FRP 類建筑材料在濱海旅游建筑信息模型中的設(shè)置與應(yīng)用

楊奔

（北海職業(yè)學(xué)院）

1 濱海旅游建筑信息模型中FRP 類建筑材料應(yīng)用概述

濱海旅游建筑信息模型，是指采用建筑信息模型（B I M）技術(shù)對(duì)騎樓等具有濱海旅游觀光用途的建筑建立包含梁、板、柱等構(gòu)件主要尺寸、受力性能、建筑材料等相關(guān)數(shù)據(jù)信息的建筑模型。[1]

在實(shí)際工程中，很多具有一定歷史價(jià)值的騎樓等濱海旅游建筑不能拆除后重建，只能在盡量不影響原建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修復(fù)性加固。而FR P 布、FR P 板等FR P類建筑材料由于其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)影響小、便于施工等特點(diǎn)，在騎樓等濱海旅游建筑的修復(fù)性加固得以應(yīng)用。C h en G.M.[2]、Sh ar ma S[3]、楊奔[4]等學(xué)者已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)FR P 類建筑材料能有效用于建筑的梁、板、柱等構(gòu)件的建筑。但對(duì)于很多施工人員，這些試驗(yàn)研究都顯得過(guò)于專業(yè)化，因此，本文結(jié)合包含基于有限元所得FR P 類建筑材料加固梁等構(gòu)件的受力性能信息的建筑信息模型來(lái)闡釋FR P 類建筑材料在濱海旅游建筑信息模型中的設(shè)置與應(yīng)用。

2 FRP 類建筑材料加固信息的獲取

在濱海旅游建筑信息模型中建立FR P 布、FR P 板等FR P 類建筑材料模型時(shí)，需要輸入FR P 類建筑材料的大小尺寸、自身材料性能以及FR P 類建筑材料與建筑結(jié)構(gòu)間的受力性能參數(shù)等信息，F(xiàn)R P 類建筑材料的大小尺寸、自身材料性能等信息可以從FR P 類建筑材料供貨方、說(shuō)明書中獲取，但FR P 類建筑材料與不同建筑結(jié)構(gòu)之間的界面受力性能是不同的，采取有限元模擬是采用得比較多的一種方法。下面就以采用FR P 布加固騎樓等濱海旅游建筑中的梁構(gòu)件為例，闡釋通過(guò)有限元模擬FR P 類建筑材料與不同建筑結(jié)構(gòu)之間的界面受力性能的方法。

在實(shí)際工程中，騎樓等濱海旅游建筑中的梁構(gòu)件通常是帶有裂縫的，因此，對(duì)FR P 布加固騎樓等濱海旅游建筑中梁構(gòu)件的FR P-混凝土界面進(jìn)行有限元模擬時(shí)，需要考慮無(wú)宏觀裂縫和有宏觀裂縫兩種情況。

2.1 FRP- 混凝土界面有限元模型相關(guān)參數(shù)的定義

對(duì)FR P 布加固騎樓等濱海旅游建筑中梁構(gòu)件的FR P-混凝土界面進(jìn)行有限元模擬時(shí)，荷載單位為k N，長(zhǎng)度單位為mm，應(yīng)力單位為M P a，應(yīng)變無(wú)單位。

參照G.M.C h en[5]、陸新征[6，7]、滕錦光[7]的研究，混凝土采用平面應(yīng)力應(yīng)變實(shí)體單元CP S4 進(jìn)行建模，F(xiàn)R P 采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，F(xiàn)R P 的材料屬性被設(shè)定為線彈性（E l ast ic），F(xiàn)R P 的彈性模量為237000M P a，泊松比為0.2。

參照王博[8]、陸新征[9]等人的研究，在有限元分析中FR P-混凝土界面粘結(jié)單元采用非線性S pr ing2 單元模擬，非線性S pr ing2 單元的剛度K 為界面粘結(jié)-滑移關(guān)系曲線的一階導(dǎo)數(shù)：

式中，

A——每個(gè)S pr ing2 單元在FR P-混凝土界面上代表的剪切受力面積；

式⑵中，

τ——界面剪應(yīng)力；

τmax——界面最大剪應(yīng)力；

s——界面滑移量；

s0——界面最大剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)的界面滑移量；

hk——宏觀裂縫深度；

Li——界面上i 點(diǎn)處到宏觀裂縫的距離。

2.2 FRP- 混凝土界面有限元模型及其分析

當(dāng)梁構(gòu)件表面無(wú)宏觀裂縫時(shí)，F(xiàn)R P-混凝土界面有限元分析模型加載過(guò)程的開裂應(yīng)變分布如圖1 所示。

圖1 無(wú)宏觀裂縫時(shí)FRP- 混凝土界面有限元模型加載過(guò)程開裂應(yīng)變分布

當(dāng)梁構(gòu)件表面存在宏觀裂縫（以宏觀裂縫深度為10mm 為例）時(shí)，F(xiàn)R P-混凝土界面有限元分析模型加載過(guò)程的開裂應(yīng)變分布如圖2 所示。

圖2 有宏觀裂縫（深度10mm）時(shí)FRP- 混凝土界面有限元模型加載過(guò)程開裂應(yīng)變分布

對(duì)比圖1 和圖2 可以看出：

⑴由于宏觀裂縫的存在，在加載初期界面粘結(jié)-滑移曲線線彈性上升段，F(xiàn)R P 傳力區(qū)域由FR P 加載端向FR P 自由端擴(kuò)展的速度更快，這是由于宏觀裂縫導(dǎo)致FR P-混凝土界面的整體粘結(jié)性能降低；

⑵由于宏觀裂縫的存在，在加載初期界面粘結(jié)-滑移曲線上升段，宏觀裂縫附近的混凝土?xí)l(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得宏觀裂縫附近區(qū)域的混凝土應(yīng)變變大，距離宏觀裂縫越近的混凝土區(qū)域應(yīng)變?cè)酱?，距離宏觀裂縫越遠(yuǎn)的混凝土區(qū)域應(yīng)變?cè)叫。?/p>

⑶當(dāng)界面剪應(yīng)力達(dá)到界面最大剪應(yīng)力后，隨著FR P- 混凝土界面滑移的持續(xù)增大，宏觀裂縫附近的FR P-混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到峰值后，快速下降為0，從而導(dǎo)致宏觀裂縫附近的混凝土應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸消失，這部分應(yīng)力擴(kuò)散到距離宏觀裂縫較遠(yuǎn)的混凝土區(qū)域，導(dǎo)致FR P 對(duì)整體混凝土的影響范圍比之前略大；

⑷宏觀裂縫使得其兩側(cè)的混凝土應(yīng)力發(fā)生了重分布，從而使得混凝土應(yīng)變分布區(qū)域呈以宏觀裂縫為分界，兩側(cè)不盡相同；

⑸宏觀裂縫對(duì)FR P 傳力區(qū)域能達(dá)到的最大區(qū)域影響不是很大，也就是宏觀裂縫對(duì)荷載通過(guò)FR P-混凝土界面層傳遞至混凝土從而對(duì)混凝土產(chǎn)生作用的最大作用范圍影響不是很大。

因?yàn)楹暧^裂縫附近的混凝土?xí)l(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，且宏觀裂縫會(huì)使其附近的FR P-混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到峰值后，快速下降為0，發(fā)生脆性破壞，故在運(yùn)用FR P 加固混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工中，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)存在宏觀裂縫時(shí)，應(yīng)對(duì)宏觀裂縫附近的混凝土結(jié)構(gòu)采用如C FR P 材料制成的U 型箍等加固構(gòu)造對(duì)其進(jìn)行加固。

3 FRP 類建筑材料在濱海旅游建筑信息模型中的設(shè)置應(yīng)用

依據(jù)由FR P 類建筑材料供貨方、說(shuō)明書中獲取的FR P 類建筑材料的大小尺寸、自身材料性能等信息以及通過(guò)有限元模擬獲取的FR P 類建筑材料與不同建筑結(jié)構(gòu)之間的界面受力性能信息，可以在濱海旅游建筑信息模型（以一棟三層騎樓為例）中設(shè)置FR P 類建筑材料，以便于指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)與施工。

圖3 一棟三層騎樓的濱海旅游建筑信息模型中FRP 類建筑材料的設(shè)置

在一棟三層騎樓的建筑信息模型中設(shè)置FR P 類建筑材料時(shí)，需要在管理選項(xiàng)卡下面的材質(zhì)選項(xiàng)中打開材質(zhì)瀏覽器，先新建材質(zhì)“FR P”，在右側(cè)“標(biāo)識(shí)”選項(xiàng)卡中輸入FR P 類建筑材料的名稱等信息，在“圖形”和“外觀”選項(xiàng)卡中輸入FR P 類建筑材料的著色、紋理等信息，在“物理”選項(xiàng)卡中輸入FR P 類建筑材料的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量、泊松比、切變模量、密度、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、受力性能等信息，接著以FR P 材質(zhì)設(shè)計(jì)FR P 類建筑材料構(gòu)件并布置在騎樓等濱海旅游建筑信息模型中，進(jìn)而應(yīng)用于實(shí)際騎樓等濱海旅游建筑的修復(fù)性加固中，指導(dǎo)施工工人準(zhǔn)確地設(shè)置和粘貼FR P 類建筑材料。通過(guò)上述步驟，即可較好地完成FR P 類建筑材料在濱海旅游建筑信息模型中的設(shè)置與應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從濱海旅游建筑信息模型中FR P 類建筑材料應(yīng)用概述、FR P 類建筑材料加固信息的獲取、FR P 類建筑材料在濱海旅游建筑信息模型中的設(shè)置應(yīng)用等方面，分析了FR P 類建筑材料在濱海旅游建筑信息模型中的設(shè)置與應(yīng)用，給騎樓等濱海旅游建筑修復(fù)性加固工程中相關(guān)設(shè)計(jì)施工人員提供了一定的參考?！?/p>