钢框架内填装配式磷石膏-混凝土组合墙结构抗震性能研究

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磷石膏作为生产磷酸和磷肥的工业固体废弃物,我国磷石膏年产出量和累积存量巨大,对生态环境和磷化工企业的可持续发展造成了严重威胁。随着国家大力提倡和督促磷石膏的资源化利用,我国磷石膏年利用率逐年上升,但目前也仅为40%,每年仍有超过一半以上的磷石膏未得到妥善处置,其造成的危害并未得到实质性缓解。基于此,本文提出利用磷石膏制备装配式磷石膏-混凝土组合墙板,应用于钢结构建筑领域,并对其抗震性能开展研究。首先基于环保节能以及原状磷石膏大掺量利用的总体研究思路,对磷石膏基复合胶凝材料配合比进行试验研究,而后重点对钢框架内填装配式磷石膏-混凝土组合墙结构的抗震性能开展试验研究与有限元数值分析,主要研究工作及成果如下:(1)以原状磷石膏作为待固化集料,半水磷石膏、水泥、硅灰为固化胶凝材料,生石灰作为磷石膏除杂中和剂制备磷石膏基复合胶凝材料。试验结果表明,该配合比方案原状磷石膏利用率高,半水磷石膏对浆体性能改善作用显著,各掺合料对硬化体性能提升作用明显,环保节能,工艺简单,节约成本,配合比方案具有较高的环保和经济性意义。(2)进行了1榀纯钢框架与1榀钢框架内填装配式磷石膏-混凝土组合墙板结构在水平低周往复荷载下的抗震性能试验研究,根据试验结果对比分析了两榀框架的破坏模式及各项抗震性能指标,揭示了组合墙板对钢框架结构抗震性能的影响。结果表明,两榀框架耗能能力良好,弹性层间位移角以及弹塑性层间位移角均满足规范要求;组合墙板在钢框架内起到“斜支撑”压杆的作用,大幅提高了结构的刚度和承载能力,延缓结构进入屈服,但一定程度上会降低整体结构的延性及耗能能力;其破坏的发展使得结构整体刚度退化曲线呈“三段式”发展趋势,十分有利于结构抗震。综合表明,磷石膏-混凝土组合墙板在钢结构领域的利用具有较高的可行性和利用价值。(3)基于试验模型,建立了两榀框架结构在水平低周往复荷载作用下的精细化有限元计算模型,考虑了结构几何、材料、接触非线性等因素的影响,将两榀框架计算结果与试验结果进行对比分析以验证模型的合理性与准确性,并基于验证有限元模型,分析了磷石膏填充体对整体结构抗震性能的影响。结果表明,该模型计算结果与试验结果吻合较好,破坏模式与抗震性能指标基本相符,可为钢框架内填磷石膏-混凝土组合墙板相关抗震模型提供一种合理高效的有限元计算方法。磷石膏填充体可有效提升整体结构的承载能力和总耗能,延缓整体结构进入屈服,但会一定程度上降低结构延性。
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