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這項(xiàng)研究開發(fā)了由 3D 紡織材料增強(qiáng)的紡織增強(qiáng)混凝土 (textile-reinforced concrete；TRC) 桁架。研究表明，利用紡織品能夠適應(yīng)復(fù)雜形狀和耐腐蝕的特性，TRC 桁架結(jié)構(gòu)通過高效的荷載傳遞機(jī)制實(shí)現(xiàn)了材料和使用重量的顯著減少。實(shí)驗(yàn)研究探討了 TRC 桁架的設(shè)計(jì)方法和制造可能性，以及在彎曲荷載下的宏觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)、裂縫形成和破壞機(jī)制。此外，該研究還研究了與不同錨固可行性和增強(qiáng)率相關(guān)的各種增強(qiáng)布局對結(jié)構(gòu)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與全截面矩形 TRC 梁相比，TRC 桁架保持了其結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)約材料和減輕重量（約 50%）。研究還發(fā)現(xiàn)，有效的錨固是控制結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主導(dǎo)參數(shù)。這項(xiàng)研究的成果突出了 TRC 桁架作為結(jié)構(gòu)部件的可持續(xù)替代品的巨大潛力。

一、引言

隨著建筑行業(yè)對輕質(zhì)、高效、可持續(xù)結(jié)構(gòu)的需求日益增長，TRC技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢而備受關(guān)注。TRC 使用纖維材料替代傳統(tǒng)鋼筋，能夠構(gòu)建薄壁結(jié)構(gòu)，并具有良好的成型性和耐腐蝕性。盡管 TRC 技術(shù)在板和殼結(jié)構(gòu)中取得了顯著進(jìn)展，但在桁架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用仍相對較少。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)存在重量大、易腐蝕等問題，限制了其應(yīng)用范圍。

近日，期刊《Composite Structures》發(fā)表了由以色列本古里安大學(xué)土木與環(huán)境工程系和以色列海法理工學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)完成的關(guān)于TRC 桁架結(jié)構(gòu)的研究成果。該研究采用 3D 紡織增強(qiáng)材料和高性能水泥基體材料，設(shè)計(jì)并制作了不同增強(qiáng)布局的 TRC 桁架試件。通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了 TRC 桁架的宏觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)、裂縫形成和破壞模式，并將其與全截面矩形 TRC 梁進(jìn)行了比較。論文標(biāo)題為“TRC truss – Proof of concept by experimental investigation”。

二、研究內(nèi)容及方法

TRC桁架的概念設(shè)計(jì)，基于桁架和拉桿模型（strut and tie modeling；STM）原理，將彎曲載荷轉(zhuǎn)換為桁架構(gòu)件內(nèi)的內(nèi)部拉壓荷載。該研究旨在展示TRC技術(shù)是設(shè)計(jì)和建造混凝土桁架的首選技術(shù)。通過探索優(yōu)化過程中產(chǎn)生的桁架方案，并根據(jù)生產(chǎn)限制進(jìn)行修改，展示了TRC桁架概念的實(shí)施。由于混凝土桁架缺乏鉸接連接，需要固有的固定連接，模型集成了剛性連接以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部力矩的傳遞。因此，每個(gè)桁架構(gòu)件都會經(jīng)歷內(nèi)部單軸荷載和力矩。需要注意的是，所呈現(xiàn)的結(jié)果僅適用于線彈性狀態(tài)。

相應(yīng)地，桁架構(gòu)件被劃分為3組：底部構(gòu)件通過內(nèi)部拉力承載；上部構(gòu)件通過內(nèi)部壓力承載；中間構(gòu)件可以是拉力、壓力或“零”構(gòu)件（“零”指的是沒有內(nèi)部單軸力的構(gòu)件）。加固細(xì)節(jié)基于這種劃分。桁架的增強(qiáng)材料采用 3D 紡織品，并介紹了五種不同的增強(qiáng)布局方案，用于評估不同錨固機(jī)制和增強(qiáng)率對桁架結(jié)構(gòu)性能的影響。

圖 1.3D AR 玻璃紡織品細(xì)節(jié)。

關(guān)于TRC桁架的材料和制作方法，包括所選用的3D AR-玻璃纖維紡織增強(qiáng)材料（SitGrid 702），其由兩層AR-玻璃纖維網(wǎng)和12毫米的橫向聚酯單絲連接而成，還有用于確保通過紡織網(wǎng)充分滲透的細(xì)粒高強(qiáng)水泥基混合物。該混合物由CEM I 52.5、水、砂、硅灰和超塑化劑組成，水膠比為0.4，水膠凝比為0.33。此外，還介紹了為TRC桁架設(shè)計(jì)的模塊化和可重復(fù)使用的模具，該模具由外部面板和內(nèi)部棱柱組成，通過定位三角形棱柱來確定空心區(qū)域。生產(chǎn)過程包括準(zhǔn)備模具、放置紡織物、混凝土混合、澆筑混凝土、脫模和養(yǎng)護(hù)。加載測試和監(jiān)測系統(tǒng)也在本節(jié)中進(jìn)行了說明，桁架在四點(diǎn)彎曲測試中通過INSTRON機(jī)器進(jìn)行加載，加載速率為0.5毫米/分鐘，使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測量應(yīng)變和位移剖面。

圖 2. (a) 模具平面圖，(b) 模具內(nèi)部三棱柱之間排列的紡織品（藍(lán)色）。

圖3.梁內(nèi)不同紡織品布局的規(guī)范。

通過實(shí)驗(yàn)研究比較了不同紡織布局的TRC桁架在宏觀結(jié)構(gòu)上的表現(xiàn)。研究分為兩個(gè)主要部分：首先，分析了TRC桁架在不同紡織布局下的宏觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括首次開裂荷載、極限荷載和兩個(gè)主要狀態(tài)下的等效彎曲剛度，并發(fā)現(xiàn)所有TRC桁架在彈性階段和首次開裂后階段的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征；其次，將TRC桁架與全截面矩形TRC梁的宏觀結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示TRC桁架在保持相似宏觀結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了顯著的材料節(jié)省和重量減輕，突出了桁架幾何形狀的結(jié)構(gòu)效率。此外，討論了紡織物在壓縮構(gòu)件中的作用，建議在所有壓縮混凝土構(gòu)件中至少施加最小量的加固，以確保結(jié)構(gòu)的完整性和耐久性。

圖 4. (a) 彎曲試驗(yàn)裝置 (b) 兩個(gè)攝像機(jī) (左和右) 拍攝的桁架正面圖像。

TRC桁架在不同紡織布局下的裂縫形成、擴(kuò)展和分布，以及桁架構(gòu)件內(nèi)部的荷載傳遞機(jī)制。通過對比W16-stch、U32-NCR和U32-NCR-rect三種不同布局的桁架在加載過程中的裂縫寬度與中部位移的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)TRC桁架相比于全截面矩形TRC梁具有更多的裂縫數(shù)量，但裂縫寬度較小，這表明TRC桁架在內(nèi)部荷載分布和裂縫控制方面更為有效。研究還指出，紡織物的錨固方式對裂縫的形成和擴(kuò)展有顯著影響，其中“U”型布局由于紡織物在節(jié)點(diǎn)處的角度較大，能夠更有效地傳遞內(nèi)部荷載，從而提高了桁架節(jié)點(diǎn)的承載能力。此外，裂縫分析還揭示了TRC桁架在不同加載階段的裂縫發(fā)展模式，顯示了TRC桁架在結(jié)構(gòu)效率和裂縫控制方面的優(yōu)勢。

圖 5. 兩種桁架布局的張緊桁架構(gòu)件的開裂荷載范圍：W16-stch（橙色）和 U32-NCR（黃色）。

該研究通過實(shí)驗(yàn)后的加工檢查，揭示了TRC桁架在受到拉伸、剪切和壓縮應(yīng)力時(shí)的主要破壞類型。研究發(fā)現(xiàn)，拉伸破壞主要發(fā)生在節(jié)點(diǎn)處，當(dāng)局部拉伸應(yīng)力超過紡織材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，紡織材料可能會發(fā)生斷裂或被拉出；剪切破壞則表現(xiàn)為在桁架的全局剪切區(qū)域形成的對角裂縫，這些裂縫沿著混凝土梁在彎曲荷載下的剪切應(yīng)力路徑傳播；壓縮破壞則可能由于混凝土的壓碎或構(gòu)件的屈曲而發(fā)生。通過對破壞模式的表征，研究強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)和制造TRC桁架時(shí)，需要考慮紡織材料的錨固效果、桁架角度和紡織材料的彎曲角度，以避免在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生應(yīng)力集中和破壞。

圖 6. TRC 桁架的失效模式：（a）拉伸（b）剪切（c）壓縮。失效以黃色突出顯示。右側(cè)：（a）和（b）顯示拋光樣品的失效區(qū)域，（c）通過失效前最后兩張相機(jī)照片展示了上部中央桁架構(gòu)件的屈曲。

三、 小結(jié)

該研究表明，TRC 桁架結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)性能和可持續(xù)性，能夠有效減輕結(jié)構(gòu)重量并節(jié)約材料，同時(shí)保持與傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁相似的力學(xué)性能。該研究為 TRC 桁架結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

原始文獻(xiàn)：

Simon, D., Peled, A., & Goldfeld, Y. (2024). TRC truss – Proof of concept by experimental investigation. Composite Structures, 345, 118361.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118361