一种桁架片式配筋打印混凝土梁及制作方法

本发明涉及建筑工程3d打印技术领域，特别是一种桁架片式配筋打印混凝土梁及制作方法。

背景技术：

传统的建筑结构采用现浇混凝土施工，具体施工方法为：首先进行钢筋绑扎，然后采用模板进行模板支护，最后进行现场浇筑成型。这种现浇混凝土的施工方法，所需要的施工工人多，建筑成本高，施工工期长，不符合建筑工业化的要求。

打印混凝土由于无需模板，采用自动化打印设备，对混凝土自下而上逐条逐层叠加打印，而形成整体。因而，是智能建造的一种方式。

在现浇混凝土工艺中，梁构件的抗弯承载力主要来源于梁下部的纵向钢筋，而抗剪承载力则来自于混凝土及联系纵向钢筋的箍筋。采用3d打印混凝土建造梁构件时，受到打印混凝土工艺的限制，梁内钢筋仅可随打印层放置，通常仅在梁的上部与下部设置纵向钢筋，而无法配置垂直于打印面的箍筋，最终成型的构件只具备一定的抗弯性能，而在抗剪性能上较为薄弱，无法最大限度的发挥混凝土3d打印的优势，限制了打印混凝土梁构件在实际工程的应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种桁架片式配筋打印混凝土梁及制作方法，该桁架片式配筋打印混凝土梁及制作方法采用平面桁架钢筋网片作为配筋，通过斜腹杆钢筋将原本独立的梁上部纵筋与下部纵筋组合为一个二维的桁架，梁内可配置若干组桁架钢筋网片，从而提高了构件的抗剪性能与整体刚度，使得3d打印混凝土梁具备了在实际工程中应用的可能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种桁架片式配筋打印混凝土梁，包括打印混凝土和埋置在打印混凝土中的至少一组桁架钢筋网片。

每组桁架钢筋网片均包括一片ⅰ型桁架钢筋网片和一片ⅱ型桁架钢筋网片。

ⅰ型桁架钢筋网片和ⅱ型桁架钢筋网片均平行于打印混凝土梁的粱跨和高度所形成的平面。

ⅰ型桁架钢筋网片和ⅱ型桁架钢筋网片均包括梁上部纵筋、梁下部纵筋和若干根斜腹杆钢筋。

若干根斜腹杆钢筋呈锯齿波浪状布设在梁上部纵筋和梁下部纵筋之间，若干根斜腹杆钢筋的顶端与梁上部纵筋相焊接，形成锯齿波浪的齿顶。若干根斜腹杆钢筋的底端与梁下部纵筋相焊接，形成锯齿波浪的齿根。

ⅰ型桁架钢筋网片的齿顶和ⅱ型桁架钢筋网片的齿顶交错布设。

每根斜腹杆钢筋与上部纵筋或梁下部纵筋之间的夹角均为30°~60°。

每根斜腹杆钢筋与上部纵筋或梁下部纵筋之间的夹角均为45°。

ⅰ型桁架钢筋网片和ⅱ型桁架钢筋网片均包括两根联系钢筋，两根联系钢筋与上部纵筋和梁下部纵筋首尾相焊接，形成矩形框架。

上部纵筋和梁下部纵筋的长度均等于打印混凝土梁的跨度，联系钢筋的长度等于打印混凝土梁的高度。

桁架钢筋网片的组数根据梁跨度和上部荷载情况进行确定。

一种桁架片式配筋打印混凝土梁，包括如下步骤。

步骤1、设置梁截面尺寸及桁架钢筋网片：根据梁跨度和上部荷载，设计打印混凝土梁的梁截面尺寸、桁架钢筋网片的组数、以及每片ⅰ型桁架钢筋网片和每片ⅱ型桁架钢筋网片的尺寸。

步骤2、制作桁架钢筋网片：根据步骤1设置的桁架钢筋网片组数，制作相应数量的ⅰ型桁架钢筋网片和ⅱ型桁架钢筋网片。其中，ⅰ型桁架钢筋网片，包括如下步骤：

步骤21、将上部纵筋和梁下部纵筋平行摆放。

步骤22、将若干根斜腹杆钢筋呈锯齿波浪状焊接在梁上部纵筋和梁下部纵筋之间。其中，若干根斜腹杆钢筋顶端与梁上部纵筋之间的焊接点，形成锯齿波浪的齿顶。

ⅱ型桁架钢筋网片与ⅰ型桁架钢筋网片相同，不同点在于：ⅰ型桁架钢筋网片的齿顶和ⅱ型桁架钢筋网片的齿顶交错布设。

步骤3、设置混凝土打印平面：在待打印位置设置一个表面平整的打印平面。

步骤4、3d打印，具体包括如下步骤：

步骤41、确定打印方向：将打印方向确定为待打印混凝土梁的梁截面宽度方向，从而使得待打印混凝土梁的梁截面高度方向与跨度方向所构成的平面与打印平面相平行。

步骤42、放置ⅰ型桁架钢筋网片：将打印混凝土沿着步骤41确定的打印方向，从下至上逐层打印。当打印至设定打印高度h1时，暂停打印。水平布置一片ⅰ型桁架钢筋网片，并均匀施加压力将ⅰ型桁架钢筋网片的一半压入已经打印的混凝土中，使其与打印混凝土充分粘结。

步骤43、放置ⅱ型桁架钢筋网片：继续沿着打印方向，将打印混凝土打印在ⅰ型桁架钢筋网片的上表面，当打印至设定打印高度h2时，暂停打印。其中，h2>h1。水平布置一片ⅱ型桁架钢筋网片，放置时，应使得ⅰ型桁架钢筋网片的齿顶和ⅱ型桁架钢筋网片的齿顶交错布设。接着，均匀施加压力将ⅱ型桁架钢筋网片的一半压入已经打印的混凝土中，使其与打印混凝土充分粘结。

步骤44、重复步骤42至43，直至将步骤1确定的所有组桁架钢筋网片全部布置在打印混凝土中。

步骤45、继续打印混凝土梁至预定的打印总高度。其中，打印总高度等于打印混凝土梁的梁截面宽度。

步骤21中，在将上部纵筋和梁下部纵筋平行摆放后，在上部纵筋和梁下部纵筋的两侧各设置一根联系钢筋，两根联系钢筋与上部纵筋和梁下部纵筋首尾相焊接，形成矩形框架。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明克服了打印混凝土梁因无法配置箍筋而导致抗剪承载力不足，无法实际应用的难题。采用创新的桁架片式配筋方式，使可应用打印混凝土技术打印梁构件，并可靠保证了梁构件承载的力学性能：一方面，钢筋桁架具备一定的抗剪承载力与刚度，能够弥补打印混凝土梁因无法配置箍筋而抗剪性能薄弱的缺点，同时提升构件的整体刚度，且与叠加打印混凝土工艺相互兼容；另一方面，打印混凝土与钢筋桁架之间的粘结为钢筋桁架提供了良好的包裹，避免了钢筋桁架在平面外失稳的问题。

2、本发明通过试验结果表明：在构件尺寸等外形几何参数相同的情况下，仅配置纵向钢筋的打印混凝土梁其抗剪能力仅由混凝土材料提供，其破坏时为脆性破坏，极大影响结构安全；采用钢筋桁架片式配筋打印的混凝土梁构件其抗剪能力是上述仅配置纵向钢筋梁构件的2至3倍，破坏时为延性破坏，结构安全性好。抗剪能力的具体提升幅度与配置的钢筋桁架组数相关，配置的钢筋桁架越多，提升的抗剪能力越多，可以满足工程中对梁构件不同抗剪能力的需求。同时，在承受相同的荷载时，其跨中挠度仅为上述仅配置纵向钢筋梁构件的40%-80%，表明其整体刚度也得到了良好的改善，提高了构件的使用性能。

3、钢筋桁架片与打印混凝土技术的结合，解决了以往因打印混凝土梁仅配纵向钢筋而带来的抗剪等承载力学性能的不足，进而无法实际使用的问题，有利于3d打印混凝土建筑技术的推广和普及，提高了社会效益。

附图说明

图1显示了本发明一种桁架片式配筋打印混凝土梁的结构示意图。

图2显示了本发明中桁架钢筋网片的结构示意图。

图3显示了本发明一种桁架片式配筋打印混凝土梁的横截面图；

图4显示了本发明一种桁架片式配筋打印混凝土梁的的打印过程示意图。

其中有：1-打印混凝土，2-ⅰ型桁架钢筋网片，3-ⅱ型桁架钢筋网片，4-梁上部纵筋，5-梁下部纵筋，6-斜腹杆钢筋，7-打印平面，8-打印混凝土梁，9-齿顶，10-联系钢筋。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1和图3所示，一种桁架片式配筋打印混凝土梁，包括打印混凝土1和埋置在打印混凝土中的至少一组桁架钢筋网片。其中，桁架钢筋网片的组数具体根据梁跨度、上部荷载和具体使用要求等情况进行确定。

每组桁架钢筋网片均包括一片ⅰ型桁架钢筋网片2和一片ⅱ型桁架钢筋网片3。

ⅰ型桁架钢筋网片和ⅱ型桁架钢筋网片均平行于打印混凝土梁的粱跨和高度所形成的平面。

如图2所述，ⅰ型桁架钢筋网片和ⅱ型桁架钢筋网片均包括梁上部纵筋4、梁下部纵筋5、两根联系钢筋10和若干根斜腹杆钢筋6。

上部纵筋和梁下部纵筋平行且相等，两者的长度均优选等于打印混凝土梁的跨度，联系钢筋的长度优选等于打印混凝土梁的高度。

两根联系钢筋与上部纵筋和梁下部纵筋首尾相焊接，形成矩形框架。

若干根斜腹杆钢筋呈锯齿波浪状布设在梁上部纵筋和梁下部纵筋之间，若干根斜腹杆钢筋的顶端与梁上部纵筋相焊接，形成锯齿波浪的齿顶9。若干根斜腹杆钢筋的底端与梁下部纵筋相焊接，形成锯齿波浪的齿根。

ⅰ型桁架钢筋网片的齿顶和ⅱ型桁架钢筋网片的齿顶交错布设。也即ⅰ型桁架钢筋网片中斜腹杆钢筋的倾斜方向与ⅱ型桁架钢筋网片中斜腹杆钢筋的倾斜方向相反，确保同一截面内至少有一组方向相反的斜腹筋，避免裂缝开展方向与斜腹筋平行，从而导致斜腹筋抗剪作用失效的情况发生。

进一步，每根斜腹杆钢筋与上部纵筋或梁下部纵筋之间的夹角均优选为30°~60°，进一步优选为45°，具体取值根据实际构件尺寸确定，此夹角范围与斜截面剪力的方向相近，在此之内能够保证斜腹杆钢筋6具备良好的抗剪性能。

本发明中，打印混凝土1包裹着ⅰ型桁架钢筋网片2和ⅱ型桁架钢筋网片3，避免有平面外失稳的情况发生；ⅰ型桁架钢筋网片2和ⅱ型桁架钢筋网片3在打印混凝土梁内的配置，能够有效提升构件的抗剪性能与整体刚度。

一种桁架片式配筋打印混凝土梁，包括如下步骤。

步骤1、设置梁截面尺寸及桁架钢筋网片：根据梁跨度和上部荷载，设计打印混凝土梁的梁截面尺寸、桁架钢筋网片的组数、以及每片ⅰ型桁架钢筋网片和每片ⅱ型桁架钢筋网片的尺寸。

步骤2、制作桁架钢筋网片：根据步骤1设置的桁架钢筋网片组数，制作相应数量的ⅰ型桁架钢筋网片和ⅱ型桁架钢筋网片。

ⅰ型桁架钢筋网片，包括如下步骤：

步骤21、将上部纵筋和梁下部纵筋平行摆放，在上部纵筋和梁下部纵筋的两侧优选各设置一根联系钢筋，两根联系钢筋与上部纵筋和梁下部纵筋首尾相焊接，形成矩形框架。

步骤22、将若干根斜腹杆钢筋呈锯齿波浪状焊接在梁上部纵筋和梁下部纵筋之间。其中，若干根斜腹杆钢筋顶端与梁上部纵筋之间的焊接点，形成锯齿波浪的齿顶。

ⅱ型桁架钢筋网片与ⅰ型桁架钢筋网片相同，不同点在于：ⅰ型桁架钢筋网片的齿顶和ⅱ型桁架钢筋网片的齿顶交错布设。

步骤3、设置混凝土打印平面：在待打印位置设置一个表面平整的打印平面，具体如图4所示。

步骤4、3d打印，具体包括如下步骤：

步骤41、确定打印方向：将打印方向确定为待打印混凝土梁的梁截面宽度方向，从而使得待打印混凝土梁的梁截面高度方向与跨度方向所构成的平面与打印平面相平行。

步骤42、放置ⅰ型桁架钢筋网片：将打印混凝土沿着步骤41确定的打印方向，从下至上逐层打印。当打印至设定打印高度h1时，暂停打印。水平布置一片ⅰ型桁架钢筋网片，并均匀施加压力将ⅰ型桁架钢筋网片的一半压入已经打印的混凝土中，使其与打印混凝土充分粘结。

步骤43、放置ⅱ型桁架钢筋网片：继续沿着打印方向，将打印混凝土打印在ⅰ型桁架钢筋网片的上表面，当打印至设定打印高度h2时，暂停打印。其中，h2>h1。水平布置一片ⅱ型桁架钢筋网片，放置时，应使得ⅰ型桁架钢筋网片的齿顶和ⅱ型桁架钢筋网片的齿顶交错布设。接着，均匀施加压力将ⅱ型桁架钢筋网片的一半压入已经打印的混凝土中，使其与打印混凝土充分粘结。

步骤44、重复步骤42至43，直至将步骤1确定的所有组桁架钢筋网片全部布置在打印混凝土中。

步骤45、继续打印混凝土梁至预定的打印总高度。其中，打印总高度等于打印混凝土梁的梁截面宽度。

试验结果表明：在构件尺寸等外形几何参数相同的情况下，仅配置纵向钢筋的打印混凝土梁其抗剪能力仅由混凝土材料提供，其破坏时为脆性破坏，极大影响结构安全；采用钢筋桁架片式配筋打印的混凝土梁构件其抗剪能力是上述仅配置纵向钢筋梁构件的2至3倍，破坏时为延性破坏，结构安全性好。抗剪能力的具体提升幅度与配置的钢筋桁架组数相关，配置的钢筋桁架越多，提升的抗剪能力越多，可以满足工程中对梁构件不同抗剪能力的需求。同时，在承受相同的荷载时，其跨中挠度仅为上述仅配置纵向钢筋梁构件的40%-80%，表明其整体刚度也得到了良好的改善，提高了构件的使用性能。

本发明能够进行打印混凝土梁的建造，能够克服以往3d打印混凝土梁构件抗剪能力较差的问题，并提升其整体刚度，为打印混凝土梁的建造提供了一种全新的思路，使其具备了投入实际工程使用的可能，本发明能够作为水平承力构件广泛应用于24m以下建筑结构。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。