一种3D打印混凝土组合梁

一种3d打印混凝土组合梁
技术领域
1.本发明属于3d打印技术领域，具体涉及一种3d打印混凝土组合梁。


背景技术：

2.3d打印混凝土技术是一种数字化、机械化、智能化程度高的新型建造技术，相比传统建造方法具有免模板施工、节省人力、建造效率高等优势。近年来，3d打印混凝土技术在建筑领域的应用开始逐步发展起来，也受到了国内外学者的广泛关注。随着社会现代化进程的不断推进，传统土木施工方式将面临环境污染严重、有效劳动力不足、场地复杂以及建造材料短缺等问题。为此，将3d打印技术用于交通基础设施建造，可促进交通行业的转型升级，实现施工建造快速高效、结构形式更加优美。然而，3d打印建筑技术在世界范围内还面临一系列难题。现阶段3d打印多应用于景观及非承重的维护结构中，针对其在结构工程领域的研究较少，目前提出的3d打印混凝土构件的配筋增强方法，如同步打印配筋、预留孔道配筋、钢筋网增强、钢丝增强等，由于受到设备的干涉问题，传统的配筋增强方法都无法像传统钢筋混凝土结构一样顺利地安装竖向钢筋，打印结构缺乏有效配筋方式，无法满足结构性能要求。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种3d打印混凝土组合梁，相对于传统3d打印混凝土来说，可以提高构件的强度，使其满足承载性能要求。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明一种3d打印混凝土组合梁，包括：
6.若干3d打印混凝土单元，所述3d打印混凝土单元由3d混凝土材料打印而成，若干3d打印混凝土单元沿纵向依次间隔布置，3d打印混凝土单元的抗拉一侧沿其横向开设有键槽；
7.连接件，所述连接件位于3d打印混凝土单元的端部用于将相邻两块3d打印混凝土单元固定连接；
8.剪力键，所述剪力键与键槽配合；
9.抗拉连接板，所述抗拉连接板位于3d打印混凝土单元的抗拉一侧，所述剪力键与抗拉连接板固定连接。
10.进一步，所述连接件包括胶水，相邻两块3d打印混凝土单元之间通过所述胶水胶合。
11.进一步，所述3d打印混凝土单元上开设有贯穿其两端面的通孔，所述通孔内穿设有耗能钢筋，所述耗能钢筋与通孔的内壁之间存在一定间隔，所述耗能钢筋位于相邻两块3d打印混凝土单元之间的间隔位置通过所述胶水粘接。
12.进一步，所述耗能钢筋的四周还紧密环绕设置有若干弹性钢筋，所述弹性钢筋的外侧还同时与耗能钢筋和通孔的内壁抵接，所述通孔内设置有用于所述弹性钢筋纵向定位
的定位片。
13.进一步，所述耗能钢筋的外侧还套设有压片，所述压片与通孔的内壁摩擦配合，所述压片用于将所述弹性钢筋沿其轴向压紧于所述定位片。
14.进一步，所述抗拉连接板为胶合木。
15.进一步，所述3d打印混凝土单元包括混凝土底板、形成在所述底板两侧的混凝土侧板、形成在两混凝土侧板之间的第一筒体和第二筒体，所述底板开设有所述键槽，若干第一筒体位于靠近底板所在一侧且沿横向依次并列设置，若干第二筒体位于远离底板所在一侧且沿横向依次并列设置。
16.本发明的有益效果在于：
17.本发明一种3d打印混凝土组合梁，受弯构件采用3d打印混凝土与胶合木组合的结构形式，胶合木置于构件抗拉区，与3d打印混凝土单元共同形成抗弯构件，相对于传统3d打印混凝土来说，通过与胶合木的一个组合，可以提高构件的强度，使其满足承载(结构)性能要求，通过横向的剪力键直接进行连接，可以提高混凝土组合梁的安装效率，方便现场施工时进行使用。
18.本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
19.为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
20.图1为实施例1组合梁的结构示意图；
21.图2为实施例1耗能钢筋的布置示意图；
22.图3为实施例1定位片的位置示意图；
23.图4为实施例1耗能钢筋的布置示意图；
24.图5为组合梁的连接方式示意图；
25.图6为实施例2剪力键的布置示意图；
26.图7为胶合木-uhpc界面的实验图；
27.图8为胶合木-uhpc界面的有限元模拟图；
28.图9为胶合木-uhpc界面的力-位移实验曲线图；
29.图10为3d打印混凝土-uhpc界面的实验图；
30.图11为3d打印混凝土-uhpc界面的实验受力柱状图。
31.附图中标记如下：3d打印混凝土单元1、混凝土底板1a、混凝土侧板1b、第一筒体1c、第二筒体1d、键槽2、连接件3、剪力键4、抗拉连接板5、通孔6、耗能钢筋7、弹性钢筋8、定位片9、压片10。
具体实施方式
32.实施例1，如图1～4所示，本发明一种3d打印混凝土组合梁，包括：若干3d打印混凝土单元1、连接件3、剪力键4和抗拉连接板5。3d打印混凝土单元1由3d混凝土材料打印而成，
若干3d打印混凝土单元1沿纵向依次间隔布置，此处的纵向指的是混凝土构件的长度方向，3d打印混凝土单元1的抗拉一侧沿其横向开设有键槽2，剪力键4与键槽2配合，剪力键4的方向与3d打印混凝土单元1的延伸方向垂直；剪力键4通过自攻螺钉与抗拉连接板5固定连接。抗拉一侧位于混凝土的底部。连接件3位于3d打印混凝土单元1的端部用于将相邻两块3d打印混凝土单元1固定连接，抗拉连接板5位于3d打印混凝土单元1的抗拉一侧，剪力键4与抗拉连接板5固定连接，通过设置抗拉连接板5可以增强受拉区混凝土性能。抗拉连接板5采用胶合木，高强度导致它不易变形的优势，不容易产生弯曲且横截面的抗拉强度较好。需要在胶合木和3d打印混凝土中开槽，然后在洞里灌注uhpc，以提高连接强度。采用本发明的组合梁，无需考虑配筋即可增加3d打印混凝土的强度，可以比较适合地运用到建筑工程当中。其中图5为6中不同剪力槽与胶合木组合下自攻螺钉的连接方式示意图。
33.本实施例中，连接件3包括胶水，相邻两块3d打印混凝土单元1之间通过胶水胶合，可以便于将相邻两块3d打印混凝土单元1进行连接，当然，两者的连接方式还可以采用铆接等物理连接方式，但是该种方式容易破坏3d打印混凝土单元1的表面。
34.本实施例中，3d打印混凝土单元1上开设有贯穿其两端面的通孔6，通孔6内穿设有耗能钢筋7，通孔6的内径大于耗能钢筋7的外径，这样耗能钢筋7与通孔6的内壁之间存在一定间隔，耗能钢筋7位于相邻两块3d打印混凝土单元1之间的间隔位置通过胶水粘接。通过设置耗能钢筋7，可以增加该梁的受拉性能，当相邻两个3d打印混凝土单元1之间受拉时，可以同时拉动该耗能钢筋7，耗能钢筋7变形，能起到一定的耗能效果。同时，即便相邻两个3d打印混凝土单元1之间受到剪力的作用，也能将力作用于耗能钢筋7，耗能钢筋7变形后耗散能量。
35.本实施例中，耗能钢筋7的四周还紧密环绕设置有若干弹性钢筋8，弹性钢筋8采用弹性钢制成的弹性钢筒，内部空心，可以通过挤压来耗散能量，弹性钢筋8的外侧还同时与耗能钢筋7和通孔6的内壁抵接，通孔6内设置有用于弹性钢筋8纵向定位的定位片9。耗能钢筋7的外侧还套设有压片10，压片10与通孔6的内壁摩擦配合，压片10用于将弹性钢筋8沿其轴向压紧于定位片9，便于对弹性钢筋8进行定位和安装。所述抗拉连接板5为胶合木。
36.本实施例中，3d打印混凝土单元1包括混凝土底板1a、形成在底板两侧的混凝土侧板1b、形成在两混凝土侧板1b之间的第一筒体1c和第二筒体1d，底板开设有键槽2，若干第一筒体1c位于靠近底板所在一侧且沿横向依次并列设置，若干第二筒体1d位于远离底板所在一侧且沿横向依次并列设置，采用该种3d打印混凝土单元1结构，在保证混凝土强度的同时，减少3d打印混凝土单元1的用量，使用更为经济。
37.实施例2，本实施例与实施例1的区别在于，剪力键4的方向与3d打印混凝土单元1的延伸方向平行，剪力键4沿着抗拉连接板5的纵向，对应在抗拉连接板5以及混凝土底板1a上均开设有与其对应的键槽2。
38.该3d打印混凝土组合梁通过在抗拉构件(胶合木/钢梁)中填充uhpc起到连接抗拉构件与抗压构件(3d打印混凝土)的作用，为明确该连接方式的可靠性与可行性，我们对连接件的力学性能展开了实验。在该组合梁中，抗剪连接主要存在两种界面：即uhpc-胶合木连接界面、以及3d打印混凝土-uhpc连接界面，因此，连接件性能研究首先基于这两种界面连接进行。
39.如图7～9所示，uhpc-胶合木连接界面性能实验和有限元模拟考察了不同连接形
式(仅有螺钉，仅开槽，螺钉+开槽)的抗剪性能、受力机理和破坏模式。综合试验结果，得出三种连接形式都有较大的承载力，其中开口榫-螺钉类连接件的刚度最大，承载力最高。
40.如图10和11所示，是3d打印混凝土(3dpc)-uhpc界面推出实验。由于3d打印混凝土较传统混凝土存在条间、层间等有不同界面形式，因此，该试验主要通过控制3d打印混凝土不同界面(如层间界面、条间界面、以及层条间界面)，考虑外表面切割与否，以及考虑不同的加载方向(即平行于层/条间界面加载和垂直于层/条间界面加载)等影响参数，进行界面斜剪试验，探索3d打印混凝土与uhpc界面的连接形式。
41.通过3d打印混凝土-uhpc的界面连接的剪切试验结果可知，正常外表面的3dpc界面具有很好的延性和很高的承载力，而层间-条间界面连接性能优于层间界面，优于条间界面。因此，在实际设计中，将推荐采用正常外表面的层-条间界面连接方式。即通过结果分析，采用3d打印混凝土-uhpc连接性好。
42.总的来说，通过实验和有限元模拟分析，该新型3d打印混凝土组合梁通过uhpc连接3d打印混凝土和抗拉构件(胶合木)，其具有很好的连接效果，连接件设计合理，强度高，能充分发挥其连接特性，该新型组合梁具有很好的可行性与实用性。
43.最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。