现浇磷石膏承重墙及现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙的破坏机理和承载力设计研究

工业固体废渣的资源化利用是当前十分紧迫的环保问题。课题结合磷石膏的利用现状，从节能与结构一体化方面提出了现浇磷石膏承重墙和现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙结构。采用有限元实体建模，系统分析现浇磷石膏承重墙轴心受压、偏心受压和局部受压下的力学性能；利用多构件协同工作的有限元基本理论，全面分析现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙在轴心受压、偏心受压和受剪状态下的内力及变形分布特征，应用试验手段测定现浇磷石膏墙体的抗压强度及应力-应变曲线，以确切的数据揭示两种墙体的力学性能和破坏机理，并建立其承载力计算方法，定量得到组合墙体的抗震性能评价指标，为现浇磷石膏在住宅建筑中的应用提供设计理论。课题对揭示石膏类脆性材料的力学性能具有理论和应用意义，成果应用于城市小高层大开间灵活隔断住宅和农村低层小开间住宅，达到建筑节能和环保目的，应用前景广阔，并提高了磷石膏的资源化利用率，以缓解磷化工企业的污染。

我国的磷矿资源较为丰富，湿法生产磷酸后排放堆存的磷石膏，不仅占用了大量土地，还对环境造成极大污染，而当前对磷石膏的综合利用率较低。本项目结合磷石膏的资源化利用现状，将磷石膏与磷渣微粉、熟石灰、水泥、减水剂和缓凝剂加水搅拌现浇应用，从节能与结构一体化方面提出现浇磷石膏承重墙和现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙结构。本项目通过试验分析提出了现浇磷石膏的9组材料工程配合比，并将其凝结时间延长至30min，且其5d后的含水率降低至2.6%，放射性检测指标满足GB6566-2001的要求。采用试验方法，测定了现浇磷石膏各组材料配合比的抗压强度和弹性模量，给出其材料分项系数为1.9、泊松比为0.19，并提出了现浇磷石膏的三段式本构关系曲线。采用试验方法开展了现浇磷石膏墙体的轴心、偏心及局部受压性能研究工作，建立了墙体受压承载力的计算方法。试验发现现浇磷石膏墙体在局部受压下具有较大的可压缩性。通过对比试验和有限元分析相结合，开展了现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙轴心、平面内偏心和平面外偏心受压性能的研究工作，建立了组合墙的承载力设计方法。结果表明现浇磷石膏在组合墙中充分发挥了力学效应，可以有效约束混凝土网格式框架的变形。组合墙的轴心受压承载力为混凝土网格式框架的2～3倍；组合墙的平面内偏心受压承载力为网格式框架的2倍；组合墙的平面外偏心受压承载力为网格式框架的1.5倍。总体而言，现浇磷石膏可以承担组合墙40%的荷载。三种受力状态下组合墙在破坏时，现浇磷石膏先于网格式框架破坏，而网格式框架的层间横梁先于中柱开裂，中柱的破坏又先于边柱。通过理论分析给出了组合墙抗侧刚度及侧移的解析解，试验结果表明组合墙的抗侧刚度为网格式框架的1.47倍；通过低周往复荷载试验获得了组合墙的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线；结构延性比为10.31，等效粘滞阻尼系数为0.167；为满足工程应用及结构选型需要，还进行了网格式框架静力性能的有限元参数化分析及整体稳定分析，提出了工程应用指导意见，给出了整体稳定临界荷载的计算公式，并进行了农村低层现浇磷石膏住宅的工程实践。本项目研究工作系统性强、重点突出，针对现浇磷石膏这一高度脆性材料展开研究所取得的成果，可为其工程应用提供必要的技术支撑，缓解磷石膏堆存造成的环境污染。