CN111015891B - 一种用于3d打印混凝土结构的层间嵌订方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法：选取基本结构构件，由构件尺寸和材料力学性能计算基本结构构件的承载能力，确定嵌订结构的尺寸、布置方式、布置间距和布置数量；根据基本结构构件的构件种类、承载工况和打印的混凝土层厚度确定嵌订结构两端的弯折长度，嵌订结构两端的弯折长度大于单层混凝土层的厚度；根据基本结构构件的适用打印方式打印混凝土层，并根据嵌订结构的布置方式和布置间距在混凝土层之间布置嵌订结构，重复打印混凝土层和布置嵌订结构，直至形成完整的基本结构构件。该方法利用嵌订结构对3D打印混凝土结构进行层间加强，提升混凝土结构的抗剪性能。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印和建筑结构技术领域，特别涉及一种用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法。
背景技术
3D打印技术是一种新型“去模化”增材制造技术，将3D打印技术运用于传统建筑行业可以实现混凝土免模免拆，节约成本，保护环境的目的，并且3D打印混凝土技术具有很强的形塑能力，可以方便的打印出美观的建筑艺术品。将3D打印技术运用于建筑桥梁结构已有先例，2018年1月12日，世界上最大规模的3D打印混凝土步行桥在上海落成，标志着3D打印混凝土技术从研发向实际应用迈出了新的一步，也表明我国3D打印混凝土技术已经达到世界先进水平。
尽管3D打印材料从可打印性和打印成型后的性能均表现出良好的建造适用性，但目前的打印施工工艺还无法做到在打印过程中进行配筋，只能在层条内部采用定向纤维(CN 106313272 A)，绳线材(CN 109227875 B)进行平行层条方向的增强，局限了打印结构的形式和承载能力。由于混凝土结构的抗剪失效脆性特征显著，有要实现更大的空间跨度，打印出具有较高承载能力的3D打印混凝土大型结构，需对其进行有效的层间增强，以保证结构在各种工况下的整体受力性能。
发明内容
本发明公开了一种用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，该方法利用嵌订结构对3D打印混凝土结构进行层间加强，提升混凝土结构的抗剪性能。
本发明提供如下技术方案：
一种用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，所述层间嵌订方法包括以下步骤：
(1)选取基本结构构件，由构件尺寸和材料力学性能计算基本结构构件的承载能力，确定嵌订结构的尺寸、布置方式、布置间距和布置数量；所述嵌订结构为对刚性材料的两端进行弯折后形成，用于插入混凝土层后提高层间抗剪性能；
(2)根据基本结构构件的构件种类、承载工况和打印的混凝土层厚度确定嵌订结构两端的弯折长度，所述嵌订结构两端的弯折长度大于单层混凝土层的厚度；
(3)根据基本结构构件的适用打印方式打印混凝土层，并根据嵌订结构的布置方式和布置间距在混凝土层之间布置嵌订结构，重复打印混凝土层和布置嵌订结构，直至形成完整的基本结构构件。
本发明利用嵌钉结构提高混凝土3D打印基本结构构件的层间粘结，嵌订结构的两端弯折可以保证基本结构构件在服役期间相邻打印层间的有效嵌固作用，从而改善层间抗剪性能，提升其整体性，使之在承载时不会发生层间受剪破坏和沿打印层间面的劈裂破坏。其中，嵌钉结构两端的弯折长度应大于单层混凝土厚度，以保证穿透打印层，从而才能对相邻层起到有效嵌固作用。
在步骤(1)中，所述嵌订结构的尺寸包括嵌订结构的长度和直径，所述嵌订结构的长度根据3D打印基本结构构件的截面尺寸和考虑工作环境设定的保护层确定，并预留两端的弯折长度；所述嵌订结构的直径小于单层打印混凝土层的厚度；所述嵌订结构的布置方式和布置间距分别根据主拉应力迹线和大小确定。
嵌订结构的直径小于单层打印混凝土层的厚度，用以避免在打印过程中阻碍打印头行进路线。如以现阶段3D打印混凝土结构常用层厚为10mm为例，嵌钉直径宜选择6-10mm。
优选的，所述嵌订结构的布置方式为将嵌订结构的两端弯折朝下后垂直或斜向插入湿态混凝土层中。
具体地，在进行3D混凝土结构打印之前，根据确定的嵌订结构的尺寸和两端的弯折长度，预先将直径小于打印层厚度的刚性材料，两端弯折制作成嵌订结构。其中，为保证嵌固效率，弯折端长度根据构件类型、荷载工况和打印层厚度确定。如采用平铺打印方式时，嵌订结构的布置方式为将嵌订结构的两端弯折朝下后垂直或斜向插入湿态混凝土层中；如采用叠浇打印方式时，嵌订结构的布置方式为将嵌订结构的两端弯折朝下后垂直插入湿态混凝土层的四周。具体地，根据主拉应力方向和裂缝角度在混凝土层上布设。
优选的，所述基本结构构件为梁构件，在步骤(1)中，所述嵌订结构的布置方式为将嵌订结构的两端弯折朝下后垂直或斜向插入湿态混凝土层中；在步骤(2)中，所述嵌订结构的弯折长度为单层混凝土层厚度的1.1-1.7倍。
优选的，所述基本结构构件为梁构件，在步骤(3)中，采用平铺方式打印混凝土层，并在第二层混凝土层开始依次布置受拉纵筋、辅助纵筋和嵌订结构，受拉纵筋和辅助纵筋位于嵌订结构两端的弯折的内侧；之后每间隔一层混凝土层布置受拉纵筋、辅助纵筋和嵌订结构，直至形成完整的梁构件。
3D打印混凝土结构由于层间缝隙和条件缝隙的存在，整体性不如模板浇筑的混凝土。如对于梁结构，采用平铺、叠制打印的混凝土梁在加载过程中有可能会发生沿层间面劈裂的破坏模式，根据3D打印混凝土平铺叠制的特点设计了分层布置方式，层间嵌钉有效嵌固了相邻层间面，提供了较大的空间抗剪承载能力，避免梁在加载过程中发生斜截面层间剪切破坏，提高了打印结构的整体性。
优选的，所述基本结构构件为板构件，在步骤(1)中，所述嵌订结构的布置方式为将嵌订结构的两端弯折朝下后垂直或斜向插入湿态混凝土层中；在步骤(2)中，所述嵌订结构的弯折长度为单层混凝土层厚度的2.1-3.5倍。
优选的，所述基本结构构件为板构件，在步骤(3)中，用平铺方式打印混凝土层，并在第二层混凝土层开始依次布置受拉纵筋和嵌订结构，受拉纵筋位于嵌订结构的弯折的内侧，之后每间隔一层混凝土层错位布置受拉纵筋和嵌订结构，直至形成完整的板构件。
优选的，所述基本结构构件为柱构件，在步骤(1)中，所述嵌订结构的布置方式为将嵌订结构的两端弯折朝下后垂直插入湿态混凝土层的四周；在步骤(2)中，所述嵌订结构的弯折长度为单层混凝土层厚度的2-4倍。
优选的，所述基本结构构件为柱构件，在步骤(3)中，采用堆叠方式打印混凝土层，并在第三层或第四层混凝土层开始，沿着柱的四周布置4道嵌订结构，之后每间隔三层或四层混凝土层布置嵌订结构，直至形成完整的柱构件。
优选的，当基本结构构件为板构件或柱构件时，因为板的双向受力和柱子的抗震需求比较高，嵌订结构层为错位布置(即，下一次布置的嵌订结构和上一层布置的嵌订结构存在错位)，并在嵌订结构层间增加弯折搭接段以形成多钉进行进一步的结构增强。
所述嵌订结构的材质选自钢筋、钢绞线或复合筋材。
本发明提出的用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，对打印路径和打印工艺具有普适性。
具体地，本发明提供的一种层间嵌订方法可以为：针对最常见的平铺叠浇打印方式，可根据结构受力需求确定嵌钉尾端的长度，为保证具有足够的保护层厚度和嵌钉效果，从底层开始布置，每层错位布设，层间间隔对齐，将嵌订弯折端朝下，插入湿态混凝土内；必要时弯折搭接一定长度保障结构整体性能；完成每层打印层条内筋或/和线或/和绳材布置后，沿结构主拉应力迹线布置嵌订结构，继续打印下一层，直到完成整体打印。
与现有技术相比，本发明提供的层间嵌订方法很好地解决了3D打印混凝土结构打印时无法布置层间增强筋材，层间抗剪性能差的技术难题。两端做成弯折的“钉式”结构，施工方便，可与打印流程灵活组合，将相邻打印层有效的嵌订在一起，保证了混凝土梁式结构整体受力，避免层间劈裂破坏，提升3D打印结构抗剪承载力。本发明提出的用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，能够保证3D打印混凝土结构具有足够的层间抗剪承载能力，提高了3D打印混凝土结构的整体承载能力，改善了结构失效形式，弥补了3D打印混凝土结构层间抗剪设计上的空白，提供了行之有效的提高3D打印混凝土结构空间承载增强方式。
附图说明
图1为实施例1中侧卧平铺3D打印梁构件的示意图；
图2为实施例2中倒置平铺3D打印板构件的示意图；
图3为实施例3中叠浇3D打印柱构件的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
实施例1：采用嵌钉结构对3D打印混凝土梁构件进行层间增强
嵌订结构进行侧卧平铺3D打印混凝土梁构件如图1所示，a为垂直向嵌钉增强，b为斜向嵌钉增强。本实施例提供的3D打印混凝土梁构件进行层间增强的方法包括以下步骤：
(1)由打印条3的宽度和打印层2的厚度确定3D打印混凝土梁构件的尺寸，由梁构件的尺寸和所用材料的力学性能根据钢筋混凝土结构设计原理计算梁构件的承载能力，确定嵌订结构1的尺寸、布置方式、布置间距和布置数量。嵌订结构的尺寸包括嵌订结构的长度和直径，嵌订结构的长度根据3D打印基本结构构件的截面尺寸和考虑工作环境设定的保护层确定，并预留两端的弯折长度；嵌订结构的直径小于单层打印混凝土层的厚度；嵌订结构的布置方式和布置间距分别根据主拉应力迹线和大小确定。
(2)根据打印层2的厚度，梁构件的跨度和荷载组合应力确定嵌订结构1的两端弯钩的长度，其适宜长度取1.1-1.7倍的打印层厚度。
(3)采用侧卧平铺打印方式，沿打印方向6开始打印混凝土层，混凝土层沿打印方向7层叠，从第二层混凝土层开始依次布置受拉纵筋4，辅助纵筋5，以及嵌订结构1，并且受拉纵筋4和辅助筋5应该位于嵌订结构1的弯折内侧，三者的组合可以形成良好的整体增强效果。
(4)将第二层的受拉纵筋4、辅助纵筋5和嵌钉结构1布置好后，继续沿方向6进行打印混凝土层，并每间隔一层混凝土层，布置一次受拉纵筋4、辅助纵筋5和嵌钉结构1，直到最后两层打完，形成完整的梁构件。
实施例2：采用嵌订结构对3D打印混凝土板结构进行层间增强
嵌订结构进行倒置平铺3D打印混凝土板构件如图2所示。本实施例提供的3D打印混凝土板构件进行层间增强的方法包括以下步骤：
(1)由打印条3的宽度和打印层2的厚度确定3D打印混凝土板构件的尺寸，由板构件的尺寸和所用材料的力学性能根据钢筋混凝土结构设计原理计算板构件的承载能力，确定嵌订结构1的尺寸、布置方式、布置间距和布置数量。嵌订结构的尺寸包括嵌订结构的长度和直径，嵌订结构的长度根据3D打印基本结构构件的截面尺寸和考虑工作环境设定的保护层确定，并预留两端的弯折长度；嵌订结构的直径小于单层打印混凝土层的厚度；嵌订结构的布置方式和布置间距分别根据主拉应力迹线和大小确定。
(2)根据打印层2的厚度，板构件的跨度、宽度和荷载组合应力确定嵌订结构1的两端弯钩的长度，其适宜长度取2.1-3.5倍的打印层厚度。
(3)采用倒置平铺打印方式，沿打印方向5开始打印混凝土，混凝土层沿打印方向6层叠，从第二层混凝土层开始依次布置受拉纵筋4和嵌订结构1，并且受拉纵筋4应该位于嵌订结构1的弯折内侧，两者以形成良好的整体增强效果。
(4)将第二层的受拉纵筋4和嵌钉结构1布置好后，继续沿方向5进行打印混凝土层，并每间隔一层混凝土层，错位布置一次受拉纵筋4、和嵌钉结构1，直到最后两层打印完，形成完整的板构件。
实施例3：采用嵌订结构对3D打印混凝土柱构件进行层间增强
嵌订结构进行叠浇3D打印混凝土柱构件层间增强如图3所示。本实施例提供的3D打印混凝土柱构件进行层间增强的方法包括以下步骤：
(1)由打印条3的宽度和打印层2的厚度，确定3D打印混凝土柱构件的尺寸，由柱构件的尺寸和所用材料的力学性能，根据钢筋混凝土结构设计原理计算柱构件的承载能力，确定嵌订结构1的尺寸、布置方式、布置间距和布置数量。嵌订结构的尺寸包括嵌订结构的长度和直径，嵌订结构的长度根据3D打印基本结构构件的截面尺寸和考虑工作环境设定的保护层确定，并预留两端的弯折长度；嵌订结构的直径小于单层打印混凝土层的厚度；嵌订结构的布置方式和布置间距分别根据主拉应力迹线和大小确定。
(2)根据打印层2的厚度，柱荷载组合应力和结构所处抗震设防等级确定嵌订结构1的两端弯折的长度，其适宜长度取2-4倍的打印层厚度。
(3)沿打印方向5开始打印混凝土层，混凝土层沿打印方向4层叠，从第3层或第4层开始，沿着柱的四周布置4道嵌订结构，注意与柱的边缘预留出保护层厚度。
(4)布置完成后，继续沿着方向5进行打印，之后每隔3或4层布置一次嵌订结构，直到最后一层打完，形成完整的柱构件。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，其特征在于，所述层间嵌订方法包括以下步骤：
（1）选取基本结构构件，由构件尺寸和材料力学性能计算基本结构构件的承载能力，确定嵌订结构的尺寸、布置方式、布置间距和布置数量；所述嵌订结构为对刚性材料的两端进行弯折后形成，用于插入混凝土层后提高层间抗剪性能；
（2）根据基本结构构件的构件种类、承载工况和打印的混凝土层厚度确定嵌订结构两端的弯折长度，所述嵌订结构两端的弯折长度大于单层混凝土层的厚度；
（3）根据基本结构构件的适用打印方式打印混凝土层，并根据嵌订结构的布置方式和布置间距在混凝土层之间布置嵌订结构，重复打印混凝土层和布置嵌订结构，直至形成完整的基本结构构件；
所述基本结构构件为梁构件，在步骤（1）中，所述嵌订结构的布置方式为将嵌订结构的两端弯折朝下后垂直或斜向插入湿态混凝土层中；在步骤（2）中，所述嵌订结构的弯折长度为单层混凝土层厚度的1.1-1.7倍；
所述基本结构构件为板构件，在步骤（1）中，所述嵌订结构的布置方式为将嵌订结构的两端弯折朝下后垂直或斜向插入湿态混凝土层中；在步骤（2）中，所述嵌订结构的弯折长度为单层混凝土层厚度的2.1-3.5倍；
所述基本结构构件为柱构件，在步骤（1）中，所述嵌订结构的布置方式为将嵌订结构的两端弯折朝下后垂直插入湿态混凝土层的四周；在步骤（2）中，所述嵌订结构的弯折长度为单层混凝土层厚度的2-4倍。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述嵌订结构的尺寸包括嵌订结构的长度和直径，所述嵌订结构的长度根据3D打印基本结构构件的截面尺寸和考虑工作环境设定的保护层确定，并预留两端的弯折长度；所述嵌订结构的直径小于单层打印混凝土层的厚度；所述嵌订结构的布置方式和布置间距分别根据主拉应力迹线和大小确定。
3.根据权利要求2所述的用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，其特征在于，所述嵌订结构的布置方式为将嵌订结构的两端弯折朝下后垂直或斜向插入湿态混凝土层中。
4.根据权利要求1所述的用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，其特征在于，在步骤（3）中，采用平铺方式打印混凝土层，并在第二层混凝土层开始依次布置受拉纵筋、辅助纵筋和嵌订结构，受拉纵筋和辅助纵筋位于嵌订结构两端的弯折的内侧；之后每间隔一层混凝土层布置受拉纵筋、辅助纵筋和嵌订结构，直至形成完整的梁构件。
5.根据权利要求1所述的用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，其特征在于，在步骤（3）中，用平铺方式打印混凝土层，并在第二层混凝土层开始依次布置受拉纵筋和嵌订结构，受拉纵筋位于嵌订结构的弯折的内侧，之后每间隔一层混凝土层错位布置受拉纵筋和嵌订结构，直至形成完整的板构件。
6.根据权利要求1所述的用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，其特征在于，在步骤（3）中，采用堆叠方式打印混凝土层，并在第三层或第四层混凝土层开始，沿着柱的四周布置4道嵌订结构，之后每间隔三层或四层混凝土层布置嵌订结构，直至形成完整的柱构件。
7.根据权利要求1-6任一所述的用于3D打印混凝土结构的层间嵌订方法，其特征在于，所述嵌订结构的材质选自钢筋、钢绞线或复合筋材。
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