這項研究開發了由 3D 紡織材料增強的紡織增強混凝土 (textile-reinforced concrete；TRC) 桁架。研究表明，利用紡織品能夠適應復雜形狀和耐腐蝕的特性，TRC 桁架結構通過高效的荷載傳遞機制實現了材料和使用重量的顯著減少。實驗研究探討了 TRC 桁架的設計方法和制造可能性，以及在彎曲荷載下的宏觀結構響應、裂縫形成和破壞機制。此外，該研究還研究了與不同錨固可行性和增強率相關的各種增強布局對結構性能的影響。研究發現，與全截面矩形 TRC 梁相比，TRC 桁架保持了其結構性能，同時實現了顯著的節約材料和減輕重量（約 50%）。研究還發現，有效的錨固是控制結構響應的主導參數。這項研究的成果突出了 TRC 桁架作為結構部件的可持續替代品的巨大潛力。

一、引言

隨著建筑行業對輕質、高效、可持續結構的需求日益增長，TRC技術因其獨特的優勢而備受關注。TRC 使用纖維材料替代傳統鋼筋，能夠構建薄壁結構，并具有良好的成型性和耐腐蝕性。盡管 TRC 技術在板和殼結構中取得了顯著進展，但在桁架結構中的應用仍相對較少。傳統的鋼筋混凝土桁架結構存在重量大、易腐蝕等問題，限制了其應用范圍。

近日，期刊《Composite Structures》發表了由以色列本古里安大學土木與環境工程系和以色列海法理工學院土木與環境工程學院的研究團隊完成的關于TRC 桁架結構的研究成果。該研究采用 3D 紡織增強材料和高性能水泥基體材料，設計并制作了不同增強布局的 TRC 桁架試件。通過四點彎曲試驗，研究了 TRC 桁架的宏觀結構響應、裂縫形成和破壞模式，并將其與全截面矩形 TRC 梁進行了比較。論文標題為“TRC truss – Proof of concept by experimental investigation”。

二、研究內容及方法

TRC桁架的概念設計，基于桁架和拉桿模型（strut and tie modeling；STM）原理，將彎曲載荷轉換為桁架構件內的內部拉壓荷載。該研究旨在展示TRC技術是設計和建造混凝土桁架的首選技術。通過探索優化過程中產生的桁架方案，并根據生產限制進行修改，展示了TRC桁架概念的實施。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現內部力矩的傳遞。因此，每個桁架構件都會經歷內部單軸荷載和力矩。需要注意的是，所呈現的結果僅適用于線彈性狀態。

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

圖 1.3D AR 玻璃紡織品細節。

關于TRC桁架的材料和制作方法，包括所選用的3D AR-玻璃纖維紡織增強材料（SitGrid 702），其由兩層AR-玻璃纖維網和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充分滲透的細粒高強水泥基混合物。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桁架設計的模塊化和可重復使用的模具，該模具由外部面板和內部棱柱組成，通過定位三角形棱柱來確定空心區域。生產過程包括準備模具、放置紡織物、混凝土混合、澆筑混凝土、脫模和養護。加載測試和監測系統也在本節中進行了說明，桁架在四點彎曲測試中通過INSTRON機器進行加載，加載速率為0.5毫米/分鐘，使用數字圖像相關技術測量應變和位移剖面。

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

圖3.梁內不同紡織品布局的規范。

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

圖 4. (a) 彎曲試驗裝置 (b) 兩個攝像機 (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、擴展和分布，以及桁架構件內部的荷載傳遞機制。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系，研究發現TRC桁架相比于全截面矩形TRC梁具有更多的裂縫數量，但裂縫寬度較小，這表明TRC桁架在內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展有顯著影響，其中“U”型布局由于紡織物在節點處的角度較大，能夠更有效地傳遞內部荷載，從而提高了桁架節點的承載能力。此外，裂縫分析還揭示了TRC桁架在不同加載階段的裂縫發展模式，顯示了TRC桁架在結構效率和裂縫控制方面的優勢。

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

該研究通過實驗后的加工檢查，揭示了TRC桁架在受到拉伸、剪切和壓縮應力時的主要破壞類型。研究發現，拉伸破壞主要發生在節點處，當局部拉伸應力超過紡織材料的抗拉強度時，紡織材料可能會發生斷裂或被拉出；剪切破壞則表現為在桁架的全局剪切區域形成的對角裂縫，這些裂縫沿著混凝土梁在彎曲荷載下的剪切應力路徑傳播；壓縮破壞則可能由于混凝土的壓碎或構件的屈曲而發生。通過對破壞模式的表征，研究強調了在設計和制造TRC桁架時，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，以避免在節點處產生應力集中和破壞。

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：（a）和（b）顯示拋光樣品的失效區域，（c）通過失效前最后兩張相機照片展示了上部中央桁架構件的屈曲。

三、 小結

該研究表明，TRC 桁架結構具有良好的結構性能和可持續性，能夠有效減輕結構重量并節約材料，同時保持與傳統鋼筋混凝土梁相似的力學性能。該研究為 TRC 桁架結構的進一步發展和應用提供了重要的理論和實驗依據。

原始文獻：

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