新型复合材料在低层房屋建筑结构中的力学性能研究

引言

在建筑行业蓬勃发展与可持续发展理念深入人心的背景下，传统建筑材料如砖石、混凝土、钢材等在低层房屋建筑应用中逐渐暴露出诸多弊端。传统混凝土材料自重大，增加建筑基础负担且施工过程能耗高；钢材易受腐蚀，需定期维护，耐久性欠佳，这些问题制约着建筑行业的绿色化转型与高质量发展。

一、新型复合材料概述

1.1 新型复合材料的定义与分类

新型复合材料是指通过先进的复合工艺，将两种或两种以上不同性质的材料，如金属材料、无机非金属材料、高分子材料等，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，优化组合而成的具有可设计性的多相材料。从材料组成角度，新型复合材料主要分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层状复合材料。颗粒增强复合材料通过在基体中均匀分散颗粒状增强材料，如纳米颗粒、陶瓷颗粒等，提升材料的强度、硬度和耐磨性。

1.2 新型复合材料的特点与优势

新型复合材料性能优越，主要有轻质高强、碳纤维增强复合材料的密度仅为钢材的 1/4，抗拉强度是钢材的 10 倍以上，用于低层房屋建筑可以大幅度降低结构自重，降低基脚荷载，减少材料用量、降低施工成本。耐腐蚀性强，能抵抗酸碱、盐雾等环境对钢结构的侵蚀破坏，特别是沿海地区、化工园区等腐蚀严重的建筑，降低维护成本，延长寿命。复合材料还具备良好的可设计性，通过调整材料组成、配比和成型工艺，可定制满足不同力学性能、物理性能需求的材料，适应低层房屋建筑多样化的功能要求。

1.3 新型复合材料在建筑领域的应用现状

复合材料近年应用在建筑中的热点主要是两类。一是结构构件，包括GFRP 筋替代部分钢筋应用于混凝土结构解决钢筋锈蚀耐久性问题，在桥梁、隧道等工程已经得到大量应用；非结构构件中，应用了大量复合材料墙板、屋面板，如具有防火、防水、隔声功能的纤维水泥板在低层住宅中的应用量很大；玻璃纤维增强塑料 (FRP) 采光板透光性能好、自重轻，常作为屋面的采光板。但是，目前的应用限制较多，部分高强复合材料昂贵难以推广应用，应用的设计规范和施工标准尚未出台，工程应用的经验不够，制约了复合材料性能的发挥。

二、低层房屋建筑结构对材料力学性能的要求

2.1 低层房屋建筑结构的特点与功能需求

农村地区低层房屋建筑结构低层建筑结构层数较少、受力较为单一，多为砖混结构、框架结构或轻型钢结构，要求对建筑材料在功用及经济性方面进行选用，同时满足以下几种功能，其必须具有足够的承载力，以满足竖向荷载及水平荷载作用；结构变形性能优良，在荷载作用下结构的变形在允许范围内，不至于影响房屋建筑使用功能及安全性；考虑房屋建筑有一定的空间适应性能，以满足多种屋面、墙面和地面的使用要求。在农村地区屋面房房屋建筑中还应考虑材料的耐候性，以适应复杂的气候环境；在旅游景区低层房屋建筑中，则要求材料的外观性能及环保性能优良。

2.2 材料力学性能对结构安全性与耐久性的影响

材料的力学性能的优劣决定着低层房屋建筑结构的安全与耐久性能，对材料的力学性能是结构所涉及的力学特性指标。其包括力学的强度、弹性模量及延性，强度指标是结构构件最大极限的承载力，构件的抗压、抗拉以及抗剪强度达到结构所设计的承载能力方可使用，材料的强度无法达到结构设计要求的强度会导致结构的破损。如墙体材料强度不足，将会导致墙体出现裂缝，引发倒塌的安全风险等；如果梁、板的材料无法达到结构设计要求，将会降低结构的承载力，使得结构一旦承受过大重量，将会导致结构出现垮塌事故等；弹性模量体现材料的变形的强弱指标，弹性模量越小的材料在受力的状态下，会大大增加弹性变形，从而导致建筑物的结构出现裂缝、倾斜等问题；延性指标是指材料在受力破坏前的变形大小，延性良好的材料，结构在遭受到地震等突发荷载的情况下，可以充分利用塑形变形吸收的荷载，在荷载产生的破坏之前就能够有效地消耗掉荷载的重力，避免结构产生脆性破坏而直接导致结构出现不承载的现象等问题。

三、新型复合材料在低层房屋建筑结构中的力学性能模拟分析

3.1 有限元模型的建立

对于新型复合材料力学性能的模拟仿真分析，则借助于 ANSYS、ABAQUS 等有限元分析软件。以纤维增强复合材料为例，建模分析时要首先对材料属性进行确定，对于各向异性的纤维增强材料，需输入纤维方向及垂直纤维方向弹性模量、泊松比、剪切模量等属性，利用实体单元、壳单元或梁单元将结构离散化，依据构件受力特点和分析精度要求选择相应的单元类型，以 GFRP 筋混凝土梁为例，可用混凝土采用实体单元进行模拟，GFRP 筋采用梁单元来模拟，通过设置界面接触属性，模拟其粘结滑移特性。合理的施加边界条件和荷载，例如对简支梁施加均布荷载或集中荷载，将固定支座处约束相应的自由度，使得模型满足实际受力工况。

3.2 模拟结果与试验结果对比

对新型复合材料构件进行有限元模拟，获得构件的应力分布、变形曲线、破坏模式等，并将其与试验结果进行比对。以 CFRP 加固混凝土柱轴压试验为例，获得模拟的荷载—位移曲线与试验曲线在弹性阶段和塑性阶段走势基本一致，极限承载力模拟值与试验值的误差在 5% 以内，验证了模型的有效性，但当模拟复杂受力状态或材料非线性行为时会出现一定的偏移；模拟复合材料与混凝土界面的粘结破坏过程时，因实际界面性能受施工工艺、环境等因素影响较大，模型结果与试验之间会有一定差异，通过分析差异产生原因可以进一步优化模型参数、模拟方法以提高模拟精度。

3.3 参数化分析与性能优化

对新型复合材料的各项参数进行分析，分析其组成材料、构件尺寸、纤维的铺设角度等对新型复合材料的力学性能的影响。以 GFRP 板加固砌体墙为例改变 GFRP 板的厚度、层数、粘贴方法对墙体的抗剪承载力的变化趋势进行分析。结果表明，墙体抗剪承载力随着 GFRP 板厚度的增加成线性增长趋势；通过优化纤维铺设角度能够发挥其材料性能。利用参数化的分析结果提出性能的优化方法。在低层的房屋建筑工程中屋面结构可以通过优化复合材料板的纤维铺层设计，使在满足承载能力的前提下结构自重减轻；在墙体的选材上结合当地气候及建筑的功能需求对复合材料的隔热、防水等性能参数进行调整，以达到满足材料性能与建筑需求匹配的目的。

结语

本研究系统探讨了新型复合材料在低层房屋建筑结构中的应用。通过分析材料特性、建筑结构需求及力学性能模拟，揭示了新型复合材料的应用潜力与优化方向。未来需进一步加强材料研发，降低成本，完善设计与施工标准，推动新型复合材料在低层房屋建筑领域的广泛应用，助力建筑行业绿色、可持续发展。

参考文献

[1] 李凯强 , 杨金帅 , 钱磊 . 碳纤维增强复合材料在建筑结构中的力学性能及施工工艺分析 [J]. 居舍 ,2025,(10):44-46.

[2] 赵宏源 . 再生混凝土在装配式建筑结构中力学性能分析 [J]. 陶瓷 ,2021,(03):91-92.