來(lái)源:焊接科學(xué)
3D打印混凝土技術(shù)集材料制備,、幾何造型,、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工于一體,,具有綠色,、低碳、智能建筑的本質(zhì)優(yōu)勢(shì),,近年來(lái)得到蓬勃發(fā)展,。近日,重慶大學(xué)土木工程學(xué)院陳朝暉教授,、張志剛副教授團(tuán)隊(duì)在《Construction and Building Materials》(中科院1區(qū),,Top,影響因子7.4)期刊發(fā)表最新綜述文章“3D printing concrete structures: State of the art, challenges, and opportunities”,,對(duì)凝混土結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述,。陳朝暉教授和張志剛副教授為共同通訊作者。
由于打印材料和打印技術(shù)的特殊性,,3D打印混凝土表現(xiàn)出獨(dú)特的宏觀各向異性,,而目前對(duì)3D打印混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究還不夠。雖然3D打印混凝土的工程案例眾多,,但成熟的結(jié)構(gòu)加固增強(qiáng)方法以及定量的結(jié)構(gòu)承載力分析理論和方法仍有待研究,。為了適應(yīng)材料和打印工藝的特定要求,實(shí)現(xiàn)材料的高效利用,,優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于3D打印混凝土結(jié)構(gòu)至關(guān)重要,。3D打印混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域目前還處于起步階段,。最后,板,、殼,、梁、拱結(jié)構(gòu)的打印,、連接和施工方法為3D打印混凝土結(jié)構(gòu)提供多方面的參考,。總的來(lái)說(shuō),,3D打印混凝土材料和結(jié)構(gòu)的選擇以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工都存在問(wèn)題,。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)例,,從材料力學(xué)性能,、結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化設(shè)計(jì),、連接施工方法四個(gè)方面進(jìn)行綜述,。
工作亮點(diǎn)
(1)回顧了3D打印混凝土結(jié)構(gòu)的最新技術(shù)。
(2)描述了3D打印混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn),。
(3)給出了3D打印混凝土結(jié)構(gòu)的未來(lái)機(jī)遇,。
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圖1. 3DPC柱的輪廓制作:(a)不規(guī)則空間桁架形柱;(b) 可變截面柱,。
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圖2. 3DPC同步加固技術(shù).
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圖3. 3DPC拱橋:(a)鋼筋混凝土拱橋,;(b) 擠壓拱橋。
自1997年提出混凝土3D打印概念以來(lái),,人們對(duì)3DPC技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究,。在3DPC結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和施工方面的深入知識(shí)和豐富經(jīng)驗(yàn)促使3DPC技術(shù)作為一種施工方法得到有益的使用,,這可以減少對(duì)材料和工人的需求,。論文從材料特性、結(jié)構(gòu)形式,、優(yōu)化設(shè)計(jì),、連接方式四個(gè)方面對(duì)3DPC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面綜述,并探討了3DPC技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)機(jī)遇,�,?梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。
(1)3DPC技術(shù)是一種通過(guò)增材制造工藝形成混凝土結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù),。這種特殊的施工技術(shù)導(dǎo)致3DPC的層間和帶間界面處產(chǎn)生初始缺陷,,從而降低了3DPC結(jié)構(gòu)的性能。與普通混凝土不同,,3DPC在不同荷載方向上的性能并不一致,,即各向異性,。合適的3DPC混合物應(yīng)同時(shí)具備可打印性和強(qiáng)度,這往往需要工程師在設(shè)計(jì)材料成分時(shí)達(dá)到平衡,。此外,,打印技術(shù)(層間間隔時(shí)間和打印速度)和打印噴嘴參數(shù)(高度、形狀和尺寸)也會(huì)影響3DPC的機(jī)械性能,。
(2)與普通結(jié)構(gòu)類似,,3DPC結(jié)構(gòu)主要分為兩類:受壓構(gòu)件(墻、柱,、拱)和受彎構(gòu)件(梁,、板)。受壓構(gòu)件是3DPC結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的形式,,因?yàn)樗梢猿浞掷没炷恋目箟盒阅�,,而且也更易于分段設(shè)計(jì)。對(duì)于3DPC的彎曲構(gòu)件,,桁架系統(tǒng)適合代替普通的梁結(jié)構(gòu),。此外,傳統(tǒng)的板結(jié)構(gòu)采用肋設(shè)計(jì),,可以減輕3DPC結(jié)構(gòu)的自重。另一方面,,也提出了適用于3DPC結(jié)構(gòu)的加固技術(shù),。橫向加固技術(shù)廣泛應(yīng)用于受壓構(gòu)件,而后張加固技術(shù)主要應(yīng)用于受彎構(gòu)件,。
(3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以利用3DPC的高自由度,,以更少的材料實(shí)現(xiàn)更好的性能。常用的優(yōu)化方法有基于材料密度的拓?fù)鋬?yōu)化和基于邊界條件的拓?fù)鋬?yōu)化,。彎曲構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)比壓縮構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)更為復(fù)雜,。研究表明,矩形網(wǎng)格和桁架網(wǎng)格分別在壓縮和彎曲性能方面具有優(yōu)勢(shì),。此外,,打印技術(shù)還需要根據(jù)材料特性和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化�,?傮w而言,,結(jié)構(gòu)與印刷技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最終目標(biāo)。
(4)對(duì)于裝配式3DPC結(jié)構(gòu),,構(gòu)件的連接措施是保證結(jié)構(gòu)可靠性的基礎(chǔ),。目前3DPC結(jié)構(gòu)采用的連接方式有后張鋼筋連接方式、機(jī)械連接方式,、擠壓連接方式等,。擠壓連接方式有利于傳遞壓力,,常用于拱形或殼結(jié)構(gòu)。受彎構(gòu)件主要采用后張法鋼筋連接方式和機(jī)械連接方式,。另外,,組裝結(jié)構(gòu)中的連接方法也可以參考3DPC結(jié)構(gòu)。
通訊作者
陳朝暉,,工學(xué)博士,,教授,博士生導(dǎo)師,。1998年畢業(yè)于清華大學(xué)土木工程系,,獲工學(xué)博士學(xué)位。1998年至今于重慶大學(xué)土木工程學(xué)院任教,,2004至06年赴美國(guó)普林斯頓大學(xué)土木與環(huán)境工程系作高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者,。先后獲全國(guó)寶鋼優(yōu)秀教師獎(jiǎng)、全國(guó)徐芝綸力學(xué)優(yōu)秀教師獎(jiǎng),、重慶大學(xué)優(yōu)秀教師獎(jiǎng),、重慶大學(xué)唐立新優(yōu)秀教師獎(jiǎng)及重慶大學(xué)“最受學(xué)生歡迎的老師”。主要研究方向:結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法,、隨機(jī)場(chǎng)與可靠性理論與應(yīng)用,、3D打印混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理與方法、城市基礎(chǔ)工程風(fēng)險(xiǎn)分析理論與方法,。主要成果體現(xiàn)于參數(shù)隨機(jī)場(chǎng)下邊坡穩(wěn)定可靠性研究,、柔性結(jié)構(gòu)非線性分析方法以及城市地下管網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性分析與監(jiān)測(cè)等方面。主持和主研“十一五”國(guó)家重大專項(xiàng)水體污染控制與治理課題,、”十三五”高性能鋼結(jié)構(gòu)體系研究與示范應(yīng)用,、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目等在內(nèi)的國(guó)家級(jí)省部級(jí)科研項(xiàng)目十余項(xiàng),,參編國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》,,承擔(dān)湖南省郴州市體育中心體育場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)研究、重慶鵝公巖大橋靜力穩(wěn)定性能研究,、重慶軌道交通十號(hào)線南紀(jì)門長(zhǎng)江大橋拉索安全性研究等數(shù)項(xiàng)重大工程項(xiàng)目,。獲發(fā)明專利5項(xiàng)、計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)4項(xiàng),。發(fā)表學(xué)術(shù)論文120余篇,。出版譯著《隨機(jī)場(chǎng):分析與綜合》(高等教育出版社)、專著《山地城市排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控預(yù)警理論與應(yīng)用》(科學(xué)出版社),,主編教材3部,。
張志剛,男,,山東省聊城人,。博士,,副教授,博士生導(dǎo)師,。2016年于東南大學(xué)獲得博士學(xué)位,,2013.09-2015.09在美國(guó)密歇根大學(xué)學(xué)習(xí)交流兩年,師從于ECC材料(一種可彎曲的混凝土)發(fā)明人Victor C. Li教授,;主要研究方向?yàn)楦哐有运嗷鶑?fù)合材料(ECC)及其結(jié)構(gòu)行為,。目前已在國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表論文近40余篇,其中40余篇(一作或通訊作者)被SCI收錄,;作為 負(fù)責(zé)人 主持承擔(dān) 2 項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,;1項(xiàng)十四五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題;2 項(xiàng)省部級(jí)項(xiàng)目,;2 項(xiàng)土木行業(yè)內(nèi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題,。
論文引用
Liu D, Zhang Z, Zhang X, et al. 3D printing concrete structures: State of the art, challenges, and opportunities[J]. Construction and Building Materials, 2023, 405: 133364.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133364
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