现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙平面外偏心受压试验研究

董晓龙， 张华刚 ，吴　琴，刘卓群

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)



现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙平面外偏心受压试验研究

董晓龙， 张华刚*，吴琴，刘卓群

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)

为研究现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙的平面外偏心受压性能，按1/3缩尺比例制作4组试件进行偏心距为40 mm的竖向加载试验，每组试件均含2榀组合墙和1榀网格式框架。结果表明：试件的楼层梁先于层间梁开裂，中柱先于边柱被压溃，试件破坏时，组合墙上可见明显的现浇磷石膏崩塌现象；组合墙开洞对结构承载力有明显影响，未开洞组合墙的承载力约为网格式框架承载力的1.5倍，而开洞组合墙的承载力与网格式框架的承载力相当；现浇磷石膏可以有效分担结构的竖向偏心荷载，在同级偏心竖向荷载作用下，组合墙中混凝土构件的压应力明显低于纯网格式框架构件的压应力；弹性有限元分析的应力结果与试件开裂前的应力测试结果误差较小，明显表明现浇磷石膏的强度贡献作用。

现浇磷石膏；网格式框架；组合墙；平面外偏心受压；试验研究

我国的磷矿资源十分丰富，湿法生产磷酸后排放了大量磷石膏，单是贵州省磷石膏的年排放量就达1500万吨[1]。磷石膏的堆存不仅占用大量土地，而且极易造成环境的二次污染，致使磷酸企业面临越来越大的环保压力，已成为制约其可持续发展的关键因素。当前对磷石膏的开发主要在建材和化工产品方面[2]，在建材上主要是用其生产水泥缓凝剂、石膏砌块和板材，因此有必要寻求磷石膏在建筑工程中应用的新途径。

马克俭，等[3]提出了磷石膏在建筑工程中现浇应用的新思路，曹建新，等[4]对现浇磷石膏进行了改性研究。将现浇磷石膏与混凝土网格式框架相结合，得到一种集节能与结构一体化的新型组合承重墙体结构[5]，它以混凝土网格式框架为主要承重骨架，将现浇磷石膏充填在框架网格间可以充分发挥其强度和刚度作用[6]，工程实践表明这种组合墙结构具有优良的技术经济指标，在小高层建筑中，磷石膏的用量基本可与混凝土用量持平[7]。为便于工程应用，卢亚琴，等[8]开展了组合墙的抗震性能试验研究，表明结构具有较强的耗能能力，张华刚，等[9]测得现浇磷石膏的立方体抗压强度为2.7～10.4 MPa，材料分项系数为1.9，吴琴，等[10]通过试验研究给出了现浇磷石膏的材料本构关系。

作为竖向承重结构，现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙将承受楼盖传递的竖向荷载作用，本文主要通过试验研究讨论其平面外偏心受压的力学性能，以期为工程应用提供参考。

1　实验概况

1.1现浇磷石膏原材料

现浇磷石膏由磷石膏、磷渣微粉、熟石灰、水泥、减水剂和缓凝剂加水搅拌浇筑而成[4]，试验所用磷石膏和磷渣微粉均取自瓮福集团马场坪磷酸厂。磷石膏的石膏相组成见表1；磷渣微粉的化学成分如表2所示，其比表面积为380～420 m2/kg；熟石灰的有效CaO质量分数不低于60%；水泥为P.O325普通硅酸盐水泥；聚羧酸减水剂的浓度不低于10%；缓凝剂为柠檬酸钠；水灰比为0.43。各组分的质量配合比见表3。

表1　磷石膏的石膏相组成　%

表2　磷渣微粉的化学成分(质量分数)　%

表3　现浇磷石膏的质量配合比　%

1.2试件设计与制作

本文按1/3缩尺比例制作了4组试件，每组试件均含2榀组合墙，其中第3组和第4组试件为开洞墙，试件尺寸如图1所示，图中阴影区域示意现浇磷石膏。每组试件均取消现浇磷石膏后另做1榀同尺寸网格式框架作对比试件。全部试件的楼层梁截面宽度均为166 mm，基础梁截面宽度均为240 mm，其余构件截面宽度(墙厚)均为83 mm。

试件混凝土强度等级为C20，混凝土构件配筋见图2，其中基础梁纵筋强度等级为HRB400级，箍筋强度等级为HPB300级；其余构件纵筋强度等级均为HPB300级，箍筋为镀锌铁丝。全部试件均平卧浇筑，养护28 d后翻身吊装进行试验。

图1　试件的几何尺寸

图2　混凝土构件配筋图

1.3加载装置

为便于试件底部嵌固，试验前在基础上预埋钢板焊接地槽，试件翻身就位后采用对穿螺栓紧固，加载装置如图3所示。荷载由250 t油压千斤顶逐级施加至试件破坏，每级荷载值为150 kN，稳荷时间为6～8 min，竖向力的偏心距为40 mm。

图3　加载装置

1.4测点布置与测量内容

试验主要量测混凝土和磷石膏的应变，测点布置根据结构弹性分析的结果进行，如图4所示，沿墙厚方向在混凝土构件上同一位置处布置了2个应变测点。网格式框架的应变测点布置同组合墙上的混凝土构件应变测点，墙体平面上的测点均两侧对称布置。应变用DH3819静态应变仪采集。

图4　应变测点布置

2　试验现象

对于现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙，加载至破坏荷载的15%左右时，现浇磷石膏与混凝土竖向交界面处产生裂缝；加载至破坏荷载的20%～35%时，楼层梁加载板下和层间梁上产生竖向裂缝；继续加载至破坏荷载的50%～70%时，伴随楼层梁和层间梁裂缝的开展，现浇磷石膏墙上产生裂缝，中柱开始产生水平裂缝。破坏时中柱先被压溃，而后边柱压溃破坏，现浇磷石膏出现明显的崩塌现象，裂缝分布如图5所示。

对于混凝土网格式框架，加载至破坏荷载的20%左右时，加载板下楼层梁开始产生裂缝；加载至破坏荷载的40%左右时，层间梁产生裂缝，在其裂缝开展的同时，中柱产生水平裂缝；破坏仍然是中柱先于边柱被压溃。试验过程的裂缝分布如图6所示。

图5　组合墙的裂缝分布图

图6　网格式框架的裂缝分布图

试件破坏后，上部可见明显的倾角而下部基本直立，如图7(a)所示，两种试件的中柱压溃情况分别如图7(b)和图7(c)所示。

图7　试件的破坏情况

3　试验结果及分析

3.1承载力

以混凝土构件出现第一批裂缝确定结构的开裂荷载Pc，以中柱被压溃确定结构的破坏荷载Pu，结果如表4所示，其中组合墙的开裂荷载和破坏荷载均为同组试件的平均值。可见各组试件中网格式框架与组合墙的开裂荷载之比较为接近，约在70%左右；组合墙开洞对结构破坏荷载的影响较大，对于未开洞的组合墙，其破坏荷载约为网格式框架的1.5倍，而开设洞口后，墙体破坏受洞边立柱的影响，其整体承载力与网格式框架相当。

表4　试件的开裂荷载和破坏荷载

3.2应力测试结果

对试件高度中部截面，将试验全过程的实测压应变应用材料弹性模量转化为压应力，以期近似考察现浇磷石膏-混凝土网格式框架的受力情况及现浇磷石膏的强度贡献，试件应力的平均结果如图8，其中现浇磷石膏的弹性模量为Ep=5300 N/mm2，泊松比为ν=0.19。图9为相同位置处网格式框架试件的应力实测结果。

可见两种试件的压应力测试结果大体随荷载按线性增长，其中现浇磷石膏的压应力增长梯度较小，且由于现浇磷石膏参与工作，致使同级荷载作用下，组合墙中的网格式框架的压应力明显低于纯网格式框架的压应力，最大压应力的对比结果如表5所示，对于未开洞组合墙，其混凝土构件的最大压应力约占网格式框架构件最大压应力的65%；而开洞组合墙的混凝土构件最大压应力与网格式框架混凝土构件的最大压应力相当。

图8　组合墙实测压应力

图9　网格式框架实测压应力

分组结构左侧边柱左侧中柱右侧中柱右侧边柱第1组网格式框架σc/N·mm-2-57.27-76.03-60.28-49.93组合墙σp/N·mm-2-26.54-29.35-32.18-32.35σP/σc0.460.390.530.65第2组网格式框架σc/N·mm-2-46.96-61.15-73.66-42.36组合墙σp/N·mm-2-29.97-35.14-21.14-19.91σP/σc0.640.570.290.47第3组网格式框架σc/N·mm-2-37.26-56.79-79.15-39.98组合墙σp/N·mm-2-28.63-44.19-62.83-36.33σP/σc0.770.780.790.91第4组网格式框架σc/N·mm-2-64.95-107.10-91.11-65.74组合墙σp/N·mm-2-58.47-51.61-57.58-57.98σP/σc0.900.480.630.88

4　有限元分析

取试件开裂前的应变换算为应力，并在同级荷载下对全部混凝土构件及现浇磷石膏应用8节点块体单元进行弹性有限元分析，试件高度中部测点处的应力对比结果如表6所示，其中混凝土弹性模量为Ec=2.55×104N/mm2，泊松比为ν=0.2，现浇磷石膏弹性模量为Ep=5300 N/mm2，泊松比为ν=0.19。

可见，除第1组试件左侧中柱的压应力试验值比有限元计算值大19%外，其余测点处的压应力计算值与试验值的平均误差约为7.21%，误差产生的原因大体有试件制作、安装、试件底部的嵌固、加载的不均匀性及偏心影响等，但仍可看出现浇磷石膏墙体的强度贡献作用。

5　结论

(1)偏心竖向压力作用下，结构破坏前，现浇磷石膏-混凝土网格式框架的楼层梁先于层间梁开裂，破坏时中柱先于边柱被压溃，破坏时可见现浇磷石膏的明显崩塌现象。

(2)以柱被压溃为破坏标志，洞口开设对结构承载力的影响较为明显，未开洞的组合墙，其承载力约为网格式框架破坏荷载的1.5倍，而开洞墙的承载力与纯网格式框架相当。

表6　组合墙有限元分析与试验的应力对比

(3)现浇磷石膏可有效承担组合墙的竖向偏心压力，同级荷载作用下，组合墙中混凝土构件的压应力明显低于纯网格式框架构件的压应力。

(4)弹性有限元分析的结果与试验实测结果的平均误差约为7.21%，分析结果可明显表明现浇磷石膏的强度贡献作用。

[1] 陈彦萍，甘四洋，万军，等．贵州省磷石膏的基本性能及应用研究[J]．砖瓦，2015(2)：27-30．

[2] 杨毅．瓮福集团区域磷石膏产业发展概况及规划[J]．硫酸工业，2011(6)：4-7．

[3] 马克俭，张华刚，高国富，等．磷石膏在大开间灵活划分居室住宅建筑中的综合应用可行性研究报告[R]．贵阳：贵州大学空间结构研究中心，2007:23-56．

[4] 曹建新，杨林，林倩，等．磷建筑石膏墙体灌浆料及现场施工研究报告[R]．贵阳：贵州大学化学与化工学院，2009：8-12．

[5] 马克俭，高国富，张华刚，等．节能与结构一体化新型钢筋混凝土结构体系[J]．贵州工业大学学报(自然科学版)，2008，37(4)：34-43．

[6] 吴琴．现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙平面内偏心受压力学性能的理论分析与试验研究[D]．贵阳：贵州大学，2014：32-47．

[7] 张华刚，梁凡凡，罗玚，等．基于现浇磷石膏的节能与结构一体化新型墙体结构及其应用[J]．贵州大学学报(自然科学版)，2013，30(1)：104-109．

[8] 卢亚琴，胡岚，马克俭，等．新型RC网格式框架结构墙体试验研究[J]．湖南大学学报(自然科学版)，2013，40(4)：8-14．

[9] 张华刚,吴琴,贾晓飞,等.现浇磷石膏抗压强度的试验研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2016,43(3):127-134.

[10] 吴琴，张华刚，贾晓飞，等．现浇磷石膏应力-应变曲线试验研究[J]．建筑结构学报，2015，36(5)：150-157．

(责任编辑：周晓南)

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

国家自然科学基金项目资助(51168008)

董晓龙(1987-)，男，在读硕士，研究方向：新型建筑结构力学性能及应用，Email：631997998@qq.com.

张华刚，Email：zhg0618@163.com．

TU398.9;TU317.1