CN109129818B - 一种3d打印编织一体化成型的复合梁的建造方法及复合梁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法及复合梁，包括：建模进行受力分析，进行梁构件空间体型优化，确定复合梁构件骨架或复合梁构件外模的形状和厚度；确定线材编织范围、编织用量和加密编织与普通编织的区域；确定编织流程，并与基体打印流程共同组合设计，形成复打印编织一体化流程；配制3D打印材料；根据打印编织一体化流程进行3D打印基体和编入线材，得到复合梁或复合梁外模。本发明提供的建造方法所制备的梁构件为复合梁，有效改善了3D打印构件的抗拉、抗剪、抗磨和抗裂性能，大大增强了构件的断裂韧性和抗冲击性能，提升梁构件的疲劳性能及其耐久性，提升空间跨越能力，施工便捷，快速适用。
Description
技术领域
本发明涉及结构设计与建造施工技术领域，特别是涉及一种3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法及复合梁。
背景技术
梁构件作为建筑结构实现空间跨越的基本构件，承托着上部构架中的结构自重和使用荷载，是上部构架中最为重要的部分，其设计建造是结构分析的重要环节，对结构空间设计和使用安全起着至关重要的作用。
现有技术中将空间多变的3D打印优势与传统的钢筋材料进行结合，都是利用3D打印工艺的形塑能力打印外壳或者主要支架，然后采用传统的钢筋骨架制造模式，建筑普通混凝土施工。
公开号为CN204263543U的中国专利文献公开了一种纤维增强复合材料增强3D打印结构，该纤维增强复合材料增强3D打印结构为纤维增强复合材料增强3D打印梁，包括：3D打印梁；FRP梁外覆层，FRP梁外覆层位于所述3D打印梁的外表面，FRP梁外覆层包括：FRP梁底板、FRP梁侧板以及FRP梁箍中的一种或多种的组合。FRP梁外覆层通过手糊、喷射、板材粘贴或真空灌注方式形成在所述3D打印梁的外表面。
而且现有方法打印的外壳与内部混凝土之间的抗剪承载能力有限，当结构受力较大时不能满足结构的整体性要求。当建造建筑跨度较大或者梁式构件体积较大时，在施工阶段就会因为混凝土的浇入引起外壳产生较大的变形和开裂，不能满足建造和使用要求。因此，需要针对这些问题研发新的结构形式和建造方法。
3D打印基体抗拉强度较低，但是与柔韧高强、几何可变的材料组合就能形成强韧的空间网络，保障结构在多种使用工况下的承载能力，变形能力和耐久性能。其中，北京纳盛通(NST)新材料科技有限公司、北京热塑性复合材料工程技术研究所,碳纤维复合材料创新中心研发出的新型超轻量化、高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀的工业级别3D打印碳纤维增强纳米复合材料，各种规则高强钢绞线，钢-FRP复合线材，高强复合线材可为此结构的实现提供可行途径。但是，如何采用现有的3D打印技术和已有的水泥基胶凝材料，与高强高韧复合材料相结合制造新型建筑结构是其中需要解决的关键问题。
由于上述现有3D打印基体在抗拉强度和韧性方面的不足，导致打印结构难以突破空间跨度和承载力方面的局限，需要针对这些不足研发新的梁式构件，以解决现有3D建造技术对建筑设计的束缚。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印编织一体化成型复合梁的建造方法。本发明提供的建造方法所制备的梁构件有效改善了3D打印构件的抗拉、抗剪、抗磨和抗裂性能，大大增强了构件的断裂韧性和抗冲击性能，提升梁构件的疲劳性能及其耐久性，提升空间跨越能力，施工便捷，快速适用。
一种3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法，包括以下步骤：
(1)确定梁跨度、梁高和梁宽，根据梁的两端支承状态、承受施工荷载与使用荷载的设计值，建模进行受力分析；结合应力分布规律，设定判别域逐步剔除低应力材料，进行梁构件空间体型优化，确定复合梁构件骨架或复合梁构件外模的形状和厚度；
(2)根据体型优化后的复合梁构件骨架或复合梁构件外模的拉应力及安全系数分布规律，以及受力阈值确定线材编织范围；根据复合梁构件骨架或复合梁构件外模荷载组合后的应力值、应力/强度比值与安全系数大小确定线材的编织用量；并设定复合梁构件骨架或复合梁构件外模中加密编织与普通编织的区域；
(3)根据步骤(2)得到的编织范围、编织用量以及加密编织与普通编织的区域确定编织流程，并与基体打印流程共同组合设计，形成复合梁构件骨架或复合梁构件外模的打印编织一体化流程；
(4)配制3D打印材料；
(5)根据步骤(3)中的复合梁构件骨架或复合梁构件外模的打印编织一体化流程进行3D打印基体和编入线材，得到复合梁或复合梁外模。
所述的步骤(1)中，结构空间优化的方法选自双向渐进优化算法、体型拓扑优化，所述的体型拓扑优化选自均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法(ESO)或水平集方法。
在步骤(2)中，所述的线材选自钢绞线、纤维复合线材或纳米线材中的一种或至少两种的组合。
采用线材代替钢筋，轻质高强、几何可变、多股线材绞绕编织，具有较高的表面摩擦系数，与基体一体化成型协同受力，保障强韧性新型结构的力学性能、抗震性能、疲劳性能和耐久性。
所述的步骤(3)还包括在编织范围设置编织定位点，用于为编织线材定位。
在步骤(4)中，所述的3D打印材料选自水泥基材料、石膏材料、塑料或尼龙材料中一种或至少两种的组合。
3D打印材料具有快速成型和便捷施工的特点，与普通水泥基材料相比具有较高的强度和塑形能力。
所述的3D打印材料还包括增强组分，所述增强组分选自纤维聚合物、膨化微珠、珍珠岩、低聚物、石墨稀土、纳米材料、树脂或橡胶中的一种或至少两种的组合。
其中，增强组分可以为各种尺度和各种形态。
在步骤(5)中，所述的线材的编入方法为：在平行打印方向上，3D打印基体时一体化编入线材，在编织定位点喷射螺钉定位，编入的线材缠绕在喷射的螺钉上；在垂直打印方向上，3D打印基体后，在编织定位点喷射螺钉定位，在打印材料初凝前编入线材，编入的线材缠绕在喷射的螺钉上形成空间网格。
根据步骤(5)中的复合梁构件骨架进行3D打印基体和编入线材的得到复合梁的方法为：逐层打印后叠加得到一次性形成复合梁构件，或分区域打印局部构件，通过预设榫接构造段，结合后张预应力张拉技术形成复合梁构件。
分区域打印局部构件适用于大跨梁式构件。
在3D打印基体结构过程中喷射螺钉作为定位针可以实现增韧线材的立体编织，保障编织精度和结构受力安全，结构造型更为合理，设计准确实施。平行打印方向可以一体化编入绳材，关键点射钉定位保证几何编织造型，垂直打印方向可以射钉定位逐层编入形成空间网格；在打印基体中喷射螺钉实现空间定位，可以保障打印编织精度。
本发明提供的建造方法还包括在步骤(5)得到的复合梁构件外模的内部布置钢筋笼和浇注混凝土，形成复合梁。
所述的复合梁还包括分布在复合梁外模内侧或外侧上的加强肋。
优选地，所述加强肋位于复合梁外模的内侧。
在本发明中，线材又称为绳材。
与现有技术相比，本发明的技术效果体现在：
1、采用3D打印基体(具有快速成型的特点)替代传统混凝土，采用高强线材(具有几何可变的特点)替代钢筋，采用空间打印编织成型技术代替传统建筑结构工艺，不仅减少了建筑施工程序，降低了劳动强度，而且美化了梁体结构立面造型。
2、高强线材的柔性编织增强形式，既可以自成体系，也可以与现有筋材进行组合设计施工，有效改善了3D打印构件的抗拉、抗剪、抗磨和抗裂性能，大大增强构件断裂韧性和抗冲击性能，提升复合梁的疲劳性能及其耐久性，提升空间跨越能力，使3D打印建筑物的优势全面凸显，不局限于小型建筑结构。
3、采用梁体空间优化设计，合理选择结构形式，采用空间定位，将高强线材一体化编织进入打印基体形成强韧复合梁结构，既能达到结构力学的不同要求，又可以在安全可靠的基础上可达到经济美观。
4、3D打印编织梁式构件外模、内置钢筋笼、浇注混凝土后形成的一体化钢筋混凝土梁式构件，加强肋的采用提高了构件的刚度、外模与内部混凝土间的力学兼容性和抗剪性能，构件整体性好、牢固可靠。高强线材的植入增强了模板强度和抗裂能力，满足较大跨度结构的施工和使用要求。而且此技术省去了传统模板的加工、现场安装和模板拆除与清洗工作，节省工时，提高了施工效率。
5、对于大跨空间梁体结构，可以分区域单独打印编织局部，再组装成为整体，采用预设榫接构件和后张预应力工艺加强整体性。该新型强韧复合梁可与传统建筑结构组合，具有灵活多变的兼容性和普适性。
附图说明
图1为本发明提供的建造方法的流程图；
图2为打印编织一体化流程的示意图；
图3为实施例1中经空间体型优化后的6款复合梁构件示意图；
图4为实施例1中优选复合梁构件的正应力分布图；
图5为实施例1中优选复合梁构件的主拉应力分布图；
图6为实施例1中优选复合梁构件的打印编织建造过程示意图；
图7为实施例2中3D打印编织形成的复合梁外模示意图；
图8为实施例2中复合梁外模的轴侧图；
图9为实施例2中复合梁外模的纵剖图；
图10为实施例2中复合梁外模的俯视图；
图11为实施例2中复合梁外模的打印编织建造过程示意图；
图12为实施例2中混凝土、钢筋笼及复合梁外模的结合示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1和图2所示，一种3D打印编织一体化成型的复合梁的设计和建造方法，包括以下步骤：
(1)确定梁跨度、梁高和梁宽，根据梁的两端铰支状态、承受均布荷载及集中荷载的设计值，空间建模后采用有限元分析，结合应力云图，设定判别域逐步剔除低应力部分，进行空间体型优化，可以初步得到复合梁构件设计方案，如图3所示。对图3所示的6个方案进行计算分析，经对比每种方案下结构的最大主拉应力和安全系数，发现第一种方案的最大拉应力最小、安全系数最大，选择图3的第一种方案作为3D打印编织的复合梁式构件。
(2)根据图3中第一方案的正应力和最大主拉应力的计算结果(分别如图4和图5所示)，或安全系数分布规律，确定线材编织范围；根据荷载组合确定线材的编织用量，从而设定加密编织与普通编织区域，如图6所示，其中，EF段、FG段、GH段、AB段、CD段、IJ段和KL段为加密编织区域，BC段、AD段、DE段、HI段、JK段和IL段为不加密编织区域(即，普通编织区域)。确定编织流程，并与基体打印流程共同组合设计，形成打印编织一体化流程。
(3)配制3D打印材料。
(4)将制备好的3D打印基体和高强线材按预先设计的流程从底层开始逐层编织打印，采用叠加成型的方式分层增材建造，线材的编入方法为：在平行打印方向上，3D打印基体时一体化编入线材，在编织定位点喷射螺钉定位，编入的线材缠绕在喷射的螺钉上；在垂直打印方向上，3D打印基体后，在编织定位点喷射螺钉定位，在打印材料初凝前编入线材，编入的线材缠绕在喷射的螺钉上形成空间网格。
具体地，建造方法如图6所示，a图为打印方向示意图，箭头方向为打印方向，A`点为打印起始点；b图为编织方向示意图，箭头方向为编织方向，其中A点为编织起始点、A-L点为螺钉，EH、HE段为加密编织区域。
以打印BC段为例，用3D打印材料打印这段基体后，在3D打印材料初凝前在B点和C点喷射螺钉后编入线材。
按照打印编织一体化流程逐层编织打印后即可一次性形成3D打印编织一体化复合梁构件。
实施例2
本实施例通过3D打印编织一体化成型的复合梁构件外模(复合梁构件外模又称为复合梁外模)，再内置钢筋和浇注混凝土得到复合梁，具体包括以下步骤：
1、确定梁的跨度、梁高和梁宽，根据梁端铰支状态、施工阶段承受荷载的设计值，确定复合梁容易受拉开裂和施工阶段变形较大的区域为打印时编织加强区域；确定3D打印梁外模的厚度，根据荷载组合后构件外模区应力、安全系数大小确定线材的编织用量。
本实施例中先3D打印编织形成的复合梁外模的结构如图7所示，其轴侧图、纵剖面和俯视面分别如图8-10所示，复合梁外模包括构件外壳和内侧加强肋；此外，外壳打印时可以根据需要设置各种供安装及运输用的孔洞或者预埋件。
2、确定编织流程，并与基体打印流程共同组合设计，形成打印编织一体化流程。配制3D打印材料，将制备好的3D打印基体和高强线材按预先设计的流程逐层编织打印，如图11所示。
3、外壳硬化并达到规定强度后，将预先绑扎好的钢筋笼放入内部，然后向内部浇筑混凝土，注入的混凝土与钢筋笼及一体化3D打印编织外壳结合于一体形成复合梁，如图12所示。如此施工的复合梁无需传统构件施工时的脱模工序，施工快捷、效率高、节省成本。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。
Claims (8)
1.一种3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法，包括以下步骤：
（1）确定梁跨度、梁高和梁宽，根据梁的两端支承状态、承受施工荷载与使用荷载的设计值，建模进行受力分析；结合应力分布规律，设定判别域逐步剔除低应力材料，进行梁构件空间体型优化，确定复合梁构件骨架或复合梁构件外模的形状和厚度；
（2）根据体型优化后的复合梁构件骨架或复合梁构件外模的拉应力及安全系数分布规律，以及受力阈值确定线材编织范围；根据复合梁构件骨架或复合梁构件外模荷载组合后的应力值、应力/强度比值与安全系数大小确定线材的编织用量；并设定复合梁构件骨架或复合梁构件外模中加密编织与普通编织的区域；所述的线材选自钢绞线、纤维复合线材或纳米线材中的一种或至少两种的组合；
（3）根据步骤（2）得到的编织范围、编织用量以及加密编织与普通编织的区域确定编织流程，并与基体打印流程共同组合设计，形成复合梁构件骨架或复合梁构件外模的打印编织一体化流程；
（4）配制3D打印材料；
（5）根据步骤（3）中的复合梁构件骨架或复合梁构件外模的打印编织一体化流程进行3D打印基体和编入线材，得到复合梁或复合梁外模；所述的线材的编入方法为：在平行打印方向上，3D打印基体时一体化编入线材，在编织定位点喷射螺钉定位，编入的线材缠绕在喷射的螺钉上；在垂直打印方向上，3D打印基体后，在编织定位点喷射螺钉定位，在打印材料初凝前编入线材，编入的线材缠绕在喷射的螺钉上形成空间网格。
2.根据权利要求1所述的3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法，其特征在于，所述的步骤（3）还包括在编织范围设置编织定位点，用于为编织线材定位。
3.根据权利要求1所述的3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述的3D打印材料选自水泥基材料、石膏材料或塑料中一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1所述的3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述的3D打印材料还包括增强组分，所述增强组分选自纤维聚合物、膨化微珠、珍珠岩、低聚物、石墨稀土、纳米材料、树脂或橡胶中的一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1所述的3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法，其特征在于，根据步骤（5）中的复合梁构件骨架进行3D打印基体和编入线材的得到复合梁的方法为：逐层打印后叠加得到一次性形成复合梁构件，或分区域打印局部构件，通过预设榫接构造段，结合后浇或后张预应力张拉技术形成复合梁构件。
6.根据权利要求1所述的3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法，其特征在于，所述建造方法还包括在步骤（5）得到的复合梁构件外模的内部布置钢筋笼和浇注混凝土，形成复合梁。
7.根据权利要求6所述的3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法，其特征在于，所述的复合梁还包括分布在复合梁外模内侧或外侧上的加强肋。
8.根据权利要求1~7任一项权利要求所述的3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法建造的复合梁。
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