖砌体的组合梁结构，在粘结材料的选择上，结构胶要优于高强灌浆料， 承载力可提高21.8%;在粉刷层材料的选择上，高延性混凝土要优于普通的水泥砂浆，承载 力可提高10.8%。但是，结构胶和高延性混凝土的价格要高于高强灌浆料和水泥砂浆，所以 实际工程中，要综合考虑各种因素，适当选择材料。
[0154] 2.本次试验的组合梁的破坏都是由于加载点附近侧向钢板的上部在螺栓之间的 受压屈曲所造成的，因此可以考虑在此位置局部加密螺栓布置以提高组合梁的承载力，而 整体性的螺栓加密对于组合梁的承载力的提高作用不大。
[0155] 3.底部连接作用的小块钢板的存在，能够加强组合梁的整体性，但是由于小块钢 板是间隔布置的，容易导致底部钢板的受力不均匀，容易形成应力集中。
[0156] 4.钢板的应变分布沿截面高度，除在底部一小段会受到连接作用的小块钢板的影 响，其它部分在其压曲或屈服之前是符合平截面假定的。
[0157] 5.组合梁在其上部钢板达到屈服之前，挠度变化非常小，且呈线性关系，但是用结 构胶作为粘结材料的组合梁在其上部钢板屈服之后，试件的刚度迅速降低，挠度迅速增大， 说明这种组合结构的塑性变形能力较差。
[0158] 6.通过试验数据和理论数据的对比，且考虑一定的安全度，粉刷层为普通水泥砂 浆，粘结材料为结构胶的组合梁可以按照规范中组合梁的塑性理论进行计算设计。无粉刷 层，粘结材料为高强灌浆料的组合梁可以乘以一个小于1的系数进行计算设计;粉刷层为高 延性混凝土，粘结材料为结构胶的组合梁可以乘以一个大于1的系数进行计算设计。
[0159] 实施例1
[0160] 利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构，结合图1、图2和图4所示，包括钢板10、 砖砌体和混凝土 40:
[0161] 钢板包括设置于砖砌体两侧的第一钢板和间隔地设置于砖砌体底部的第二钢板， 第一钢板与第二钢板连接，且第一钢板采用对拉螺栓20固定;楼板40设置于砖砌体的上部。
[0162] 钢板10与砖砌体的结合方式为:将没有粉刷的砖砌体用自流式的灌浆料与钢板连 接在一起。
[0163] 具体实施托换操作时，包括以下步骤：
[0164] 先拆除原有砖墙上的粉刷层，再在相应螺栓的砖墙位置钻孔，再在第一钢板的相 应位置钻孔，然后用对拉螺栓进行固定，再将第二钢板相应位置的砖块凿掉，将第二钢板与 第一钢板焊接，接着进行堵漏处理，然后灌注灌浆料，待托换结构达到一定强度后，拆除底 部剩余砖墙。
[0165] 实施例2
[0166] 本实施例基本同实施例1，唯有不同之处在于:钢板10与砖砌体的结合方式为：先 对砖砌体进行粉刷，再用结构胶将砖砌体与钢板结合在一起。粉刷材料为普通的水泥砂浆 或五和高延性混凝土。此外，对拉螺栓20可以采取局部加密的形式增强组合梁的牢度。
【主权项】
1. 利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构，其特征在于包括钢板、砖砌体和楼板： 所述钢板包括设置于砖砌体两侧的第一钢板和间隔地设置于砖砌体底部的第二钢板， 所述第一钢板和第二钢板连接，且第一钢板采用数个对拉螺栓固定； 所述楼板设置于砖砌体的上部。2. 根据权利要求1所述的利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构，其特征在于:所述 钢板与砖砌体的结合方式为:将没有粉刷的砖砌体用自流式的灌浆料与钢板连接在一起。3. 根据权利要求1所述的利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构，其特征在于:所述 钢板与砖砌体的结合方式为:先对砖砌体进行粉刷，再用结构胶将砖砌体与钢板结合在一 起。4. 根据权利要求3所述的利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构，其特征在于:所述 粉刷材料为普通的水泥砂浆或高延性混凝土。5. 根据权利要求1所述的利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构，其特征在于:所述 对拉螺栓固定的操作步骤为:先在砖砌体里预留孔洞，再在第一钢板相应位置钻孔，最后穿 对拉螺栓固定。6. 根据权利要求1或5所述的利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构，其特征在于： 所述对拉螺栓间距为280-350mm。7. 根据权利要求1所述的利于大空间改造的砖混形式的组合梁结构，其特征在于:所述 第一钢板与第二钢板通过焊接的方式连接。
【文档编号】E04C3/293GK205688660SQ201620644947
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月24日 公开号201620644947.0, CN 201620644947, CN 205688660 U, CN 205688660U, CN-U-205688660, CN201620644947, CN201620644947.0, CN205688660 U, CN205688660U
【发明人】陈信堂, 王浩
【申请人】陈信堂