FRP 类建筑材料在滨海旅游建筑信息模型中的设置与应用

杨奔

（北海职业学院）

1 滨海旅游建筑信息模型中FRP 类建筑材料应用概述

滨海旅游建筑信息模型，是指采用建筑信息模型（B I M）技术对骑楼等具有滨海旅游观光用途的建筑建立包含梁、板、柱等构件主要尺寸、受力性能、建筑材料等相关数据信息的建筑模型。[1]

在实际工程中，很多具有一定历史价值的骑楼等滨海旅游建筑不能拆除后重建，只能在尽量不影响原建筑结构的基础上进行修复性加固。而FR P 布、FR P 板等FR P类建筑材料由于其质量轻、强度高、耐腐蚀、对原建筑结构影响小、便于施工等特点，在骑楼等滨海旅游建筑的修复性加固得以应用。C h en G.M.[2]、Sh ar ma S[3]、杨奔[4]等学者已经通过试验证实FR P 类建筑材料能有效用于建筑的梁、板、柱等构件的建筑。但对于很多施工人员，这些试验研究都显得过于专业化，因此，本文结合包含基于有限元所得FR P 类建筑材料加固梁等构件的受力性能信息的建筑信息模型来阐释FR P 类建筑材料在滨海旅游建筑信息模型中的设置与应用。

2 FRP 类建筑材料加固信息的获取

在滨海旅游建筑信息模型中建立FR P 布、FR P 板等FR P 类建筑材料模型时，需要输入FR P 类建筑材料的大小尺寸、自身材料性能以及FR P 类建筑材料与建筑结构间的受力性能参数等信息，FR P 类建筑材料的大小尺寸、自身材料性能等信息可以从FR P 类建筑材料供货方、说明书中获取，但FR P 类建筑材料与不同建筑结构之间的界面受力性能是不同的，采取有限元模拟是采用得比较多的一种方法。下面就以采用FR P 布加固骑楼等滨海旅游建筑中的梁构件为例，阐释通过有限元模拟FR P 类建筑材料与不同建筑结构之间的界面受力性能的方法。

在实际工程中，骑楼等滨海旅游建筑中的梁构件通常是带有裂缝的，因此，对FR P 布加固骑楼等滨海旅游建筑中梁构件的FR P-混凝土界面进行有限元模拟时，需要考虑无宏观裂缝和有宏观裂缝两种情况。

2.1 FRP- 混凝土界面有限元模型相关参数的定义

对FR P 布加固骑楼等滨海旅游建筑中梁构件的FR P-混凝土界面进行有限元模拟时，荷载单位为k N，长度单位为mm，应力单位为M P a，应变无单位。

参照G.M.C h en[5]、陆新征[6，7]、滕锦光[7]的研究，混凝土采用平面应力应变实体单元CP S4 进行建模，FR P 采用梁单元进行建模，FR P 的材料属性被设定为线弹性（E l ast ic），FR P 的弹性模量为237000M P a，泊松比为0.2。

参照王博[8]、陆新征[9]等人的研究，在有限元分析中FR P-混凝土界面粘结单元采用非线性S pr ing2 单元模拟，非线性S pr ing2 单元的刚度K 为界面粘结-滑移关系曲线的一阶导数：

式中，

A——每个S pr ing2 单元在FR P-混凝土界面上代表的剪切受力面积；

式⑵中，

τ——界面剪应力；

τmax——界面最大剪应力；

s——界面滑移量；

s0——界面最大剪应力对应的界面滑移量；

hk——宏观裂缝深度；

Li——界面上i 点处到宏观裂缝的距离。

2.2 FRP- 混凝土界面有限元模型及其分析

当梁构件表面无宏观裂缝时，FR P-混凝土界面有限元分析模型加载过程的开裂应变分布如图1 所示。

图1 无宏观裂缝时FRP- 混凝土界面有限元模型加载过程开裂应变分布

当梁构件表面存在宏观裂缝（以宏观裂缝深度为10mm 为例）时，FR P-混凝土界面有限元分析模型加载过程的开裂应变分布如图2 所示。

图2 有宏观裂缝（深度10mm）时FRP- 混凝土界面有限元模型加载过程开裂应变分布

对比图1 和图2 可以看出：

⑴由于宏观裂缝的存在，在加载初期界面粘结-滑移曲线线弹性上升段，FR P 传力区域由FR P 加载端向FR P 自由端扩展的速度更快，这是由于宏观裂缝导致FR P-混凝土界面的整体粘结性能降低；

⑵由于宏观裂缝的存在，在加载初期界面粘结-滑移曲线上升段，宏观裂缝附近的混凝土会发生应力集中现象，使得宏观裂缝附近区域的混凝土应变变大，距离宏观裂缝越近的混凝土区域应变越大，距离宏观裂缝越远的混凝土区域应变越小；

⑶当界面剪应力达到界面最大剪应力后，随着FR P- 混凝土界面滑移的持续增大，宏观裂缝附近的FR P-混凝土界面的粘结应力达到峰值后，快速下降为0，从而导致宏观裂缝附近的混凝土应力集中现象逐渐消失，这部分应力扩散到距离宏观裂缝较远的混凝土区域，导致FR P 对整体混凝土的影响范围比之前略大；

⑷宏观裂缝使得其两侧的混凝土应力发生了重分布，从而使得混凝土应变分布区域呈以宏观裂缝为分界，两侧不尽相同；

⑸宏观裂缝对FR P 传力区域能达到的最大区域影响不是很大，也就是宏观裂缝对荷载通过FR P-混凝土界面层传递至混凝土从而对混凝土产生作用的最大作用范围影响不是很大。

因为宏观裂缝附近的混凝土会发生应力集中现象，且宏观裂缝会使其附近的FR P-混凝土界面的粘结应力达到峰值后，快速下降为0，发生脆性破坏，故在运用FR P 加固混凝土结构的设计与施工中，当混凝土结构存在宏观裂缝时，应对宏观裂缝附近的混凝土结构采用如C FR P 材料制成的U 型箍等加固构造对其进行加固。

3 FRP 类建筑材料在滨海旅游建筑信息模型中的设置应用

依据由FR P 类建筑材料供货方、说明书中获取的FR P 类建筑材料的大小尺寸、自身材料性能等信息以及通过有限元模拟获取的FR P 类建筑材料与不同建筑结构之间的界面受力性能信息，可以在滨海旅游建筑信息模型（以一栋三层骑楼为例）中设置FR P 类建筑材料，以便于指导实际工程设计与施工。

图3 一栋三层骑楼的滨海旅游建筑信息模型中FRP 类建筑材料的设置

在一栋三层骑楼的建筑信息模型中设置FR P 类建筑材料时，需要在管理选项卡下面的材质选项中打开材质浏览器，先新建材质“FR P”，在右侧“标识”选项卡中输入FR P 类建筑材料的名称等信息，在“图形”和“外观”选项卡中输入FR P 类建筑材料的着色、纹理等信息，在“物理”选项卡中输入FR P 类建筑材料的热膨胀系数、杨氏模量、泊松比、切变模量、密度、屈服强度、拉伸强度、受力性能等信息，接着以FR P 材质设计FR P 类建筑材料构件并布置在骑楼等滨海旅游建筑信息模型中，进而应用于实际骑楼等滨海旅游建筑的修复性加固中，指导施工工人准确地设置和粘贴FR P 类建筑材料。通过上述步骤，即可较好地完成FR P 类建筑材料在滨海旅游建筑信息模型中的设置与应用。

4 结语

本文主要从滨海旅游建筑信息模型中FR P 类建筑材料应用概述、FR P 类建筑材料加固信息的获取、FR P 类建筑材料在滨海旅游建筑信息模型中的设置应用等方面，分析了FR P 类建筑材料在滨海旅游建筑信息模型中的设置与应用，给骑楼等滨海旅游建筑修复性加固工程中相关设计施工人员提供了一定的参考。●