CN116517188A - 一种异形梁及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种异形梁及其制作方法，异形梁包括3D打印ECC异形梁外槽、耗能器及现浇混凝土层；所述耗能器固定设置于所述3D打印ECC异形梁外槽的内的两端；所述3D打印ECC异形梁外槽内设置有钢筋笼骨；所述现浇混凝土层浇筑于所述3D打印ECC异形梁外槽内。本发明利用3D打印技术使得构件外形设计更加灵活合理，同时采用ECC高延性水泥基复合材料作为底模，在提高材料利用率的同时也提高了材料的承载力、延性及力学等性能，避免梁底受弯开裂等问题。在梁端设置的耗能器在地震作用下能起到很好的消能减震效果，降低在地震作用下节点的损伤，保证结构的安全性。

Description

一种异形梁及其制作方法
技术领域
本发明涉及建筑工程中的混凝土3D打印技术领域，尤其是涉及一种异形梁及其制作方法。
背景技术
近年来，装配式混凝土结构由于具有施工效率高，人力成本低，在我国发展迅速，虽然标准化生产会提升建造效率，但只有加工量很大时，才能满足经济效益，当构件加工量较小时，成本往往远高于现浇混凝土结构。因此，装配式混凝土结构往往结构单一，缺乏设计灵活性。而且目前装配式混凝土结构，常常在关键节点断开钢筋连接，然后在现场采用机械连接后浇筑后浇带，实践表明，这种施工方法常常造成PC结构节点过早开裂，造成延性和耗能能力较差。如何解决装配式混凝土结构单一，提高设计的灵活性；同时提高PC构件的延性和耗能能力，提高工程质量、节约工程成本成为亟待解决的行业技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异形梁及施工方法，以解决现有技术中存在的至少一种以上技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种异形梁，包括：3D打印ECC异形梁外槽、耗能器及现浇混凝土层；
所述耗能器固定设置于所述3D打印ECC异形梁外槽的内的两端；
所述3D打印ECC异形梁外槽内设置有钢筋笼骨；
所述现浇混凝土层浇筑于所述3D打印ECC异形梁外槽内。
进一步地，所述3D打印ECC异形梁外槽包括：侧板、底板和端板；
所述端板与所述3D打印ECC异形梁外槽（或称异形梁长度方向）长度方向垂直布设；
所述侧板与所述3D打印ECC异形梁外槽长度方向平行布设；
所述端板设置于所述侧板的两端且与所述侧板垂直；
两个相互平行布设的所述侧板、两个相互平行布设的端板以及一个底板合围形成U型槽。
进一步地，还包括分隔板，两个所述分隔板分别布设在所述U型槽的两端；
所述分隔板与所述端板平行间隔设置，所述分隔板与所述端板之间形成用于设置所述耗能器的边缘耗能区；所述U型槽内以及两个分隔板之间为跨中受力区。
进一步地，所述耗能器为低屈服点钢耗能器，包括核心耗能板和垂直且固定设置于所述核心耗能板左右两端的翼缘板；
所述核心耗能板为一块或多块；
两个所述翼缘板分别与两侧的所述分隔板和所述端板固定连接。
进一步地，所述翼缘板上开设有多个螺栓孔；
所述端板与所述分隔板上设置有多个与所述螺栓孔对应布设的通孔。
所述翼缘板上的螺栓孔数量与耗能器的尺寸相关，一般不少于4个，螺栓孔轴心间距不大于对应耗能器翼缘板对应边长的3/4，且不大于600mm。
所述核心耗能器的材料为低屈服点钢材LYP100或LYP160。低屈服点钢材具有优良的深冲性能和深拉延性能，在地震中能起到很好的消能减震效果。
进一步地，所述底板整体呈弓形，包括：两端与所述边缘耗能区对应设置的平板部，以及与所述跨中受力区对应设置的弧形部。
其中，所述弧形部向背离现浇混凝土层方向凸出设置，即所述弧形部使得异性梁的中部向外鼓起，进而形成中间粗大，两端细小形状。施工时，现场向U型槽内浇筑混凝土形成现浇混凝土层，待养护凝固后形成异形梁。
优选地，所述钢筋笼骨包括异形底筋、平直顶筋和箍筋；
所述异形底筋贴靠着所述底板设置，异形底筋的形状与所述底板形状一致，包括两端与所述边缘耗能区对应设置的直线部，以及与所述跨中受力区对应设置的圆弧部；
所述平直顶筋沿所述3D打印ECC异形梁外槽（或称异形梁长度方向）长度方向布设在所述U型槽内的中上部；
若干个所述箍筋平行间隔布设，套装在所述平直顶筋和所述异形底筋外部。
进一步地，所述异形底筋的两端分别伸出所述端板，用于（与其他构件的）连接装配。
进一步地，所述箍筋贴靠着所述底板和所述侧板布设。
进一步地，所述3D打印ECC异形梁外槽由3D打印的ECC条带挤压完成。
其中，ECC条带的宽度b和厚度h均视3D打印的打印机属性和需打印的构件尺寸决定。
优选地，打印过程中，打印层间设置高低交错的槎，槎的高差不小于打印层厚度m的1/3，且不小于1cm，槎的长度不大于5cm。
进一步地，所述端板和所述侧板底部的ECC打印厚度不小于所述异形梁最大截面高度的1/10。
进一步地，所述分隔板的厚度不小于所述端板和所述侧板厚度的1/2。
进一步地，所述侧板及所述底板之间设置有抗剪切槽。
进一步地，所述分隔板与所述侧板之间设置有抗剪切槽。
进一步地，3D打印材料ECC的主要成分包括：胶凝材料P·Ⅱ52.5型硅酸盐水泥(OPC)、硫铝酸盐水泥(SAC)、I级粉煤灰(FA)、955级硅灰(SF)、细骨料、水、减水剂、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、PE纤维。
优选地，胶凝材料P·Ⅱ52.5型硅酸盐水泥(OPC)、硫铝酸盐水泥(SAC)、I级粉煤灰(FA)、955级硅灰(SF)、细骨料、水、减水剂、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、PE纤维的按质量计其配比为：0.32：0.08：0.12：0.48：0.26：0.26：0.001：0.0004：0.018。
其中，粉煤灰中的MgO含量不高于2%，烧失量小于5%；细骨料采用石英砂，石英砂的最大粒径不大于500μm，平均粒径不大于150μm；减水剂为固含量20%的聚羧酸系高效减水剂。
为保证快硬性，优选添加增稠剂，本发明采用的增稠剂为黏度值为38000-42000mPas的羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
PE纤维采用高强高弹模聚乙烯(PE)纤维增强基体材料，PE纤维为长度选用为6mm和12mm的混杂纤维，纤维直径20μm-35μm，要求纤维拉伸大于强度2.5GPa，弹性模量大于100GPa；拌合用水为普通自来水。
进一步地，所述现浇混凝土层为普通混凝土、纤维混凝土或高延性水泥基材料等。
本发明第二方面公开了一种异形梁的制作方法，包括以下步骤：
1）3D打印相关软件建模、切片并将模型数据传输到混凝土打印机；
2）按照设定配合比配置ECC高延性水泥基材料；
3）使用3D打印机打印ECC异形梁外槽，并在加载过程中预留相关的安装通孔等;
4）打印至设定安装位置时，依次放置并固定构成钢筋笼骨的异形底筋、平直顶筋和箍筋；
5）ECC异形梁外槽打印完成后，进行养护，养护1天后，放置耗能器，然后通过螺栓和垫片将耗能器与ECC异形梁外槽固定连接；
6）运输至施工现场，现场浇注现浇混凝土层。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种异形梁及施工方法，具有如下优点：
1.利用3D打印技术使得构件外形设计更加灵活合理，同时采用ECC高延性水泥基复合材料作为底模，在提高材料利用率的同时也提高了材料的承载力、延性及力学等性能，避免梁底受弯开裂等问题。
2.3D打印技术和装配式的混凝土制作方法，提升了施工效率；同时3D打印工艺也是构件的质量更加容易控制，进一步地提升了建造的机械化程度。
3.3D打印ECC异形梁外槽不仅在现场充当底膜，节约了现场模板的加工流程，缩短了工期，提高了施工效率；同时，与全干法制作的混凝土结构相比，现场采用部分湿法作业会提升加工构件的整体性。避免拼缝处过早开裂引起的耐久性等问题。
4.在梁的两端设置的耗能器，在地震作用下能起到很好的消能减震效果，在连接节点处消耗地震能量。降低在地震作用下节点的损伤，保证结构的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的异形梁的立体图；
图2为图1所示装置的俯视图;
图3为图1所示装置中3D打印ECC异形梁外槽的结构示意图；
图4为图1所示装置中耗能器的立体图;
图5为3D打印ECC异形梁外槽的打印路径图。
附图标记：
10-3D打印ECC异形梁外槽；11-端板；12-侧板；13-底板；14-分隔板；15-钢筋笼骨；151-异形底筋；152-平直顶筋；153-箍筋；20-耗能器；21-翼缘板；22-核心耗能板；30-现浇混凝土层；40-螺栓；50-螺母。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
实施例1
如图1-4所示，本实施例提供的一种异形梁，包括：3D打印ECC异形梁外槽10、耗能器20及现浇混凝土层30；
所述耗能器20固定设置于所述3D打印ECC异形梁外槽10的内的两端；
所述3D打印ECC异形梁外槽10内设置有钢筋笼骨15；
所述现浇混凝土层30浇筑于所述3D打印ECC异形梁外槽10内。
进一步地，所述3D打印ECC异形梁外槽10包括：侧板12、底板13和端板11；
所述端板11与所述3D打印ECC异形梁外槽10（或称异形梁长度方向）长度方向垂直布设；
所述侧板12与所述3D打印ECC异形梁外槽10长度方向平行布设；
所述端板11设置于所述侧板12的两端且与所述侧板12垂直；
两个相互平行布设的所述侧板12、两个相互平行布设的端板11以及一个底板13合围形成U型槽。
本实施例还包括分隔板14，两个所述分隔板14分别布设在所述U型槽的两端；
所述分隔板14与所述端板11平行间隔设置，所述分隔板14与所述端板11之间形成用于设置所述耗能器20的边缘耗能区；所述U型槽内以及两个分隔板14之间为跨中受力区。
优选地，所述耗能器20为低屈服点钢耗能器20，包括核心耗能板22和垂直且固定设置于所述核心耗能板22左右两端的翼缘板21；
所述核心耗能板22为一块或多块；
两个所述翼缘板21分别与两侧的所述分隔板14和所述端板11固定连接。
其中，所述翼缘板21上开设有多个螺栓孔；所述端板11与所述分隔板14上设置有多个与所述螺栓孔对应布设的通孔。
所述翼缘板21上的螺栓孔数量与耗能器20的尺寸相关，一般不少于4个，螺栓孔轴心间距不大于对应耗能器20翼缘板21对应边长的3/4，且不大于600mm。
本实施例中，核心耗能板22设置为1块，且整体呈矩形，板面上开设有多个长圆孔；且开孔面积不大于核心耗能板22总面积的50%；翼缘板21上的螺栓孔设置有4个。核心耗能板22的材质为LYP100,屈服强度不高于120MPa，极限强度不小于200MPa。伸长率A%大于30%；低屈服点钢材具有优良的深冲性能和深拉延性能，在地震中能起到很好的消能减震效果。
低屈服点钢耗能器20的翼缘板21材质为Q345钢，主要为核心耗能板22提供刚性约束；同时防止核心耗能构件发生平面外屈曲；核心耗能板22与翼缘板21之间采用焊接方式连接，且焊缝采用熔透焊缝，保证焊接强度。
所述底板13整体呈弓形，包括：两端与所述边缘耗能区对应设置的平板部，以及与所述跨中受力区对应设置的弧形部。
优选地，所述钢筋笼骨15包括异形底筋151、平直顶筋152和箍筋153；
所述异形底筋151贴靠着所述底板13设置，异形底筋151的形状与所述底板13形状一致，包括两端与所述边缘耗能区对应设置的直线部，以及与所述跨中受力区对应设置的圆弧部；
所述平直顶筋152沿所述3D打印ECC异形梁外槽10（或称异形梁长度方向）长度方向布设在所述U型槽内的中上部；
若干个所述箍筋153平行间隔布设，套装在所述平直顶筋152和所述异形底筋151外部。
本实施例中，钢筋为普通HRB335或HRB400级钢筋，异形底筋151的保护层厚度要求与普通钢筋混凝土梁相同，上部平直顶筋152加工方式、布置方法和保护层厚度与普通钢筋混凝土梁完全一致；由于异形截面造成箍筋153大小存在差异，在安装时，应严格按照指定位置进行安装。
所述异形底筋151的两端分别伸出所述端板11，用于（与其他构件的）连接装配。所述箍筋153贴靠着所述底板13和所述侧板12布设。
所述3D打印ECC异形梁外槽10由3D打印的ECC条带挤压完成。其中，ECC条带的宽度b和厚度h均视3D打印的打印机属性和需打印的构件尺寸决定。3D打印ECC异形梁外槽10为3D打印的ECC条带挤压完成，ECC条带的宽度b和厚度m均视3D打印的打印机属性和需打印的构件尺寸决定。
具体的，3D打印ECC异形梁外槽10的打印圈数为n(n≥2)，n根据打印条带宽度b、箍筋153直径d和ECC保护层厚度c要求确定,计算公式为n=(2c+d)/2b+0.5，n向上取整。
优选地，打印过程中，打印层间设置高低交错的槎，槎的高差不小于打印层厚度m的1/3，且不小于1cm，槎的长度不大于5cm。
所述端板11和所述侧板12底部的ECC打印厚度不小于所述异形梁最大截面高度的1/10。
进一步地，所述分隔板14的厚度不小于所述端板11和所述侧板12厚度的1/2。
优选地，所述侧板12及所述底板13之间设置有抗剪切槽。所述分隔板14与所述侧板12之间设置有抗剪切槽。
3D打印材料ECC的主要成分包括：胶凝材料P·Ⅱ52.5型硅酸盐水泥(OPC)、硫铝酸盐水泥(SAC)、I级粉煤灰(FA)、955级硅灰(SF)、细骨料、水、减水剂、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、PE纤维。
优选地，胶凝材料P·Ⅱ52.5型硅酸盐水泥(OPC)、硫铝酸盐水泥(SAC)、I级粉煤灰(FA)、955级硅灰(SF)、细骨料、水、减水剂、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、PE纤维的按质量计其配比为：0.32：0.08：0.12：0.48：0.26：0.26：0.001：0.0004：0.018。
其中，粉煤灰中的MgO含量不高于2%，烧失量小于5%；细骨料采用石英砂，石英砂的最大粒径不大于500μm，平均粒径不大于150μm；减水剂为固含量20%的聚羧酸系高效减水剂。
为保证快硬性，优选添加增稠剂，本发明采用的增稠剂为黏度值为38000-42000mPas的羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
PE纤维采用高强高弹模聚乙烯(PE)纤维增强基体材料，PE纤维为长度选用为6mm和12mm的混杂纤维，纤维直径20μm-35μm，要求纤维拉伸大于强度2.5GPa，弹性模量大于100GPa；拌合用水为普通自来水。
所述现浇混凝土层30为普通混凝土、纤维混凝土或高延性水泥基材料等。
本发明提供的一种异形梁及施工方法，具有如下优点：
1.利用3D打印技术使得构件外形设计更加灵活合理，同时采用ECC高延性水泥基复合材料作为底模，在提高材料利用率的同时也提高了材料的承载力、延性及力学等性能，避免梁底受弯开裂等问题。
2.3D打印技术和装配式的混凝土制作方法，提升了施工效率；同时3D打印工艺也是构件的质量更加容易控制，进一步地提升了建造的机械化程度。
3.3D打印ECC异形梁外槽10不仅在现场充当底膜，节约了现场模板的加工流程，缩短了工期，提高了施工效率；同时，与全干法制作的混凝土结构相比，现场采用部分湿法作业会提升加工构件的整体性。避免拼缝处过早开裂引起的耐久性等问题。
4.在梁的两端设置的耗能器20，在地震作用下能起到很好的消能减震效果，在连接节点处消耗地震能量。降低在地震作用下节点的损伤，保证结构的安全性。
实施例2
参照图1-4所示，本实施例公开了一种异形梁的制作方法，其包括以下步骤：
1）3D打印相关软件建模、切片并将模型数据传输到混凝土打印机；
2）按照设定配合比配置ECC高延性水泥基材料；
3）使用3D打印机打印ECC异形梁外槽，并在加载过程中预留相关的安装通孔等;
4）打印至设定安装位置时，依次放置并固定构成钢筋笼骨15的异形底筋151、平直顶筋152和箍筋153；
如图5所示，本实施例中，3D打印ECC异形梁外槽10按照构件的形状绕顺时针或逆时针依次打印侧板12、底板13和分隔板14。
5）ECC异形梁外槽打印完成后，进行养护，养护1天后，放置耗能器20，然后通过螺栓40和螺母50将耗能器20与ECC异形梁外槽固定连接；
6）运输至施工现场，现场浇注现浇混凝土层30。
本发明利用3D打印技术使得构件外形设计更加灵活合理，同时采用ECC高延性水泥基复合材料作为底模，在提高材料利用率的同时也提高了材料的承载力、延性及力学等性能，避免梁底受弯开裂等问题。在梁端设置的耗能器20在地震作用下能起到很好的消能减震效果，降低在地震作用下节点的损伤，保证结构的安全性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种异形梁，其特征在于，包括：3D打印ECC异形梁外槽、耗能器及现浇混凝土层；
所述耗能器固定设置于所述3D打印ECC异形梁外槽的内的两端；
所述3D打印ECC异形梁外槽内设置有钢筋笼骨；
所述现浇混凝土层浇筑于所述3D打印ECC异形梁外槽内。
2.根据权利要求1所述的异形梁，其特征在于，所述3D打印ECC异形梁外槽包括：侧板、底板和端板；
所述端板与所述3D打印ECC异形梁外槽长度方向垂直布设；
所述侧板与所述3D打印ECC异形梁外槽长度方向平行布设；
所述端板设置于所述侧板的两端且与所述侧板垂直；
两个相互平行布设的所述侧板、两个相互平行布设的端板以及一个底板合围形成U型槽。
3.根据权利要求2所述的异形梁，其特征在于，还包括分隔板，两个所述分隔板分别布设在所述U型槽的两端；
所述分隔板与所述端板平行间隔设置，所述分隔板与所述端板之间形成用于设置所述耗能器的边缘耗能区；所述U型槽内以及两个分隔板之间为跨中受力区。
4.根据权利要求3所述的异形梁，其特征在于，所述耗能器为低屈服点钢耗能器，包括核心耗能板和垂直且固定设置于所述核心耗能板左右两端的翼缘板；
所述核心耗能板为一块或多块；
两个所述翼缘板分别与两侧的所述分隔板和所述端板固定连接。
5.根据权利要求4所述的异形梁，其特征在于，所述翼缘板上开设有多个螺栓孔；
所述端板与所述分隔板上设置有多个与所述螺栓孔对应布设的通孔。
6.根据权利要求1所述的异形梁，其特征在于，所述3D打印ECC异形梁外槽由3D打印的ECC条带挤压完成。
7.根据权利要求6所述的异形梁，其特征在于，打印过程中，打印层间设置高低交错的槎，槎的高差不小于打印层厚度m的1/3，且不小于1cm，槎的长度不大于5cm。
8.根据权利要求2所述的异形梁，其特征在于，所述端板和所述侧板底部的ECC打印厚度不小于所述异形梁最大截面高度的1/10。
9.根据权利要求3所述的异形梁，其特征在于，所述分隔板的厚度不小于所述端板和所述侧板厚度的1/2。
10.一种权利要求1-9任一所述的异形梁的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）3D打印相关软件建模、切片并将模型数据传输到混凝土打印机；
2）按照设定配合比配置ECC高延性水泥基材料；
3）使用3D打印机打印ECC异形梁外槽，并在加载过程中预留相关的安装通孔等;
4）打印至设定安装位置时，依次放置并固定构成钢筋笼骨的异形底筋、平直顶筋和箍筋；
5）ECC异形梁外槽打印完成后，进行养护，养护1天后，放置耗能器，然后通过螺栓和垫片将耗能器与ECC异形梁外槽固定连接；
6）运输至施工现场，现场浇注现浇混凝土层。
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