这项研究开发了由 3D 纺织材料增强的纺织增强混凝土 (textile-reinforced concrete；TRC) 桁架。研究表明，利用纺织品能够适应复杂形状和耐腐蚀的特性，TRC 桁架结构通过高效的荷载传递机制实现了材料和使用重量的显著减少。实验研究探讨了 TRC 桁架的设计方法和制造可能性，以及在弯曲荷载下的宏观结构响应、裂缝形成和破坏机制。此外，该研究还研究了与不同锚固可行性和增强率相关的各种增强布局对结构性能的影响。研究发现，与全截面矩形 TRC 梁相比，TRC 桁架保持了其结构性能，同时实现了显著的节约材料和减轻重量（约 50%）。研究还发现，有效的锚固是控制结构响应的主导参数。这项研究的成果突出了 TRC 桁架作为结构部件的可持续替代品的巨大潜力。

一、引言

随着建筑行业对轻质、高效、可持续结构的需求日益增长，TRC技术因其独特的优势而备受关注。TRC 使用纤维材料替代传统钢筋，能够构建薄壁结构，并具有良好的成型性和耐腐蚀性。尽管 TRC 技术在板和壳结构中取得了显著进展，但在桁架结构中的应用仍相对较少。传统的钢筋混凝土桁架结构存在重量大、易腐蚀等问题，限制了其应用范围。

近日，期刊《Composite Structures》发表了由以色列本古里安大学土木与环境工程系和以色列海法理工学院土木与环境工程学院的研究团队完成的关于TRC 桁架结构的研究成果。该研究采用 3D 纺织增强材料和高性能水泥基体材料，设计并制作了不同增强布局的 TRC 桁架试件。通过四点弯曲试验，研究了 TRC 桁架的宏观结构响应、裂缝形成和破坏模式，并将其与全截面矩形 TRC 梁进行了比较。论文标题为“TRC truss – Proof of concept by experimental investigation”。

二、研究内容及方法

TRC桁架的概念设计，基于桁架和拉杆模型（strut and tie modeling；STM）原理，将弯曲载荷转换为桁架构件内的内部拉压荷载。该研究旨在展示TRC技术是设计和建造混凝土桁架的首选技术。通过探索优化过程中产生的桁架方案，并根据生产限制进行修改，展示了TRC桁架概念的实施。由于混凝土桁架缺乏铰接连接，需要固有的固定连接，模型集成了刚性连接以实现内部力矩的传递。因此，每个桁架构件都会经历内部单轴荷载和力矩。需要注意的是，所呈现的结果仅适用于线弹性状态。

相应地，桁架构件被划分为3组：底部构件通过内部拉力承载；上部构件通过内部压力承载；中间构件可以是拉力、压力或“零”构件（“零”指的是没有内部单轴力的构件）。加固细节基于这种划分。桁架的增强材料采用 3D 纺织品，并介绍了五种不同的增强布局方案，用于评估不同锚固机制和增强率对桁架结构性能的影响。

图 1.3D AR 玻璃纺织品细节。

关于TRC桁架的材料和制作方法，包括所选用的3D AR-玻璃纤维纺织增强材料（SitGrid 702），其由两层AR-玻璃纤维网和12毫米的横向聚酯单丝连接而成，还有用于确保通过纺织网充分渗透的细粒高强水泥基混合物。该混合物由CEM I 52.5、水、砂、硅灰和超塑化剂组成，水胶比为0.4，水胶凝比为0.33。此外，还介绍了为TRC桁架设计的模块化和可重复使用的模具，该模具由外部面板和内部棱柱组成，通过定位三角形棱柱来确定空心区域。生产过程包括准备模具、放置纺织物、混凝土混合、浇筑混凝土、脱模和养护。加载测试和监测系统也在本节中进行了说明，桁架在四点弯曲测试中通过INSTRON机器进行加载，加载速率为0.5毫米/分钟，使用数字图像相关技术测量应变和位移剖面。

图 2. (a) 模具平面图，(b) 模具内部三棱柱之间排列的纺织品（蓝色）。

图3.梁内不同纺织品布局的规范。

通过实验研究比较了不同纺织布局的TRC桁架在宏观结构上的表现。研究分为两个主要部分：首先，分析了TRC桁架在不同纺织布局下的宏观结构响应，包括首次开裂荷载、极限荷载和两个主要状态下的等效弯曲刚度，并发现所有TRC桁架在弹性阶段和首次开裂后阶段的结构响应特征；其次，将TRC桁架与全截面矩形TRC梁的宏观结构行为进行了比较，结果显示TRC桁架在保持相似宏观结构性能的同时，实现了显著的材料节省和重量减轻，突出了桁架几何形状的结构效率。此外，讨论了纺织物在压缩构件中的作用，建议在所有压缩混凝土构件中至少施加最小量的加固，以确保结构的完整性和耐久性。

图 4. (a) 弯曲试验装置 (b) 两个摄像机 (左和右) 拍摄的桁架正面图像。

TRC桁架在不同纺织布局下的裂缝形成、扩展和分布，以及桁架构件内部的荷载传递机制。通过对比W16-stch、U32-NCR和U32-NCR-rect三种不同布局的桁架在加载过程中的裂缝宽度与中部位移的关系，研究发现TRC桁架相比于全截面矩形TRC梁具有更多的裂缝数量，但裂缝宽度较小，这表明TRC桁架在内部荷载分布和裂缝控制方面更为有效。研究还指出，纺织物的锚固方式对裂缝的形成和扩展有显著影响，其中“U”型布局由于纺织物在节点处的角度较大，能够更有效地传递内部荷载，从而提高了桁架节点的承载能力。此外，裂缝分析还揭示了TRC桁架在不同加载阶段的裂缝发展模式，显示了TRC桁架在结构效率和裂缝控制方面的优势。

图 5. 两种桁架布局的张紧桁架构件的开裂荷载范围：W16-stch（橙色）和 U32-NCR（黄色）。

该研究通过实验后的加工检查，揭示了TRC桁架在受到拉伸、剪切和压缩应力时的主要破坏类型。研究发现，拉伸破坏主要发生在节点处，当局部拉伸应力超过纺织材料的抗拉强度时，纺织材料可能会发生断裂或被拉出；剪切破坏则表现为在桁架的全局剪切区域形成的对角裂缝，这些裂缝沿着混凝土梁在弯曲荷载下的剪切应力路径传播；压缩破坏则可能由于混凝土的压碎或构件的屈曲而发生。通过对破坏模式的表征，研究强调了在设计和制造TRC桁架时，需要考虑纺织材料的锚固效果、桁架角度和纺织材料的弯曲角度，以避免在节点处产生应力集中和破坏。

图 6. TRC 桁架的失效模式：（a）拉伸（b）剪切（c）压缩。失效以黄色突出显示。右侧：（a）和（b）显示抛光样品的失效区域，（c）通过失效前最后两张相机照片展示了上部中央桁架构件的屈曲。

三、 小结

该研究表明，TRC 桁架结构具有良好的结构性能和可持续性，能够有效减轻结构重量并节约材料，同时保持与传统钢筋混凝土梁相似的力学性能。该研究为 TRC 桁架结构的进一步发展和应用提供了重要的理论和实验依据。

原始文献：

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

原文链接：

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