首個(gè)3D打印混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)
近期,清華土木系馮鵬研究團(tuán)隊(duì)與建筑學(xué)院徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)合作完成了一個(gè)3D打印混凝土結(jié)構(gòu)縮比模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),據(jù)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研,該試驗(yàn)應(yīng)為國(guó)際上首個(gè)3D打印混凝土建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。該結(jié)構(gòu)僅采用了混凝土材料和少量纖維復(fù)材(FRP),未配置鋼筋,抗震性能大大超出預(yù)期!最大加速度達(dá)1.5g,結(jié)構(gòu)保持基本完好,證實(shí)了3D打印混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。
該結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)、打印主要由建筑學(xué)院徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)完成,原型已經(jīng)在河北張家口已建成,試驗(yàn)在地震局工程力學(xué)所燕郊園區(qū)王濤老師的支持下完成。
最大一級(jí)加載的試驗(yàn)視頻如下:
01
結(jié)構(gòu)介紹
2021年,一棟3D打印混凝土農(nóng)宅在河北張家口市下花園武家莊建成。為了更直觀和真實(shí)地得到其結(jié)構(gòu)實(shí)際抗震性能水平,設(shè)計(jì)了本次3D打印混凝土農(nóng)宅結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),驗(yàn)證了其抗震性能,為未來(lái)優(yōu)化3D打印新型建筑的設(shè)計(jì)與制造提供試驗(yàn)依據(jù)。

圖1 武家莊3D打印混凝土農(nóng)宅 (可點(diǎn)擊圖片了解詳細(xì)信息)
基于實(shí)際建造設(shè)計(jì),該結(jié)構(gòu)主體均采用3D打印混凝土建造,結(jié)構(gòu)在構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)及關(guān)鍵受力區(qū)域使用FRP進(jìn)行增強(qiáng)。全結(jié)構(gòu)實(shí)際建造時(shí)采用了2015年課題組提出的3D打印+FRP增強(qiáng)的技術(shù)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(jié)構(gòu)主體所用3D打印混凝土為聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土。
圖2 FRP增強(qiáng)3D打印構(gòu)件的研究
考慮到實(shí)際條件,對(duì)原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行等比縮放,取模型結(jié)構(gòu)幾何相似比為1:3,由此可以得到模型結(jié)構(gòu)相似關(guān)系如下表所示。

3D打印混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的施工流程如圖3所示。

圖3 3D打印混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)施工流程圖
為全面測(cè)試模型結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),試驗(yàn)加載制度為:從6度小震開(kāi)始進(jìn)行X方向和Y方向兩個(gè)方向的加載,直至9度大震,之后繼續(xù)在加速度峰值1g、1.5g下對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)加載過(guò)程如開(kāi)篇視頻所示。不同地震加速度情況下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況如圖4所示。

圖4 加載制度與結(jié)構(gòu)損傷情況
圖5至圖8為不同加載工況下的結(jié)構(gòu)情況及損傷細(xì)節(jié)。

圖5 門(mén)框柱腳破壞圖

圖6 拱底CFRP布剝離圖

圖7 拱底左側(cè)裂縫圖

圖8 最終結(jié)構(gòu)情況
03
試驗(yàn)小結(jié)
本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了河北武家莊市多廂單層農(nóng)宅房屋結(jié)構(gòu)縮尺模型的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),進(jìn)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(guò)分析試驗(yàn)現(xiàn)象可以得到以下初步結(jié)論:
(1)通過(guò)采用3D打印混凝土+FRP增強(qiáng)圈梁構(gòu)造柱的新型結(jié)構(gòu)體系,農(nóng)宅模型結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足八度設(shè)防地震要求。在八度小震XY方向加載時(shí),結(jié)構(gòu)基本無(wú)破壞;在八度中震XY方向加載時(shí),結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)了局部FRP布剝離;在八度大震XY方向加載時(shí),結(jié)構(gòu)中間開(kāi)間左側(cè)拱腳處出現(xiàn)了一條水平輕微裂縫。結(jié)構(gòu)破壞不嚴(yán)重,滿(mǎn)足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010規(guī)定的建筑結(jié)構(gòu)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。
(2)通過(guò)新型結(jié)構(gòu)體系中FRP布的應(yīng)變測(cè)量表明,FRP能夠增強(qiáng)3D打印混凝土結(jié)構(gòu)的變形和承載能力。模型結(jié)構(gòu)在八度中震工況加載時(shí),部分圈梁構(gòu)造柱節(jié)點(diǎn)位置出現(xiàn)了混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象,但由于FRP布的增強(qiáng)作用,結(jié)構(gòu)體系能夠帶裂縫工作,保持良好的結(jié)構(gòu)剛度和完整性,克服了純混凝土結(jié)構(gòu)抗拉差、延性差等缺陷。
詳細(xì)分析將在后續(xù)發(fā)表的論文中介紹,敬請(qǐng)關(guān)注。
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