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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合材料逐層堆疊的新型增材制造技術，因其無模化、自動化、快速化和靈活化的建造優勢在建筑、橋梁、基礎設施等領域迅速興起，并表現出巨大發展潛力.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構和建筑。 3D打印趙州橋建成于河北工業大學北辰校區熙湖東側河道上，橋長28.10米，單拱跨度18.04米，橋寬4.20米。 3D打印趙州橋參照市政橋梁相關設計規范進行設計,為單跨雙腹拱結構，結構主拱設計為無鉸拱，腹拱為三絞拱，拱上建筑與主拱進行結構剛度分離,優化設計結果。結構安全性系數采用1.1,設計荷載為人群荷載4.2kPa，永久作用有：自重、徐變、裝配式構件殘余收縮、基礎水平和豎向變位等，設計考慮的可變作用有風力、流水壓力、溫度力，設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進行檢算，裂縫及變形按照正常使用極限狀態進行檢算，檢算過程各項荷載以《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》為框架，同時根據3D打印實際情況適當調整荷載分項系數、組合系數等計算參數以保證結構安全性質。橋梁設計過程采用橋博與MIDAS CIVIL,檢算過程采用MIDAS CIVIL,有限元縫隙通過板梁單元進行結構設計，采用實體單元進行連接位置等的細部優化。設計同樣進行了施工階段計算和吊裝過程動態計算，為保證施工工程安全和吊裝后構件的可靠性，施工階段對結構裂縫要求提升至0.2 mm。經檢算各施工階段和成橋后各階段鋼筋拉壓應力及混凝土壓應力滿足要求，結構變形及裂縫滿足要求。新材料： 3D打印大尺寸結構構件對水泥基膠凝材料的早強快凝等具有更為嚴格的要求，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，通過不斷優化材料的配合比，制備而成特種水泥基 3D打印復合材料。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構的外觀美觀度。新裝備：為了滿足主拱打印的尺寸需求，研發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 左右的結構構件，運動精度 0.1mm。材料的輸送為壓力泵輸送，管徑 30mm，長度 12m，可實現打印過程中的連續和持續供料。同時軟件部分，打印過程中的路徑規劃設計，為本課題組自主設計的一筆成型路徑規劃算法，提高了打印的效率，減少了大尺寸結構打印過程中斷點數量，保證了結構的連續性。新技術：天津市地基承載力較弱，對拱橋結構的穩定性和安全性影響較大。因此，使用了內嵌式傳感器系統和云平臺系統，實時監測和傳輸拱腳的位移、預應力損失、拱頂的撓度等橋梁的健康狀態。同時使用了北斗，用于監測兩側橋臺的不均勻沉降等信息，建立了橋梁監測的三維可視化管理平臺。

河北工業大學 2021-04-13

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