CN220686121U - 一种混凝土独立基础 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混凝土独立基础，包括矩形基础底板、曲面基础主体以及连接槽洞，所述曲面基础主体固定在所述矩形基础底板上，所述连接槽洞位于所述曲面基础主体中心；所述曲面基础主体为沿高度方向由下往上截面宽度逐渐减小的变截面形状；在所述曲面基础主体的四个底部边缘分别设置有两个中心对称的凹槽。本实用新型混凝土独立基础，采用具有沿高度方向由下往上截面宽度逐渐减小的变截面形状的曲面基础主体，并通过在曲面主体的底板的四个边缘上加工中心对称的凹槽，使得优化结构在达到力学性能以及刚度要求的同时，进一步节省建筑材料，实现结构的轻量化。对称分布的凹槽，使得基础受力时，荷载分布更为均匀，减少应力集中现象。

Description

一种混凝土独立基础

技术领域

本实用新型属于3D打印建造技术领域，具体涉及一种逐层收口型光滑曲面3D打印混凝土独立基础。

背景技术

既有独立基础形式一般为现浇台阶形基础、锥形基础和杯口基础等，基础设计直接影响着上部结构的安全性和可靠性。基础造价在工程总造价中有着不低的占比，相关研究表明部分工程的基础造价占整个工程造价的30％左右，且混凝土消耗量较大。此外基础作为埋置于地下的隐蔽工程，承受建筑物全部荷载并将其传至地基，其受力环境复杂多变，钢筋布置尺寸偏差、受力验算理解不当等不合理的基础设计会导致建筑物的墙体和屋顶开裂、倾斜甚至倒塌。现有独立基础在节省混凝土材料、性能优化设计等方面仍存在着不足。

3D打印建造技术作为3D打印技术在土木工程领域发展的成果，有着智能高效、数字绿色、生产周期短等优势。为使柱子上的荷载能较好地传递至地基，以确保建筑的安全可靠，近年来，学者们针对混凝土独立基础的优化设计展开研究，提出了多种混凝土独立基础优化形式，并借助3D打印建造技术进行生产制造。虽然优化后的混凝土基础多为适于3D打印建造的逐层收口型结构，但在大多数优化方案中，基础的外表面仍存在尖角，会导致应力集中现象，难以满足较高的力学性能要求，同时也为3D打印建造增添了难度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种减少应力集中且轻量化的混凝土独立基础。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下方案：

一种混凝土独立基础，包括矩形基础底板、曲面基础主体以及连接槽洞，所述曲面基础主体固定在所述矩形基础底板上，所述连接槽洞位于所述曲面基础主体中心；所述曲面基础主体为沿高度方向由下往上截面宽度逐渐减小的变截面形状；在所述曲面基础主体的四个底部边缘分别设置有两个中心对称的凹槽。

所述矩形基础底板的厚度h1为：h1∈[10％H，25％H]，且h1大于保护层厚度与基础底板钢筋直径之和，其中，H为混凝土独立基础总高度；所述矩形基础底板的体积V1为：V1∈[20％V，45％V]，其中，V为混凝土独立基础总体积。

所述曲面基础主体的高度h2为：h2∈[55％H，85％H]，且h2≥2.5h1，所述曲面基础主体的体积V2为：V2∈[55％V，80％V]。

位于底板短边处的所述凹槽在曲面上的深度a1为：a1∈[A/15，A/3]，其中，A为底板长边长度；位于底板短边处的所述凹槽在曲面上的宽度a2为：a2∈[B/8，B/4]，其中，B为底板短边；位于底板短边处的所述凹槽在曲面上的高度a3为：a3∈[h2/6，h2/2]，其中，h2为曲面基础主体的高度；

位于底板长边处的所述凹槽在曲面上的深度b1为：b1∈[B/15，B/3]；位于底板长边处的所述凹槽在曲面上的宽度b2为：b2∈[A/8，B/4]；位于底板长边处的所述凹槽在曲面上的高度b3为：b3∈[h2/6，h2/2]。

所述矩形基础底板的四个角为圆角，圆角半径R小于底板尺寸中较短边长度B的10％。

本实用新型与现有技术相比，有益效果为：

本实用新型混凝土独立基础，采用具有沿高度方向由下往上截面宽度逐渐减小的变截面形状的曲面基础主体，并通过在曲面主体的底板的四个边缘上加工中心对称的凹槽，使得优化结构在达到力学性能以及刚度要求的同时，进一步节省建筑材料，实现结构的轻量化。

对称分布的凹槽，使得基础受力时，荷载分布更为均匀，减少应力集中现象。

附图说明

图1为逐层收口型3D打印混凝土独立基础示意图。

图2为逐层收口型3D打印混凝土独立基础俯视图。

图3为逐层收口型3D打印混凝土独立基础左视图。

图4为逐层收口型3D打印混凝土独立基础正视图。

图5为逐层收口型3D打印混凝土独立基础1-1剖面图。

图6为逐层收口型3D打印混凝土独立基础三维模型图。

图7为控制层的外形曲线，其中(a)为第1-3层，(b)为第4层，(c)为第9层，(d)为第13层。

图8为高斯曲线拟合曲线，其中(a)第4层，(b)为第9层，(c)为第13层；

图9为三维切片模型。

图中：矩形基础底板1、曲面基础主体2、连接槽洞3、基础底板钢筋4、凹槽5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

本实用新型提供一种混凝土独立基础，结构如图1-图4所示，包括矩形基础底板1，曲面基础主体2以及与连接槽洞3，矩形基础底板1中布置基础底板钢筋4。曲面基础主体为沿高度方向由下往上截面宽度逐渐减小的变截面形状；在曲面基础主体的四个底部边缘分别设置有两个中心对称的凹槽5。曲面基础主体2由8个凹槽5分割成8个外凸的曲面QM1-QM8，8个外凸的曲面分别为位于对角线方向的曲面QM1、QM3、QM5、QM7以及位于对边方向的曲面QM2、QM4、QM6、QM8。

连接槽洞3用于连接RC柱。

本实用新型混凝土独立基础可采用3D打印成型，采用3D打印成型时，连接槽洞3，构成其外轮廓的3D打印混凝土条带不应少于2条。

本实用新型混凝土独立基础除了3D打印成型外，也可以基于模板浇筑成型。

在一个实施例中，矩形基础底板1尺寸为A＝B＝900mm，基础总高度H＝230mm，顶部连接槽洞3的尺寸为200mm×200mm×130mm。矩形基础底板1的厚度h1＝40mm＞28mm，大于保护层厚度(20mm)与基础底板钢筋直径(8mm)之和，且满足h1∈[10％H，25％H]，即23mm≤h1≤57.5mm。矩形基础底板厚度的体积V1＝0.032m³,混凝土独立基础总体积V＝0.089m³，满足V1∈[20％V，45％V]。矩形基础底板的圆角半径R＝50mm，未超过10％ B＝90mm。

曲面基础主体2由外侧向中心高度逐渐增加，曲面基础主体2中心位置的高度h2＝160mm，满足h2∈[55％H，85％H]，且h2≥2.5h1，曲面基础主体2的体积V2＝0.054m³，满足V2∈[55％V，80％V]。在曲面基础主体2的每个侧面设置有两个中心对称的凹槽，底板短边处的凹槽在曲面上的深度a1＝170mm，满足a1∈[A/15，A/3]，宽度a2＝120mm，满足a2∈[B/8，B/4]，高度a3＝70mm，满足a3∈[h2/6，h2/2]；底板长边处的凹槽在曲面上的深度b1＝170mm，满足b1∈[B/15，B/3]，宽度b2＝120mm，满足b2∈[A/8，B/4]，高度b3＝70mm，满足b3∈[h2/6，h2/2]。

在一个实施例中，采用3D打印成型时，基础模型共23层，每层层高10mm，其中第1、4、9、13层为3D打印逐层收口型基础建造的控制层片，各打印层概况详见表1。由对称性，取上述各层外形曲线的1/4，并使用高斯曲线拟合，见式(1)、式(2)，拟合各打印层，得到各控制截面外形曲线的函数方程，各控制层的外形曲线如图7所示。

式中，x为控制截面外形曲线上点的横坐标，y为控制截面外形曲线上点的纵坐标，exp为以自然常数e为底的指数函数，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃为高斯曲线拟合参数。

表1各打印层概况

模型中1-3层外轮廓一致，为边长900mm、圆角半径50mm的圆角正方形。对4、9、13层的1/4外形曲线进行拟合，分段情形见图8，曲线末端微小直线段不参与拟合。

根据上述的控制层外形曲线方程，按表1所述的逐层收口方式建立数字化三维模型，得到基础的3D打印切片模型，见图9。

3D打印混凝土的相关性能如下，D_试验＝168mm，应满足D_试验∈[150，180]，ξ_试验＝0.7％，满足ξ_试验∈(0，1％]。逐层收口型3D打印混凝土独立基础在打印前需在成形平台上标记底板钢筋定位线，打印时底层内部和方槽边界的周边填充采用45°斜交路径填充方式进行，打印至第三层时，沿底板钢筋定位线放置底板钢筋，参照图5。

需要说明的是，关于本实施例中的打印设备的相关打印参数，依照相关打印设备的要求进行设定。在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单的更改或替换，例如：

(1)上述混凝土独立基础的各层外形曲线可以选择其他的函数进行拟合；

(2)上述曲面基础主体可以采用多种类型曲面；

(3)上述曲面基础主体上的凹槽可以采用其他类型的曲面；

(4)上述逐层收口型3D打印混凝土独立基础与RC柱连接形式可以采用螺栓连接或预制柱的嵌固连接等；

(5)上述水泥基材料还可使用石膏、粘土、地质聚合物等其他材料；

(6)上述逐层收口型3D打印混凝土独立基础的各打印层可使用不同的打印材料进行打印建造；

(7)本申请可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

Claims (5)

1.一种混凝土独立基础，其特征在于，包括矩形基础底板、曲面基础主体以及连接槽洞，所述曲面基础主体固定在所述矩形基础底板上，所述连接槽洞位于所述曲面基础主体中心；所述曲面基础主体为沿高度方向由下往上截面宽度逐渐减小的变截面形状；在所述曲面基础主体的四个底部边缘分别设置有两个中心对称的凹槽。

2.根据权利要求1所述的混凝土独立基础，其特征在于，所述矩形基础底板的厚度h1为：h1∈[10％H，25％H]，且h1大于保护层厚度与基础底板钢筋直径之和，其中，H为混凝土独立基础总高度；所述矩形基础底板的体积V1为：V1∈[20％V，45％V]，其中，V为混凝土独立基础总体积。

3.根据权利要求2所述的混凝土独立基础，其特征在于，所述曲面基础主体的高度h2为：h2∈[55％H，85％H]，且h2≥2.5h1，所述曲面基础主体的体积V2为：V2∈[55％V，80％V]。

4.根据权利要求1所述的混凝土独立基础，其特征在于，位于底板短边处的所述凹槽在曲面上的深度a1为：a1∈[A/15，A/3]，其中，A为底板长边长度；位于底板短边处的所述凹槽在曲面上的宽度a2为：a2∈[B/8，B/4]，其中，B为底板短边；位于底板短边处的所述凹槽在曲面上的高度a3为：a3∈[h2/6，h2/2]，其中，h2为曲面基础主体的高度；

位于底板长边处的所述凹槽在曲面上的深度b1为：b1∈[B/15，B/3]；位于底板长边处的所述凹槽在曲面上的宽度b2为：b2∈[A/8，B/4]；位于底板长边处的所述凹槽在曲面上的高度b3为：b3∈[h2/6，h2/2]。

5.根据权利要求1-4任一所述的混凝土独立基础，其特征在于，所述矩形基础底板的四个角为圆角，圆角半径R小于底板尺寸中较短边长度B的10％。