现浇金属尾矿多孔混凝土复合填充墙体平面外抗震性能研究

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随着墙体材料不断革新以及人们对于建筑节能的不断追求,发明新型墙体用来取代传统砌体填充墙已是大势所趋。在此大背景下,现浇金属尾矿多孔混凝土复合填充墙体应运而生。现浇金属尾矿多孔混凝土复合填充墙体具有自重轻、保温隔热性能好以及环保利废等优势,有很高的推广价值。作为非结构构件,填充墙体在抗震设计中经常被忽略,但多次震害结果表明,填充墙体经常发生平面外方向破坏,这造成了严重的生命财产损失,因此填充墙体平面外抗震性能得到了广泛关注。本文对于现浇金属尾矿多孔混凝土复合填充墙体平面外抗震性能进行了研究,主要研究内容和结论如下:(1)本文首先通过不同加载速率下单轴压缩试验和轴向拉伸试验研究了金属尾矿多孔混凝土(Metal tailing porous concrete,以下统称MTPC)的动态力学性能。试验结果表明不同应变速率下MTPC材料的压缩应力-应变曲线基本形状相似,曲线峰值附近存在一定的振荡现象,曲线下降段残余应力较高,其无量纲曲线可采用同一表达式进行描述。不同应变速率下MTPC材料的拉伸应力-应变曲线基本形状相似,且曲线形状与普通混凝土相似。随着应变速率的提高,MTPC材料拉压强度和拉压临界应变均随之增大。抗拉力学性能指标相比于抗压力学性能指标对应变率的变化更为敏感。MTPC材料压缩初始切线模量对应变率不敏感,压缩割线模量随着应变速率的增加而增大。MTPC材料的拉伸弹性模量随应变速率的提高几乎保持不变。根据拉压强度和拉压临界应变的动态增长因子公式和不同应变速率下应力-应变无量纲曲线拟合表达式建立了 MTPC材料率相关单轴拉压本构模型,该模型可以较好地描述不同应变速率下MTPC材料的单轴拉压应力-应变曲线。(2)通过拟静力试验研究了现浇金属尾矿多孔混凝土复合填充墙体(以下统称MTPC复合墙体)在地震作用下的平面外受力性能,采用气囊充气膨胀的方式对墙体表面进行单调加载以模拟地震作用下由墙体自身惯性引起的平面外方向水平均布荷载。通过试验掌握了水平均布荷载作用下MTPC复合墙体破坏形态、平面外承载力以及变形能力。试验结果表明MTPC复合墙体具有良好的整体性。对于MTPC复合墙体平面外受力破坏机理进行了分析,MTPC复合墙体平面外破坏过程根据其边界条件的变化可以分为三个阶段,即与框架紧密连接的刚性连接阶段、边界产生塑性铰后直至墙体开裂的阶段以及开裂后到墙体倒塌破坏的短暂阶段。由于墙体的构造使得最后阶段拱作用发挥的空间有限,墙体极限荷载与开裂荷载接近,为了安全考虑,建议将开裂荷载作为MTPC复合墙体平面外承载力。建立了试验中墙体的有限元模型并验证了其准确性,通过数值模拟研究表明墙体长细比的降低或高宽比的增加均会提高MTPC复合墙体平面外承载力以及平面外初始刚度。通过相关规范条文规定,采用等效侧力法对墙体水平地震作用标准值进行计算,结果表明,无论作为内隔墙还是外围护墙体,MTPC复合墙体即使处于建筑屋顶层,其平面外承载力依然满足9度罕遇地震作用下的抗震需求。(3)为了进一步研究MTPC复合墙体在实际地震动作用下的平面外抗震性能,对足尺模型墙体试件开展了平面外方向振动台试验。采用代表不同场地类别的地震动作为输入激励。试验结果表明,随着振动台面输入地震动峰值加速度从0.1g不断提高至1.5g的过程中,MTPC复合墙体各部位平面外加速度和相对位移响应均随之近似线性增长。墙体试件的自振频率保持不变,未发生刚度损伤,仍然处于弹性状态。采用与墙体试件自振频率相匹配的正弦波研究了 MTPC复合墙体在受迫振动下平面外方向的破坏形式。基于提出的MTPC单轴动态拉压本构模型建立了试验墙体的有限元分析模型,通过数值模拟计算得出的时域和频域内墙体的动力反应均与试验结果吻合较好,验证了数值方法的有效性和精确度。有限元分析表明MTPC复合墙体平面外抗震性能优于传统砌体填充墙。最后基于规范给出的水平地震作用计算公式以及本文推导出的MTPC复合墙体平面外承载力的计算公式,提出了 MTPC复合墙体平面外抗震设计流程。
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