現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架組合墻平面外偏心受壓試驗(yàn)研究

董曉龍， 張華剛 ，吳　琴，劉卓群

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550003)

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現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架組合墻平面外偏心受壓試驗(yàn)研究

董曉龍， 張華剛*，吳琴，劉卓群

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550003)

為研究現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架組合墻的平面外偏心受壓性能，按1/3縮尺比例制作4組試件進(jìn)行偏心距為40 mm的豎向加載試驗(yàn)，每組試件均含2榀組合墻和1榀網(wǎng)格式框架。結(jié)果表明：試件的樓層梁先于層間梁開裂，中柱先于邊柱被壓潰，試件破壞時，組合墻上可見明顯的現(xiàn)澆磷石膏崩塌現(xiàn)象；組合墻開洞對結(jié)構(gòu)承載力有明顯影響，未開洞組合墻的承載力約為網(wǎng)格式框架承載力的1.5倍，而開洞組合墻的承載力與網(wǎng)格式框架的承載力相當(dāng)；現(xiàn)澆磷石膏可以有效分擔(dān)結(jié)構(gòu)的豎向偏心荷載，在同級偏心豎向荷載作用下，組合墻中混凝土構(gòu)件的壓應(yīng)力明顯低于純網(wǎng)格式框架構(gòu)件的壓應(yīng)力；彈性有限元分析的應(yīng)力結(jié)果與試件開裂前的應(yīng)力測試結(jié)果誤差較小，明顯表明現(xiàn)澆磷石膏的強(qiáng)度貢獻(xiàn)作用。

現(xiàn)澆磷石膏；網(wǎng)格式框架；組合墻；平面外偏心受壓；試驗(yàn)研究

我國的磷礦資源十分豐富，濕法生產(chǎn)磷酸后排放了大量磷石膏，單是貴州省磷石膏的年排放量就達(dá)1500萬噸[1]。磷石膏的堆存不僅占用大量土地，而且極易造成環(huán)境的二次污染，致使磷酸企業(yè)面臨越來越大的環(huán)保壓力，已成為制約其可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。當(dāng)前對磷石膏的開發(fā)主要在建材和化工產(chǎn)品方面[2]，在建材上主要是用其生產(chǎn)水泥緩凝劑、石膏砌塊和板材，因此有必要尋求磷石膏在建筑工程中應(yīng)用的新途徑。

馬克儉，等[3]提出了磷石膏在建筑工程中現(xiàn)澆應(yīng)用的新思路，曹建新，等[4]對現(xiàn)澆磷石膏進(jìn)行了改性研究。將現(xiàn)澆磷石膏與混凝土網(wǎng)格式框架相結(jié)合，得到一種集節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化的新型組合承重墻體結(jié)構(gòu)[5]，它以混凝土網(wǎng)格式框架為主要承重骨架，將現(xiàn)澆磷石膏充填在框架網(wǎng)格間可以充分發(fā)揮其強(qiáng)度和剛度作用[6]，工程實(shí)踐表明這種組合墻結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在小高層建筑中，磷石膏的用量基本可與混凝土用量持平[7]。為便于工程應(yīng)用，盧亞琴，等[8]開展了組合墻的抗震性能試驗(yàn)研究，表明結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的耗能能力，張華剛，等[9]測得現(xiàn)澆磷石膏的立方體抗壓強(qiáng)度為2.7～10.4 MPa，材料分項(xiàng)系數(shù)為1.9，吳琴，等[10]通過試驗(yàn)研究給出了現(xiàn)澆磷石膏的材料本構(gòu)關(guān)系。

作為豎向承重結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架組合墻將承受樓蓋傳遞的豎向荷載作用，本文主要通過試驗(yàn)研究討論其平面外偏心受壓的力學(xué)性能，以期為工程應(yīng)用提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)概況

1.1現(xiàn)澆磷石膏原材料

現(xiàn)澆磷石膏由磷石膏、磷渣微粉、熟石灰、水泥、減水劑和緩凝劑加水?dāng)嚢铦仓蒣4]，試驗(yàn)所用磷石膏和磷渣微粉均取自甕福集團(tuán)馬場坪磷酸廠。磷石膏的石膏相組成見表1；磷渣微粉的化學(xué)成分如表2所示，其比表面積為380～420 m2/kg；熟石灰的有效CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于60%；水泥為P.O325普通硅酸鹽水泥；聚羧酸減水劑的濃度不低于10%；緩凝劑為檸檬酸鈉；水灰比為0.43。各組分的質(zhì)量配合比見表3。

表1　磷石膏的石膏相組成　%

表2　磷渣微粉的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

表3　現(xiàn)澆磷石膏的質(zhì)量配合比　%

1.2試件設(shè)計與制作

本文按1/3縮尺比例制作了4組試件，每組試件均含2榀組合墻，其中第3組和第4組試件為開洞墻，試件尺寸如圖1所示，圖中陰影區(qū)域示意現(xiàn)澆磷石膏。每組試件均取消現(xiàn)澆磷石膏后另做1榀同尺寸網(wǎng)格式框架作對比試件。全部試件的樓層梁截面寬度均為166 mm，基礎(chǔ)梁截面寬度均為240 mm，其余構(gòu)件截面寬度(墻厚)均為83 mm。

試件混凝土強(qiáng)度等級為C20，混凝土構(gòu)件配筋見圖2，其中基礎(chǔ)梁縱筋強(qiáng)度等級為HRB400級，箍筋強(qiáng)度等級為HPB300級；其余構(gòu)件縱筋強(qiáng)度等級均為HPB300級，箍筋為鍍鋅鐵絲。全部試件均平臥澆筑，養(yǎng)護(hù)28 d后翻身吊裝進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1　試件的幾何尺寸

圖2　混凝土構(gòu)件配筋圖

1.3加載裝置

為便于試件底部嵌固，試驗(yàn)前在基礎(chǔ)上預(yù)埋鋼板焊接地槽，試件翻身就位后采用對穿螺栓緊固，加載裝置如圖3所示。荷載由250 t油壓千斤頂逐級施加至試件破壞，每級荷載值為150 kN，穩(wěn)荷時間為6～8 min，豎向力的偏心距為40 mm。

圖3　加載裝置

1.4測點(diǎn)布置與測量內(nèi)容

試驗(yàn)主要量測混凝土和磷石膏的應(yīng)變，測點(diǎn)布置根據(jù)結(jié)構(gòu)彈性分析的結(jié)果進(jìn)行，如圖4所示，沿墻厚方向在混凝土構(gòu)件上同一位置處布置了2個應(yīng)變測點(diǎn)。網(wǎng)格式框架的應(yīng)變測點(diǎn)布置同組合墻上的混凝土構(gòu)件應(yīng)變測點(diǎn)，墻體平面上的測點(diǎn)均兩側(cè)對稱布置。應(yīng)變用DH3819靜態(tài)應(yīng)變儀采集。

圖4　應(yīng)變測點(diǎn)布置

2　試驗(yàn)現(xiàn)象

對于現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架組合墻，加載至破壞荷載的15%左右時，現(xiàn)澆磷石膏與混凝土豎向交界面處產(chǎn)生裂縫；加載至破壞荷載的20%～35%時，樓層梁加載板下和層間梁上產(chǎn)生豎向裂縫；繼續(xù)加載至破壞荷載的50%～70%時，伴隨樓層梁和層間梁裂縫的開展，現(xiàn)澆磷石膏墻上產(chǎn)生裂縫，中柱開始產(chǎn)生水平裂縫。破壞時中柱先被壓潰，而后邊柱壓潰破壞，現(xiàn)澆磷石膏出現(xiàn)明顯的崩塌現(xiàn)象，裂縫分布如圖5所示。

對于混凝土網(wǎng)格式框架，加載至破壞荷載的20%左右時，加載板下樓層梁開始產(chǎn)生裂縫；加載至破壞荷載的40%左右時，層間梁產(chǎn)生裂縫，在其裂縫開展的同時，中柱產(chǎn)生水平裂縫；破壞仍然是中柱先于邊柱被壓潰。試驗(yàn)過程的裂縫分布如圖6所示。

圖5　組合墻的裂縫分布圖

圖6　網(wǎng)格式框架的裂縫分布圖

試件破壞后，上部可見明顯的傾角而下部基本直立，如圖7(a)所示，兩種試件的中柱壓潰情況分別如圖7(b)和圖7(c)所示。

圖7　試件的破壞情況

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1承載力

以混凝土構(gòu)件出現(xiàn)第一批裂縫確定結(jié)構(gòu)的開裂荷載Pc，以中柱被壓潰確定結(jié)構(gòu)的破壞荷載Pu，結(jié)果如表4所示，其中組合墻的開裂荷載和破壞荷載均為同組試件的平均值?？梢姼鹘M試件中網(wǎng)格式框架與組合墻的開裂荷載之比較為接近，約在70%左右；組合墻開洞對結(jié)構(gòu)破壞荷載的影響較大，對于未開洞的組合墻，其破壞荷載約為網(wǎng)格式框架的1.5倍，而開設(shè)洞口后，墻體破壞受洞邊立柱的影響，其整體承載力與網(wǎng)格式框架相當(dāng)。

表4　試件的開裂荷載和破壞荷載

3.2應(yīng)力測試結(jié)果

對試件高度中部截面，將試驗(yàn)全過程的實(shí)測壓應(yīng)變應(yīng)用材料彈性模量轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，以期近似考察現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架的受力情況及現(xiàn)澆磷石膏的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，試件應(yīng)力的平均結(jié)果如圖8，其中現(xiàn)澆磷石膏的彈性模量為Ep=5300 N/mm2，泊松比為ν=0.19。圖9為相同位置處網(wǎng)格式框架試件的應(yīng)力實(shí)測結(jié)果。

可見兩種試件的壓應(yīng)力測試結(jié)果大體隨荷載按線性增長，其中現(xiàn)澆磷石膏的壓應(yīng)力增長梯度較小，且由于現(xiàn)澆磷石膏參與工作，致使同級荷載作用下，組合墻中的網(wǎng)格式框架的壓應(yīng)力明顯低于純網(wǎng)格式框架的壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力的對比結(jié)果如表5所示，對于未開洞組合墻，其混凝土構(gòu)件的最大壓應(yīng)力約占網(wǎng)格式框架構(gòu)件最大壓應(yīng)力的65%；而開洞組合墻的混凝土構(gòu)件最大壓應(yīng)力與網(wǎng)格式框架混凝土構(gòu)件的最大壓應(yīng)力相當(dāng)。

圖8　組合墻實(shí)測壓應(yīng)力

圖9　網(wǎng)格式框架實(shí)測壓應(yīng)力

分組結(jié)構(gòu)左側(cè)邊柱左側(cè)中柱右側(cè)中柱右側(cè)邊柱第1組網(wǎng)格式框架σc/N·mm-2-57.27-76.03-60.28-49.93組合墻σp/N·mm-2-26.54-29.35-32.18-32.35σP/σc0.460.390.530.65第2組網(wǎng)格式框架σc/N·mm-2-46.96-61.15-73.66-42.36組合墻σp/N·mm-2-29.97-35.14-21.14-19.91σP/σc0.640.570.290.47第3組網(wǎng)格式框架σc/N·mm-2-37.26-56.79-79.15-39.98組合墻σp/N·mm-2-28.63-44.19-62.83-36.33σP/σc0.770.780.790.91第4組網(wǎng)格式框架σc/N·mm-2-64.95-107.10-91.11-65.74組合墻σp/N·mm-2-58.47-51.61-57.58-57.98σP/σc0.900.480.630.88

4　有限元分析

取試件開裂前的應(yīng)變換算為應(yīng)力，并在同級荷載下對全部混凝土構(gòu)件及現(xiàn)澆磷石膏應(yīng)用8節(jié)點(diǎn)塊體單元進(jìn)行彈性有限元分析，試件高度中部測點(diǎn)處的應(yīng)力對比結(jié)果如表6所示，其中混凝土彈性模量為Ec=2.55×104N/mm2，泊松比為ν=0.2，現(xiàn)澆磷石膏彈性模量為Ep=5300 N/mm2，泊松比為ν=0.19。

可見，除第1組試件左側(cè)中柱的壓應(yīng)力試驗(yàn)值比有限元計算值大19%外，其余測點(diǎn)處的壓應(yīng)力計算值與試驗(yàn)值的平均誤差約為7.21%，誤差產(chǎn)生的原因大體有試件制作、安裝、試件底部的嵌固、加載的不均勻性及偏心影響等，但仍可看出現(xiàn)澆磷石膏墻體的強(qiáng)度貢獻(xiàn)作用。

5　結(jié)論

(1)偏心豎向壓力作用下，結(jié)構(gòu)破壞前，現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架的樓層梁先于層間梁開裂，破壞時中柱先于邊柱被壓潰，破壞時可見現(xiàn)澆磷石膏的明顯崩塌現(xiàn)象。

(2)以柱被壓潰為破壞標(biāo)志，洞口開設(shè)對結(jié)構(gòu)承載力的影響較為明顯，未開洞的組合墻，其承載力約為網(wǎng)格式框架破壞荷載的1.5倍，而開洞墻的承載力與純網(wǎng)格式框架相當(dāng)。

表6　組合墻有限元分析與試驗(yàn)的應(yīng)力對比

(3)現(xiàn)澆磷石膏可有效承擔(dān)組合墻的豎向偏心壓力，同級荷載作用下，組合墻中混凝土構(gòu)件的壓應(yīng)力明顯低于純網(wǎng)格式框架構(gòu)件的壓應(yīng)力。

(4)彈性有限元分析的結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果的平均誤差約為7.21%，分析結(jié)果可明顯表明現(xiàn)澆磷石膏的強(qiáng)度貢獻(xiàn)作用。

[1] 陳彥萍，甘四洋，萬軍，等．貴州省磷石膏的基本性能及應(yīng)用研究[J]．磚瓦，2015(2)：27-30．

[2] 楊毅．甕福集團(tuán)區(qū)域磷石膏產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況及規(guī)劃[J]．硫酸工業(yè)，2011(6)：4-7．

[3] 馬克儉，張華剛，高國富，等．磷石膏在大開間靈活劃分居室住宅建筑中的綜合應(yīng)用可行性研究報告[R]．貴陽：貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，2007:23-56．

[4] 曹建新，楊林，林倩，等．磷建筑石膏墻體灌漿料及現(xiàn)場施工研究報告[R]．貴陽：貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，2009：8-12．

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[6] 吳琴．現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架組合墻平面內(nèi)偏心受壓力學(xué)性能的理論分析與試驗(yàn)研究[D]．貴陽：貴州大學(xué)，2014：32-47．

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(責(zé)任編輯：周曉南)

Out-of-plane Eccentric Compressive Experimental Study on Grid Framework Composite Wall with Cast-in-situ Phosphogypsum-concrete

DONG Xiaolong，ZHANG Huagang*，WU Qin，LIU Zhuoqun

(Space Structure Research Center，Guizhou University，Guiyang 550003， China)

To study the out-of-plane eccentric compressive behavior of grid framework composite wall with cast-in-situ phosphogypsum-concrete, experimental research with 40 mm eccentric distance under vertical load was conducted on four groups of specimens designed according to the proportion of 1/3, and each group of specimens contains two composite walls and a grid framework. Results show that the crack propagation of floor beams antecedes to the beams between the layers, and the concrete crushing of center columns antecedes to side columns. Obvious collapse of cast-in-situ phosphogypsum appeared at the composite wall when the specimens were damaging. Composite wall with opening holes has significant effect on the bearing capacity of structures. The bearing capacity of composite wall with no holes is about 1.5 times that of grid framework. And the bearing capacity of composite wall with opening holes roughly equal to that of the grid framework. The vertical eccentric loading could be shared effectively by cast-in-situ phosphogypsum, compressive stress of concrete components of composite wall lower than the compressive stress of grid framework components significantly. There is a less stress error between elastic finite element analysis results and the actual test results, and the positive contribution of cast-in-situ phosphogypsum was revealed.

cast-in-situ phosphogypsum；grid framework；composite wall；out of plane eccentric compressive；experimental study

A

1000-5269(2016)03-00114-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.27

2015-12-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51168008)

董曉龍(1987-)，男，在讀碩士，研究方向：新型建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及應(yīng)用，Email：631997998@qq.com.

張華剛，Email：zhg0618@163.com．

TU398.9;TU317.1