CN115506589A - 一种装配式无粘结预应力3d打印混凝土梁及其施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁及其施工工艺，包括3D打印混凝土梁基体、无粘结预应力纵筋、无粘结预应力竖筋以及U型钉；U型钉沿着无粘结预应力纵筋所在处间隔设置；3D打印混凝土梁基体通过纵向平行打印制成，且在靠近梁端处预留有竖向贯通孔道，在梁体需要设置预应力的位置布置有伸出梁端的无粘结预应力纵筋；3D打印混凝土梁基体养护至规定强度后，在竖向贯通孔道中设置无粘结预应力竖筋，然后进行张拉、锚固和灌浆。本发明通过无粘结预应力竖筋增强了构件的抗剪承载力，通过无粘结预应力纵筋大大提高了构件的抗弯承载力，具有整体力学性能优良，延性和耗能能力高等优点，保证了构件的安全适用与可靠。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印建筑技术领域，尤其涉及一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁。
背景技术
无粘结预应力技术是一项传统的预应力施工技术，其仅靠锚具传力，无需预留孔道和灌浆，施工工艺简单，广泛应用于建筑结构、道路桥梁和边坡支护等领域。
传统建筑业生产效率低、事故率高、劳动力短缺及成本逐年上升。因此自“十二五”始，为推进建筑工业化进程，我国政府出台一系列装配式建筑扶持政策文件，如国务院办公厅于2016年9月出台了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，中国装配式建筑行业逐步进入快速发展期。预制构件生产技术日益成熟、建筑业环保理念的深入和建筑材料逐渐丰富均为装配式建筑的发展奠定了关键的基础。
另一方面，近年来在数字化、智能化技术快速发展的背景下，以混凝土3D打印为代表的智能建造被认为是行业发展的新方向。混凝土3D打印技术凭借其无模化、灵活化、快速化，以及能最大程度减少对人工劳动力的依赖等优势迅速发展，成为建筑工程领域的研究热点，并逐步在实际工程中取得应用。然而该技术受打印设备尺寸的限制，目前无法原位打印大型建筑。该技术还受其自身施工工艺限制，在打印条带间存在层间缺陷、材料强度较低。此外，打印过程难以布置传统钢筋，导致构件承载力较低。这些缺陷导致3D打印混凝土构件尚无法满足建筑结构的使用要求。
发明内容
针对上述问题，本发明的解决方案是提供一种创造性组合，即通过将3D打印混凝土与无粘结预应力技术、U型钉固定等技术组合，形成一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁。混凝土3D打印与装配式施工有机结合，能充分发挥两者优势。所发明装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁整体力学性能比打印素混凝土梁大大增强，抗弯和抗剪承载力均明显提高，且施工工艺简单，能够保证建筑结构构件的安全可靠。
本发明采用的技术方案：一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁，包括3D打印混凝土梁基体、无粘结预应力纵筋和无粘结预应力竖筋。
所述3D打印混凝土梁基体以纵向平行打印方式，通过纵向打印条带层层堆叠形成。
所述3D打印混凝土梁基体在靠近梁端处预留有竖向贯通孔道，所述竖向贯通孔道位于梁截面中性轴的竖向中垂线处。
所述无粘结预应力纵筋沿梁长度方向直线型布置在需要施加预应力的位置，且所述无粘结预应力纵筋伸出梁两端的长度均不小于梁端柱的宽度，以满足所述无粘结预应力纵筋锚固到柱对侧边缘的要求。
所述无粘结预应力纵筋分为下部无粘结预应力纵筋和上部无粘结预应力纵筋，所述下部无粘结预应力纵筋布置在梁下部受拉区，所述上部无粘结预应力纵筋布置在梁上部受压区。
所述无粘结预应力竖筋位于所述竖向贯通孔道中，所述竖向贯通孔道中还填充有无收缩砂浆，形成了填充密实的灌浆体。
所述无粘结预应力竖筋的布置数量根据力学分析计算确定，且为了不使无粘结预应力竖筋长度过短而导致较大的预应力损失，所述无粘结预应力竖筋采用低回缩锚具进行锚固，所述竖向贯通孔道两端还预留有与所述低回缩锚具尺寸相匹配的穴槽。
所述无粘结预应力纵筋具体位置根据力学计算和构造要求确定，所述无粘结预应力纵筋通过间隔布置的U型钉固定。
所述U型钉的作用有两个方面：一是将所述无粘结预应力纵筋固定在要施加预应力的位置，防止其受扰动错位；二是增强混凝土层间界面的粘结强度。
进一步的，所述U型钉开口朝下将所述无粘结预应力纵筋固定在纵向打印条带上，所述U型钉竖直穿过至少两层混凝土条带的层间界面，且所述U型钉的直线段长度应大于1倍的纵向打印条带厚度。
进一步的，所述竖向贯通孔道横截面为矩形，宽度为所述纵向打印条带宽度的整数倍。所述竖向贯通孔道的内径比所述无粘结预应力竖筋外径大10～20mm，且竖向贯通孔道的截面积为所述无粘结预应力竖筋截面积的3～4倍，以便灌浆体填充密实。
进一步的，所述无粘结预应力纵筋、无粘结预应力竖筋的锚具下承压垫板净距不小于20mm，且所述锚具下承压板距离所述无粘结预应力梁的边缘距离不小于40mm。
在3D打印混凝土梁基体养护至规定强度后，对所述竖向贯通孔道中的无粘结预应力竖筋进行张拉，锚固和孔道灌浆。向所述竖向贯通孔道灌浆的目的是避免竖向贯通孔道对梁截面的承载力削弱。
进一步的，所述灌浆体应使用无收缩砂浆，其强度等级应大于所述3D打印混凝土梁基体的强度等级。灌浆完成后形成与所述3D打印混凝土梁基体紧密粘结的灌浆体。
本发明还提供上述一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁的施工工艺，包括以下步骤：
步骤一：打印下部无粘结预应力纵筋标高以下的混凝土梁基体，并在设计位置预留竖向贯通孔道。在混凝土梁基体上直接铺设下部无粘结预应力纵筋，再沿下部无粘结预应力纵筋间隔插入U型钉，将下部无粘结预应力纵筋固定在混凝土基体上。
步骤二：打印下部无粘结预应力纵筋标高以上至上部无粘结预应力纵筋标高以下的混凝土梁基体，在设计位置预留竖向贯通孔道，在混凝土梁基体上铺设上部无粘结预应力纵筋，再沿上部无粘结预应力纵筋间隔插入U型钉，将上部无粘结预应力纵筋固定在混凝土基体上。
步骤三：打印上部无粘结预应力纵筋标高以上的混凝土梁基体，在设计位置预留竖向贯通孔道。
步骤四：待所述3D打印混凝土梁基体养护至规定强度后，对所述无粘结预应力纵筋进行张拉和锚固。随后将无粘结预应力竖筋穿入竖向贯通孔道中，在无粘结预应力竖筋的两端安装低回缩锚具，将锚具固定在预留的穴槽中，再对无粘结预应力竖筋进行张拉锚固。
步骤五：在竖向贯通孔道中灌入无收缩砂浆，形成填充密实的灌浆体，随后使用无收缩砂浆进行封锚，并将所述无粘结预应力梁养护至设计强度。步骤六：将伸出梁端的无粘结预应力纵筋穿过梁端柱预留孔，通过预应力纵筋锚具锚固在柱对侧，完成装配。
本发明的有益效果：
本发明通过创造性组合，提供了一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁及其施工工艺，结构合理，施工方便；所述无粘结预应力纵筋能显著提高构件的抗弯承载力，并有效抑制或延缓所述3D打印混凝土梁受力过程中的裂缝萌生与发展，提高建筑构件的耐久性。所述无粘结预应力竖筋能为所述的3D打印混凝土梁提供竖向的预压应力，提高3D打印混凝土梁的层间粘结强度，有效抑制或延缓所述3D打印混凝土梁受力过程中的斜裂缝发展，提高建筑构件的抗剪承载力。上述优点使构件的整体力学性能大大提高，能保证构件的安全可靠。
附图说明
图1为本发明实施例的装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁整体透视示意图。
图2为本发明实施例的装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁预留孔道时的一个过程示意图。
图3为本发明实施例的装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁预留孔道处横向剖面图。
图4为本发明实施例的装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁与柱的装配方法示意图。
附图标记：3D打印混凝土梁基体1，无粘结预应力纵筋2，下部无粘结预应力纵筋2-1，上部无粘结预应力纵筋2-2，无粘结预应力竖筋3，低回缩锚具4，U型钉5，竖向贯通孔道6，混凝土打印机喷头7，灌浆体8，装配式柱9，柱预留孔10，预应力纵筋锚具11。
具体实施方式
下面是本发明的实施例，需要指出的是，这些附图只是示意性的，仅用于解释本发明，并不限制本发明。下面结合图1、图2、图3和图4对本发明进行详细的描述。
以图1所示的简支梁为例，本发明实施例的预应力3D打印混凝土梁包括：3D打印混凝土梁基体1、下部无粘结预应力纵筋2-1、上部无粘结预应力纵筋2-2和无粘结预应力竖筋3。其中所述3D打印混凝土梁基体1的打印方式为纵向平行打印，通过纵向混凝土打印条带的层层堆叠形成。所述打印混凝土的单个打印条带的截面宽度为13～15mm，厚度为13～15mm。所述3D打印混凝土梁基体宽度为400mm，高度为600mm。
在梁受拉区设置两根下部无粘结预应力纵筋2-1、在梁受压区设置两根上部无粘结预应力纵筋2-2，所述无粘结预应力纵筋2均使用φ15无粘结预应力钢绞线，沿梁长度方向直线布置在距离梁侧边缘100mm且距离梁顶和梁底均110mm处。所述无粘结预应力纵筋2伸出梁端的部分穿过装配式柱9的柱预留孔10，通过预应力纵筋锚具11锚固在柱对侧。
在3D打印混凝土梁基体1两端预留竖向贯通孔道6，如图2所示。所述竖向贯通孔道6截面呈矩形，长度为25mm，宽度为打印条带宽度的2倍，即宽度为30mm。孔道的留置是通过控制混凝土3D打印机喷嘴的挤出实现的，当混凝土打印机喷头7移动至需要预留孔道的位置时暂停挤出混凝土，空驶25mm后继续打印，在此后各混凝土层中重复此操作。当所述3D打印混凝土梁基体1打印完毕后，在靠近梁端处形成了多个竖向贯通孔道6。
布置在竖向贯通孔道6中的无粘结预应力竖筋3为φ15无粘结预应力钢绞线，起到提高梁体抗剪承载力的作用，如图3所示。由于所述无粘结预应力竖筋3为短束预应力筋，其在预应力张拉过程中预应力损失较大，施加预应力较难，故对所述无粘结预应力竖筋3采用低回缩锚具4进行锚固，以获得良好的预应力效果。
为了不使所述的竖向贯通孔道6对所述3D打印混凝土梁截面造成明显的应力集中现象以及强度削弱，在设置了无粘结预应力竖筋3之后，对所述竖向贯通孔道6进行灌浆填实处理，形成与所述3D打印混凝土梁基体紧密粘结的灌浆体8。
下面结合图1和图2，给出本实施例的具体操作步骤：
步骤一：打印下部无粘结预应力纵筋2-1标高以下的3D打印混凝土梁基体1，当混凝土打印机喷头7移动到竖向贯通孔道6的设计位置时，跳过该处打印。在混凝土梁基体上直接铺设下部无粘结预应力纵筋2-1，再沿下部无粘结预应力纵筋2-1间隔插入U型钉5，将下部无粘结预应力纵筋2-1固定在3D打印混凝土梁基体1上。
步骤二：打印下部无粘结预应力纵筋2-1标高以上至上部无粘结预应力纵筋2-2标高以下的混凝土基体，在同一位置预留竖向贯通孔道，在3D打印混凝土梁基体1上铺设上部无粘结预应力纵筋2-2，再沿上部无粘结预应力纵筋2-2间隔插入U型钉5，将上部无粘结预应力纵筋2-2固定在3D打印混凝土梁基体1上。
步骤三：打印上部无粘结预应力纵筋2-2标高以上的3D打印混凝土梁基体1，在同一位置预留出竖向贯通孔道6。
步骤四：待所述3D打印混凝土梁基体1养护至规定强度后，对所述无粘结预应力纵筋2进行张拉和锚固。随后将无粘结预应力竖筋3穿入竖向贯通孔道6中，在无粘结预应力竖筋3的两端安装低回缩锚具4，将锚具固定在预留的穴槽中，再对无粘结预应力竖筋3进行张拉锚固。
步骤五：在竖向贯通孔道6中灌入无收缩砂浆，形成填充密实的灌浆体8，随后使用无收缩砂浆进行封锚，并养护至设计强度，得到所述装配式无粘结预应力混凝土梁。
步骤六：将伸出梁端的无粘结预应力纵筋2穿过梁端柱预留孔10，通过预应力纵筋锚具11锚固在柱对侧，完成装配。
在本说明书的描述中，术语“纵向”、“横向”、“竖向”分别指“沿梁长度方向”、“沿梁宽度方向”、“沿梁高度方向”。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁，其特征在于：包括3D打印混凝土梁基体、无粘结预应力纵筋和无粘结预应力竖筋；
所述3D打印混凝土梁基体以纵向平行打印方式，通过纵向打印条带层层堆叠形成；
所述3D打印混凝土梁基体在靠近梁端处预留有竖向贯通孔道，所述竖向贯通孔道位于梁截面中性轴的竖向中垂线处；
所述无粘结预应力纵筋沿梁长度方向直线型布置在需要施加预应力的位置，且所述无粘结预应力纵筋伸出梁两端的长度均不小于梁端柱的宽度；
所述无粘结预应力纵筋分为下部无粘结预应力纵筋和上部无粘结预应力纵筋，所述下部无粘结预应力纵筋布置在梁下部受拉区，所述上部无粘结预应力纵筋布置在梁上部受压区；
所述无粘结预应力纵筋通过间隔布置的U型钉固定；
所述无粘结预应力竖筋位于所述竖向贯通孔道中，所述竖向贯通孔道中还填充有无收缩砂浆，形成了填充密实的灌浆体；
所述无粘结预应力竖筋采用低回缩锚具进行锚固，所述竖向贯通孔道两端还预留有与所述低回缩锚具尺寸相匹配的穴槽。
2.根据权利要求1所述的一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁，其特征在于：所述U型钉开口朝下将所述无粘结预应力纵筋固定在纵向打印条带上，所述U型钉竖直穿过至少两层混凝土条带的层间界面，且所述U型钉的直线段长度应大于1倍的纵向打印条带厚度。
3.根据权利要求1所述的一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁，其特征在于：所述竖向贯通孔道横截面为矩形，宽度为所述纵向打印条带宽度的整数倍；所述竖向贯通孔道的内径比所述无粘结预应力竖筋外径大10～20mm，且竖向贯通孔道的截面积为所述无粘结预应力竖筋截面积的3～4倍。
4.根据权利要求1所述的一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁，其特征在于：所述无粘结预应力纵筋、无粘结预应力竖筋的锚具下承压垫板净距不小于20mm，且所述锚具下承压板距离所述无粘结预应力梁的边缘距离不小于40mm。
5.根据权利要求1所述的一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁，其特征在于：所述灌浆体的强度等级应大于所述3D打印混凝土梁基体的强度等级，灌浆完成后形成与所述3D打印混凝土梁基体紧密粘结的灌浆体。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述一种装配式无粘结预应力3D打印混凝土梁的施工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：打印下部无粘结预应力纵筋标高以下的混凝土梁基体，并在设计位置预留竖向贯通孔道；在混凝土梁基体上直接铺设下部无粘结预应力纵筋，再沿下部无粘结预应力纵筋间隔插入U型钉，将下部无粘结预应力纵筋固定在混凝土基体上；
步骤二：打印下部无粘结预应力纵筋标高以上至上部无粘结预应力纵筋标高以下的混凝土梁基体，在设计位置预留竖向贯通孔道，在混凝土梁基体上铺设上部无粘结预应力纵筋，再沿上部无粘结预应力纵筋间隔插入U型钉，将上部无粘结预应力纵筋固定在混凝土基体上；
步骤三：打印上部无粘结预应力纵筋标高以上的混凝土梁基体，在设计位置预留竖向贯通孔道；
步骤四：待所述3D打印混凝土梁基体养护至规定强度后，对所述无粘结预应力纵筋进行张拉和锚固，随后将无粘结预应力竖筋穿入竖向贯通孔道中，在无粘结预应力竖筋的两端安装低回缩锚具，将锚具固定在预留的穴槽中，再对无粘结预应力竖筋进行张拉和锚固；
步骤五：在竖向贯通孔道中灌入无收缩砂浆，形成填充密实的灌浆体，随后使用无收缩砂浆进行封锚，并将所述无粘结预应力梁养护至设计强度；
步骤六：将伸出梁端的无粘结预应力纵筋穿过梁端柱预留孔，通过预应力纵筋锚具锚固在柱对侧，完成装配。
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