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      行業創新
      首個3D打印混凝土結構振動臺試驗
      時間:2022-04-12    來源:FengSLab    分享:
      近期,清華土木系馮鵬研究團隊與建筑學院徐衛國教授團隊合作完成了一個3D打印混凝土結構縮比模型的振動臺試驗,據對相關文獻的調研,該試驗應為國際上首個3D打印混凝土建筑結構的振動臺試驗。

      近期,清華土木系馮鵬研究團隊與建筑學院徐衛國教授團隊合作完成了一個3D打印混凝土結構縮比模型的振動臺試驗,據對相關文獻的調研,該試驗應為國際上首個3D打印混凝土建筑結構的振動臺試驗。該結構僅采用了混凝土材料和少量纖維復材(FRP),未配置鋼筋,抗震性能大大超出預期!最大加速度達1.5g,結構保持基本完好,證實了3D打印混凝土結構具有較好的抗震性能。


      該結構模型的設計、打印主要由建筑學院徐衛國教授團隊完成,原型已經在河北張家口已建成,試驗在地震局工程力學所燕郊園區王濤老師的支持下完成。


      最大一級加載的試驗視頻如下:



      01

      結構介紹

      2021年,一棟3D打印混凝土農宅在河北張家口市下花園武家莊建成。為了更直觀和真實地得到其結構實際抗震性能水平,設計了本次3D打印混凝土農宅結構振動臺試驗,驗證了其抗震性能,為未來優化3D打印新型建筑的設計與制造提供試驗依據。


      圖1 武家莊3D打印混凝土農宅 (可點擊圖片了解詳細信息)


      基于實際建造設計,該結構主體均采用3D打印混凝土建造,結構在構件連接節點及關鍵受力區域使用FRP進行增強。全結構實際建造時采用了2015年課題組提出的3D打印+FRP增強的技術方案(https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.08.079):用柔性隨形的FRP提供抗拉承載力,混凝土提供抗壓抗壓。結構主體所用3D打印混凝土為聚丙烯纖維增強混凝土。

      圖2 FRP增強3D打印構件的研究


      考慮到實際條件,對原型結構進行等比縮放,取模型結構幾何相似比為1:3,由此可以得到模型結構相似關系如下表所示。



      3D打印混凝土結構振動臺試驗的施工流程如圖3所示。


      圖3 3D打印混凝土結構振動臺試驗施工流程圖


      全面測試模型結構的地震響應,試驗加載制度為:從6度小震開始進行X方向和Y方向兩個方向的加載,直至9度大震,之后繼續在加速度峰值1g、1.5g下對模型結構進行XY方向加載;加載所用地震波為EL-Centro波、唐山波、Taft波。


      02

      試驗結果

      試驗加載過程如開篇視頻所示。不同地震加速度情況下結構的響應情況如圖4所示。


      圖4 加載制度與結構損傷情況


      圖5至圖8為不同加載工況下的結構情況及損傷細節。


      圖5 門框柱腳破壞圖


      圖6 拱底CFRP布剝離圖


      圖7 拱底左側裂縫圖


      圖8 最終結構情況


      03

      試驗小結

      本試驗設計了河北武家莊市多廂單層農宅房屋結構縮尺模型的模擬地震振動臺試驗,進行了從六度小震到峰值加速度1.5g的地震波工況加載。通過分析試驗現象可以得到以下初步結論:


      (1)通過采用3D打印混凝土+FRP增強圈梁構造柱的新型結構體系,農宅模型結構能夠滿足八度設防地震要求。在八度小震XY方向加載時,結構基本無破壞;在八度中震XY方向加載時,結構僅出現了局部FRP布剝離;在八度大震XY方向加載時,結構中間開間左側拱腳處出現了一條水平輕微裂縫。結構破壞不嚴重,滿足《建筑抗震設計規范》GB50011-2010規定的建筑結構“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。


      (2)通過新型結構體系中FRP布的應變測量表明,FRP能夠增強3D打印混凝土結構的變形和承載能力。模型結構在八度中震工況加載時,部分圈梁構造柱節點位置出現了混凝土開裂現象,但由于FRP布的增強作用,結構體系能夠帶裂縫工作,保持良好的結構剛度和完整性,克服了純混凝土結構抗拉差、延性差等缺陷。


      詳細分析將在后續發表的論文中介紹,敬請關注。


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