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近期，清華土木系馮鵬研究團隊與建筑學院徐衛(wèi)國教授團隊合作完成了一個3D打印混凝土結(jié)構(gòu)縮比模型的振動臺試驗，據(jù)對相關(guān)文獻的調(diào)研，該試驗應(yīng)為國際上首個3D打印混凝土建筑結(jié)構(gòu)的振動臺試驗。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1.5g，結(jié)構(gòu)保持基本完好，證實了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、打印主要由建筑學院徐衛(wèi)國教授團隊完成，原型已經(jīng)在河北張家口已建成，試驗在地震局工程力學所燕郊園區(qū)王濤老師的支持下完成。

最大一級加載的試驗視頻如下：

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。為了更直觀和真實地得到其結(jié)構(gòu)實際抗震性能水平，設(shè)計了本次3D打印混凝土農(nóng)宅結(jié)構(gòu)振動臺試驗，驗證了其抗震性能，為未來優(yōu)化3D打印新型建筑的設(shè)計與制造提供試驗依據(jù)。

圖1 武家莊3D打印混凝土農(nóng)宅 （可點擊圖片了解詳細信息）

基于實際建造設(shè)計，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)點及關(guān)鍵受力區(qū)域使用FRP進行增強。全結(jié)構(gòu)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(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混凝土。

考慮到實際條件，對原型結(jié)構(gòu)進行等比縮放，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)振動臺試驗的施工流程如圖3所示。

圖3 3D打印混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗施工流程圖

為全面測試模型結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，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(xù)在加速度峰值1g、1.5g下對模型結(jié)構(gòu)進行XY方向加載；加載所用地震波為EL-Centro波、唐山波、Taft波。

試驗加載過程如開篇視頻所示。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。

本試驗設(shè)計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(xiàn)象可以得到以下初步結(jié)論：

（1）通過采用3D打印混凝土+FRP增強圈梁構(gòu)造柱的新型結(jié)構(gòu)體系，農(nóng)宅模型結(jié)構(gòu)能夠滿足八度設(shè)防地震要求。在八度小震XY方向加載時，結(jié)構(gòu)基本無破壞；在八度中震XY方向加載時，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，結(jié)構(gòu)中間開間左側(cè)拱腳處出現(xiàn)了一條水平輕微裂縫。結(jié)構(gòu)破壞不嚴重，滿足《建筑抗震設(shè)計規(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。

（2）通過新型結(jié)構(gòu)體系中FRP布的應(yīng)變測量表明，FRP能夠增強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，部分圈梁構(gòu)造柱節(jié)點位置出現(xiàn)了混凝土開裂現(xiàn)象，但由于FRP布的增強作用，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。

詳細分析將在后續(xù)發(fā)表的論文中介紹，敬請關(guān)注。