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裝配式混凝土3D打印橋

混凝土3D打印是一種將水泥基復(fù)合材料逐層堆疊的新型增材制造技術(shù)，因其無模化、自動化、快速化和靈活化的建造優(yōu)勢在建筑、橋梁、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域迅速興起，并表現(xiàn)出巨大發(fā)展?jié)摿?3D打印是無模快速建造過程，可以在沒有模板支撐的前提下，自由靈活的快速建造異型混凝土結(jié)構(gòu)和建筑。 3D打印趙州橋建成于河北工業(yè)大學(xué)北辰校區(qū)熙湖東側(cè)河道上，橋長28.10米，單拱跨度18.04米，橋?qū)?.20米。 3D打印趙州橋參照市政橋梁相關(guān)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計,為單跨雙腹拱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主拱設(shè)計為無鉸拱，腹拱為三絞拱，拱上建筑與主拱進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度分離,優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)采用1.1,設(shè)計荷載為人群荷載4.2kPa，永久作用有：自重、徐變、裝配式構(gòu)件殘余收縮、基礎(chǔ)水平和豎向變位等，設(shè)計考慮的可變作用有風(fēng)力、流水壓力、溫度力，設(shè)計過程同時考慮的偶然作用有地震力；承載能力按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行檢算，裂縫及變形按照正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行檢算，檢算過程各項荷載以《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》為框架，同時根據(jù)3D打印實際情況適當(dāng)調(diào)整荷載分項系數(shù)、組合系數(shù)等計算參數(shù)以保證結(jié)構(gòu)安全性質(zhì)。橋梁設(shè)計過程采用橋博與MIDAS CIVIL,檢算過程采用MIDAS CIVIL,有限元縫隙通過板梁單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用實體單元進(jìn)行連接位置等的細(xì)部優(yōu)化。設(shè)計同樣進(jìn)行了施工階段計算和吊裝過程動態(tài)計算，為保證施工工程安全和吊裝后構(gòu)件的可靠性，施工階段對結(jié)構(gòu)裂縫要求提升至0.2 mm。經(jīng)檢算各施工階段和成橋后各階段鋼筋拉壓應(yīng)力及混凝土壓應(yīng)力滿足要求，結(jié)構(gòu)變形及裂縫滿足要求。新材料： 3D打印大尺寸結(jié)構(gòu)構(gòu)件對水泥基膠凝材料的早強快凝等具有更為嚴(yán)格的要求，同時需要早期水化放熱低以及后期的低收縮。為了解決此技術(shù)難題，3D打印趙州橋項目精選白色高貝利特硫鋁酸鹽水泥、石英砂、石英粉以及玄武巖纖維等，通過不斷優(yōu)化材料的配合比，制備而成特種水泥基 3D打印復(fù)合材料。該材料,3 天單軸抗壓強度 48~52 MPa，3 天水化放熱 220J/g，92 天收縮值 4?。特別地，該材料絕大比例的原材料為白色，很好的提升了打印結(jié)構(gòu)的外觀美觀度。新裝備：為了滿足主拱打印的尺寸需求，研發(fā)了大型滑軌式機械臂 3D 打印機，機械臂臂展 3.3m，滑軌長度 6.0m，可一次性打印成型長度 11m 左右的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，運動精度 0.1mm。材料的輸送為壓力泵輸送，管徑 30mm，長度 12m，可實現(xiàn)打印過程中的連續(xù)和持續(xù)供料。同時軟件部分，打印過程中的路徑規(guī)劃設(shè)計，為本課題組自主設(shè)計的一筆成型路徑規(guī)劃算法，提高了打印的效率，減少了大尺寸結(jié)構(gòu)打印過程中斷點數(shù)量，保證了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。新技術(shù)：天津市地基承載力較弱，對拱橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性影響較大。因此，使用了內(nèi)嵌式傳感器系統(tǒng)和云平臺系統(tǒng)，實時監(jiān)測和傳輸拱腳的位移、預(yù)應(yīng)力損失、拱頂?shù)膿隙鹊葮蛄旱慕】禒顟B(tài)。同時使用了北斗，用于監(jiān)測兩側(cè)橋臺的不均勻沉降等信息，建立了橋梁監(jiān)測的三維可視化管理平臺。

河北工業(yè)大學(xué) 2021-04-13

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