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装配式混凝土3D打印桥

混凝土3D打印是一种将水泥基复合材料逐层堆叠的新型增材制造技术，因其无模化、自动化、快速化和灵活化的建造优势在建筑、桥梁、基础设施等领域迅速兴起，并表现出巨大发展潜力.3D打印是无模快速建造过程，可以在没有模板支撑的前提下，自由灵活的快速建造异型混凝土结构和建筑。 3D打印赵州桥建成于河北工业大学北辰校区熙湖东侧河道上，桥长28.10米，单拱跨度18.04米，桥宽4.20米。 3D打印赵州桥参照市政桥梁相关设计规范进行设计,为单跨双腹拱结构，结构主拱设计为无铰拱，腹拱为三绞拱，拱上建筑与主拱进行结构刚度分离,优化设计结果。结构安全性系数采用1.1,设计荷载为人群荷载4.2kPa，永久作用有：自重、徐变、装配式构件残余收缩、基础水平和竖向变位等，设计考虑的可变作用有风力、流水压力、温度力，设计过程同时考虑的偶然作用有地震力；承载能力按照承载能力极限状态进行检算，裂缝及变形按照正常使用极限状态进行检算，检算过程各项荷载以《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》为框架，同时根据3D打印实际情况适当调整荷载分项系数、组合系数等计算参数以保证结构安全性质。桥梁设计过程采用桥博与MIDAS CIVIL,检算过程采用MIDAS CIVIL,有限元缝隙通过板梁单元进行结构设计，采用实体单元进行连接位置等的细部优化。设计同样进行了施工阶段计算和吊装过程动态计算，为保证施工工程安全和吊装后构件的可靠性，施工阶段对结构裂缝要求提升至0.2 mm。经检算各施工阶段和成桥后各阶段钢筋拉压应力及混凝土压应力满足要求，结构变形及裂缝满足要求。新材料： 3D打印大尺寸结构构件对水泥基胶凝材料的早强快凝等具有更为严格的要求，同时需要早期水化放热低以及后期的低收缩。为了解决此技术难题，3D打印赵州桥项目精选白色高贝利特硫铝酸盐水泥、石英砂、石英粉以及玄武岩纤维等，通过不断优化材料的配合比，制备而成特种水泥基 3D打印复合材料。该材料,3 天单轴抗压强度 48~52 MPa，3 天水化放热 220J/g，92 天收缩值 4‱。特别地，该材料绝大比例的原材料为白色，很好的提升了打印结构的外观美观度。新装备：为了满足主拱打印的尺寸需求，研发了大型滑轨式机械臂 3D 打印机，机械臂臂展 3.3m，滑轨长度 6.0m，可一次性打印成型长度 11m 左右的结构构件，运动精度 0.1mm。材料的输送为压力泵输送，管径 30mm，长度 12m，可实现打印过程中的连续和持续供料。同时软件部分，打印过程中的路径规划设计，为本课题组自主设计的一笔成型路径规划算法，提高了打印的效率，减少了大尺寸结构打印过程中断点数量，保证了结构的连续性。新技术：天津市地基承载力较弱，对拱桥结构的稳定性和安全性影响较大。因此，使用了内嵌式传感器系统和云平台系统，实时监测和传输拱脚的位移、预应力损失、拱顶的挠度等桥梁的健康状态。同时使用了北斗，用于监测两侧桥台的不均匀沉降等信息，建立了桥梁监测的三维可视化管理平台。

河北工业大学 2021-04-13