FRP 類建筑材料在濱海旅游建筑信息模型中的設置與應用

楊奔

（北海職業學院）

1 濱海旅游建筑信息模型中FRP 類建筑材料應用概述

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

在實際工程中，很多具有一定歷史價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構的基礎上進行修復性加固。而FR P 布、FR P 板等FR P類建筑材料由于其質量輕、強度高、耐腐蝕、對原建筑結構影響小、便于施工等特點，在騎樓等濱海旅游建筑的修復性加固得以應用。C h en G.M.[2]、Sh ar ma S[3]、楊奔[4]等學者已經通過試驗證實FR P 類建筑材料能有效用于建筑的梁、板、柱等構件的建筑。但對于很多施工人員，這些試驗研究都顯得過于專業化，因此，本文結合包含基于有限元所得FR P 類建筑材料加固梁等構件的受力性能信息的建筑信息模型來闡釋FR P 類建筑材料在濱海旅游建筑信息模型中的設置與應用。

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，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構間的受力性能參數等信息，FR 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、說明書中獲取，但FR P 類建筑材料與不同建筑結構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件為例，闡釋通過有限元模擬FR P 類建筑材料與不同建筑結構之間的界面受力性能的方法。

在實際工程中，騎樓等濱海旅游建筑中的梁構件通常是帶有裂縫的，因此，對FR P 布加固騎樓等濱海旅游建筑中梁構件的FR P-混凝土界面進行有限元模擬時，需要考慮無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參數的定義

對FR P 布加固騎樓等濱海旅游建筑中梁構件的FR P-混凝土界面進行有限元模擬時，荷載單位為k N，長度單位為mm，應力單位為M P a，應變無單位。

參照G.M.C h en[5]、陸新征[6，7]、滕錦光[7]的研究，混凝土采用平面應力應變實體單元CP S4 進行建模，FR P 采用梁單元進行建模，FR P 的材料屬性被設定為線彈性（E l ast ic），FR 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-滑移關系曲線的一階導數：

式中，

A——每個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——界面剪應力；

τmax——界面最大剪應力；

s——界面滑移量；

s0——界面最大剪應力對應的界面滑移量；

hk——宏觀裂縫深度；

Li——界面上i 點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

當梁構件表面無宏觀裂縫時，FR P-混凝土界面有限元分析模型加載過程的開裂應變分布如圖1 所示。

圖1 無宏觀裂縫時FRP- 混凝土界面有限元模型加載過程開裂應變分布

當梁構件表面存在宏觀裂縫（以宏觀裂縫深度為10mm 為例）時，FR P-混凝土界面有限元分析模型加載過程的開裂應變分布如圖2 所示。

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

對比圖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-滑移曲線線彈性上升段，FR P 傳力區域由FR P 加載端向FR P 自由端擴展的速度更快，這是由于宏觀裂縫導致FR P-混凝土界面的整體粘結性能降低；

⑵由于宏觀裂縫的存在，在加載初期界面粘結-滑移曲線上升段，宏觀裂縫附近的混凝土會發生應力集中現象，使得宏觀裂縫附近區域的混凝土應變變大，距離宏觀裂縫越近的混凝土區域應變越大，距離宏觀裂縫越遠的混凝土區域應變越小；

⑶當界面剪應力達到界面最大剪應力后，隨著FR P- 混凝土界面滑移的持續增大，宏觀裂縫附近的FR P-混凝土界面的粘結應力達到峰值后，快速下降為0，從而導致宏觀裂縫附近的混凝土應力集中現象逐漸消失，這部分應力擴散到距離宏觀裂縫較遠的混凝土區域，導致FR P 對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的混凝土應力發生了重分布，從而使得混凝土應變分布區域呈以宏觀裂縫為分界，兩側不盡相同；

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

因為宏觀裂縫附近的混凝土會發生應力集中現象，且宏觀裂縫會使其附近的FR P-混凝土界面的粘結應力達到峰值后，快速下降為0，發生脆性破壞，故在運用FR P 加固混凝土結構的設計與施工中，當混凝土結構存在宏觀裂縫時，應對宏觀裂縫附近的混凝土結構采用如C FR P 材料制成的U 型箍等加固構造對其進行加固。

3 FRP 類建筑材料在濱海旅游建筑信息模型中的設置應用

依據由FR P 類建筑材料供貨方、說明書中獲取的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有限元模擬獲取的FR P 類建筑材料與不同建筑結構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）中設置FR P 類建筑材料，以便于指導實際工程設計與施工。

圖3 一棟三層騎樓的濱海旅游建筑信息模型中FRP 類建筑材料的設置

在一棟三層騎樓的建筑信息模型中設置FR P 類建筑材料時，需要在管理選項卡下面的材質選項中打開材質瀏覽器，先新建材質“FR P”，在右側“標識”選項卡中輸入FR P 類建筑材料的名稱等信息，在“圖形”和“外觀”選項卡中輸入FR P 類建筑材料的著色、紋理等信息，在“物理”選項卡中輸入FR P 類建筑材料的熱膨脹系數、楊氏模量、泊松比、切變模量、密度、屈服強度、拉伸強度、受力性能等信息，接著以FR P 材質設計FR P 類建筑材料構件并布置在騎樓等濱海旅游建筑信息模型中，進而應用于實際騎樓等濱海旅游建筑的修復性加固中，指導施工工人準確地設置和粘貼FR P 類建筑材料。通過上述步驟，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置與應用。

4 結語

本文主要從濱海旅游建筑信息模型中FR P 類建筑材料應用概述、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置應用等方面，分析了FR P 類建筑材料在濱海旅游建筑信息模型中的設置與應用，給騎樓等濱海旅游建筑修復性加固工程中相關設計施工人員提供了一定的參考。●