Continuous printed height of 3D printing concrete circular tube with equiangular movements of starting point

为研究 3D 打印混凝土圆管可连续打印高度随打印路径等参数变化的规律，开展了打印条带质量测试研究，确定了合适的混凝土材料配合比及打印速度；通过无侧限单轴抗压试验和直接剪切试验，研究了早龄期 3D 打印混凝土本构模型；设计了起始点沿周向逐层等角度移动时圆管的4种打印方案，完成了圆管连续打印高度的试验研究；采用生死单元法对打印过程中圆管的受力进行了有限元模拟。结果表明：建立的基于摩尔库伦屈服准则的早龄期 3D 打印混凝土本构模型与试验数据吻合较好；采用 120°等角度移动方案的圆管可连续打印层数最多，为 24 层，较起始点不移动的方案提高了50%；提出的考虑每层条带结合处薄弱特性的有限元建模方法较为准确，模拟得到的圆管变形、失效模式等结果与试验结果吻合较好，可连续打印层数的模拟相对误差在10%以内。     

早龄期H型钢混凝土梁受力性能试验研究及有限元分析

为研究C40早龄期型钢混凝土梁的受力性能，分别对7根H型钢混凝土梁在龄期1、3、7、28 d进行单调静力加载试验, 分析了荷载-位移曲线、荷载-应变曲线和梁早期受荷损伤对后期受力性能的影响。试验结果表明：掺入早强剂的C40型钢混凝土梁1 d的承载力可达到28 d的75.5%；梁的早期受荷损伤对后期28 d龄期的承载力影响不大。在试验研究的基础上，利用非线性有限元分析软件ABAQUS，建立型钢混凝土梁力学模型进行有限元分析，有限元分析结果与试验结果吻合较好。     

基于图像处理技术的3D打印混凝土挤出条带几何质量检测

挤出条带的几何质量是3D打印混凝土打印性能的关键评价指标，当前挤出条带的几何质量检测仍依赖于观察法，尚未实现智能化分析。基于此，提出一种基于图像处理技术的挤出条带几何质量检测及量化方法。通过设计实体打印，利用固定在打印喷嘴上的摄像头对打印条带的图像进行采集，开发Open CV程序实现对条带边缘线的分割提取，并借助条带边缘的曲率和宽度指标对挤出条带几何质量进行分类，依据流动性状况将挤出条带几何质量划分为3种等级，据此判定材料挤出性能，试验表明所提出的方法能够实现不同流动性挤出条带几何质量的自动化检测，有助于推进3D打印混凝土检测的智能化发展。     

3D打印混凝土硬化后断裂机理试验研究

为了研究3D打印混凝土硬化后的断裂机理，针对常规浇筑混凝土和三种不同打印路径混凝土，开展了劈裂抗拉强度和三点弯试验，利用声发射技术监测了断裂过程。结果表明：打印混凝土的劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能均小于常规浇筑混凝土；当平行于荷载方向上条间界面（水平条带之间界面）数量增加时，断裂面上材料完整性被削弱的程度愈大，劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能愈小；打印混凝土内部界面对微裂缝的开裂模式有影响，随着材料完整性削弱程度的增大，剪切裂缝数量占比愈大；通过衰减系数反映微观断裂与打印混凝土宏观断裂力学性能之间的关系，发现随着剪切微裂缝数量占比衰减系数的增加，抗弯强度、延性、断裂能衰减系数减小，两者近似呈线性关系。     

台山核电站反应堆筏基混凝土考虑施工过程的温度场模拟分析

为准确模拟台山核电站筏基混凝土温度场,在有限元模拟分析筏基混凝土水化温度场时,同时考虑了龄期、温度和施工过程的影响。基于混凝土等效龄期和水化度概念,利用绝热温升曲线,确定了混凝土等效龄期水化度曲线。利用ABAQUS有限元软件模拟筏基温度场,通过HETVAL子程序实现由等效龄期水化度曲线确定的混凝土水化生热率,以此考虑龄期和温度对混凝土水化放热过程的双重影响。根据筏基施工方法及形状特性,采用1/2模型,并结合ABAQUS软件中的模型改变交互功能实现模拟施工过程。结果表明:采用等效龄期水化度,可模拟温度和龄期对水泥水化放热过程的双重影响;采用1/2模型和ABAQUS软件中模型交互功能,可模拟筏基混凝土温度场对称分布并受施工过程影响的特性;考虑施工过程模拟温升起始时刻、模拟最高温度及其对应时刻均与实测值吻合较好。     

快硬早强混凝土3D打印施工方法及应用

建筑3D打印技术对混凝土的性能要求主要是快硬早强。结合实际打3D打印混凝土应用技术,对适合于建筑3D打印的快硬早强混凝土的工作性能、凝结时间、力学性能提出了参数指标。通过研究混凝土的3D打印工艺、配合比设计和施工流程,对3D打印混凝土的施工方法进行了阐述。利用工业型3D打印机实现快硬早强打印混凝土在建筑构件、房屋的应用。     

早龄期张拉对预应力混凝土梁徐变的影响

采取室内试验与有限元分析相结合的手段,研究早龄期张拉预应力是否可以降低混凝土梁的徐变值。室内试验部分以实际工程为依托,制作了4根1∶6的缩尺试件。设计了两种不同的预应力张拉方案,通过比较不同方案中预应力筋的预应力损失、梁的挠度、梁截面混凝土的应变、梁截面曲率等方面的试验数值,可以看出在早龄期进行张拉的两次张拉方式对于降低混凝土徐变是最有效的。又利用有限元计算了两种张拉方案中预应力混凝土梁的竖向变形,验证了试验的准确性,并再次证实了早龄期张拉的施工方法可以明显地降低预应力混凝土梁的徐变值。     

Hysteretic behavior of encased CFST column bases

通过4个外包式钢管混凝土柱脚试件的低周往复荷载试验和ABAQUS有限元模拟,研究了圆形截面钢管混凝土柱脚外包钢筋混凝土和钢管混凝土构造及外包高度对柱脚的滞回性能影响。研究表明：外包高度为2.5D（D为钢管混凝土柱直径）的试件承载能力较外包高度为1.8D的试件高,但延性和耗能能力差。外包段采用钢管混凝土（即加设方形外包钢板）,因外包段顶部的塑性变形而破坏,能明显提高柱脚的受弯承载力,但其延性相较于采用钢筋混凝土包裹的柱脚会有所降低。通过有限元模拟构件抗震性能发现,有限元模拟结果与试验结果吻合较好。     

3D打印混凝土相关性能研究进展

从流动性、黏结强度、凝结时间、纤维增强等方面概括了目前3D打印混凝土的研究进展,分析了外加剂、骨料级配和特殊材料应用于改善3D打印混凝土流动性的现状;总结了3D打印混凝土层间黏结强度的不足及改善措施;从外加剂和水泥的选择上探讨了3D打印混凝土凝结时间的控制方案,分析了纤维用于3D打印混凝土中的优势以及特殊性;结合现状对3D打印混凝土未来研究方向进行了展望。     

外包式钢管混凝土柱脚滞回性能研究

通过4个外包式钢管混凝土柱脚试件的低周往复荷载试验和ABAQUS有限元模拟,研究了圆形截面钢管混凝土柱脚外包钢筋混凝土和钢管混凝土构造及外包高度对柱脚的滞回性能影响。研究表明:外包高度为2.5 D(D为钢管混凝土柱直径)的试件承载能力较外包高度为1.8 D的试件高,但延性和耗能能力差。外包段采用钢管混凝土(即加设方形外包钢板),因外包段顶部的塑性变形而破坏,能明显提高柱脚的受弯承载力,但其延性相较于采用钢筋混凝土包裹的柱脚会有所降低。通过有限元模拟构件抗震性能发现,有限元模拟结果与试验结果吻合较好。     

钢-混凝土组合空间框架拟动力有限元分析

基于混凝土的塑性-损伤本构模型与钢材的弹塑性混合强化本构模型,采用ABAQUS有限元分析软件,对圆钢管混凝土柱-钢筋混凝土框架梁2层空间框架的三维实体精细有限元模型进行拟动力分析。模型中考虑了钢管与核心混凝土的约束作用以及连续地震作用下引起的塑性耗能累积效应。对钢管混凝土柱轴压比、钢管横向变形系数以及各关键点的钢管与核心混凝土、框架梁、环梁与楼板中的钢筋和混凝土的应力-应变滞回曲线以及框架结构的塑性耗能分布情况进行分析。结果表明：连续工况地震作用使框架结构产生塑性耗能累积效应,进而使楼层的位移响应明显增大,层间刚度减小;连续工况地震作用后,钢管和所有钢筋都屈服,钢管、环梁钢筋的约束作用使核心混凝土、环梁混凝土强度超过其轴心抗压强度,楼板混凝土因受拉而开裂;短边柱的轴压比有明显波动,罕遇地震作用下其值大于角柱、中柱和长边柱的轴压比;钢管混凝土柱为主要的塑性耗能构件,环梁次之。     

圆端形椭圆钢管混凝土受扭性能数值分析及抗扭承载力计算

为探究圆端形椭圆钢管混凝土构件的受扭性能和抗扭承载力计算方法,采用ABAQUS建立了圆端形椭圆钢管混凝土构件在纯扭作用下的有限元分析模型。为解决核心混凝土本构关系问题,提出了一种关于圆端形椭圆钢管核心混凝土本构关系的新等效方法,利用已有试验结果验证了等效方法的可行性和数值分析模型的准确性。开展了纯扭作用下圆端形椭圆钢管混凝土构件性能的参数分析,研究参数包括钢材强度、混凝土强度、含钢率、长短轴比和截面尺寸等。揭示了圆端形椭圆钢管混凝土构件在纯扭作用下的受力机理,提出了圆端形椭圆钢管混凝土构件的抗扭承载力简化计算公式。结果表明:构件抗扭承载力随钢材强度、截面尺寸、含钢率增大而增大,随长短轴比增大而减小;研究成果将为圆端形椭圆钢管混凝土构件的设计提供参考。     

基于月壤成分和月球环境的3D打印混凝土结构可行性分析

3D打印工艺在高辐射低温失重的月球环境下凸显巨大的技术潜力,针对月球基地结构的建造技术参数,结合月壤成分、材料比例和细度分布开展了3D打印混凝土配合比设计分析,归纳了月球混凝土3D打印结构的材料配合比,力学性能,工作参数和结构型式等相关研究进展,探讨了真空和低温失重环境下月球3D打印混凝土结构的技术可行性和未来发展趋势。     

Nonlinear analysis of circular concrete-filled steel tubular short columns under axial loading

The confinement effect provided by the steel tube in a circular concrete-filled steel tubular (CFST) short column remarkably increases the strength and ductility of the concrete core. The reliable prediction using nonlinear analysis methods for circular CFST columns relies on the use of accurate models for confined concrete. In this paper, accurate constitutive models for normal and high strength concrete confined by either normal or high strength circular steel tubes are proposed. A generic fiber element model that incorporates the proposed constitutive models of confined concrete is created for simulating the nonlinear inelastic behavior of circular CFST short columns under axial loading. The generic fiber element model developed is verified by comparisons of computational results with existing experimental data. Extensive parametric studies are conducted to examine the accuracy of various confining pressure models and the effects of the tube diameter-to-thickness ratio, concrete compressive strengths and steel yield strengths on the fundamental behavior of circular CFST columns. A new design formula accounting for concrete confinement effects is also proposed for circular CFST columns. It is demonstrated that the generic fiber element model and design formula adequately predict the ultimate strength and behavior of axially loaded circular CFST columns and can be used in the design of normal and high strength circular CFST columns.     

Experimental study on fracture mechanism of hardened 3D printed concrete

为了研究3D打印混凝土硬化后的断裂机理，针对常规浇筑混凝土和三种不同打印路径混凝土，开展了劈裂抗拉强度和三点弯试验，利用声发射技术监测了断裂过程。结果表明：打印混凝土的劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能均小于常规浇筑混凝土；当平行于荷载方向上条间界面（水平条带之间界面）数量增加时，断裂面上材料完整性被削弱的程度愈大，劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能愈小；打印混凝土内部界面对微裂缝的开裂模式有影响，随着材料完整性削弱程度的增大，剪切裂缝数量占比愈大；通过衰减系数反映微观断裂与打印混凝土宏观断裂力学性能之间的关系，发现随着剪切微裂缝数量占比衰减系数的增加，抗弯强度、延性、断裂能衰减系数减小，两者近似呈线性关系。     

钢骨-钢管高强混凝土组合构件抗弯承载力的计算

通过钢骨-钢管高强混凝土组合构件抗弯试验,研究了这种组合构件在受弯时的特性,并对这种构件进行了数值分析,给出了钢骨-钢管高强混凝土构件抗弯承栽力的计算公式,其公式计算结果与试验结果、数值计算结果吻合较好。     

Mechanical behavior of stirrup-confined circular concrete-filled steel tubular stub columns under axial loading

通过井字形拉筋、米字形拉筋和圆环箍筋等3组拉筋约束形式带拉筋圆钢管混凝土短柱轴压性能对比试验,研究不同拉筋约束形式、拉筋体积配箍率对圆钢管混凝土轴压短柱的承载力和延性等的影响;采用合理的混凝土三轴受力本构模型和钢材本构模型,应用ABAQUS非线性有限元分析软件对带拉筋圆钢管混凝土轴压短柱进行三维有限元分析,有限元计算结果与试验结果吻合较好;在此基础上,分析了带拉筋圆钢管混凝土轴压短柱中钢管、拉筋或箍筋、核心混凝土之间的组合作用。结果表明：井字形拉筋圆钢管混凝土轴压短柱的承载力最高,延性最好,钢管、拉筋和核心混凝土之间的组合作用最强;提高体积配箍率可以有效提高圆钢管混凝土短柱的轴压承载力和延性。     

3D打印混凝土负压医疗舱一体化建造技术研究

3D打印混凝土可实现数字设计、一体化快速打印建造成型,具有整体性好、气水密闭、保温隔热、灵活定制、经济耐用以及安全可靠等技术优越性。基于负压医疗标准和技术参数,提出一种可拼接组装、快速就位、安全耐久的3D打印混凝土负压医疗舱空间胶囊结构。基于打印工艺和材料参数开展数值模拟,分析了负压医疗舱结构在承载能力极限状态、正常使用极限状态和建造安装阶段的结构性能,并通过模态分析研究了不同激励工况下的结构振动舒适度。结果表明：3D打印胶囊型混凝土负压医疗舱最大拉压应力小于其抗拉与抗压强度,具有良好的安全性;正常使用极限状态下结构变形满足使用限定条件,适用性良好;负压医疗舱吊装过程中结构具有很好的安全储备,施工安全可行。与传统装配式负压病房相比,3D打印混凝土负压医疗舱的一阶竖向自振频率提高了99.95%,更不易在日常使用工况下产生激励共振。在行走激励下,3D打印负压医疗舱均满足振动舒适度要求;在奔跑激励下,3D打印负压医疗舱的加速度响应处于振动有感阶段;而传统负压舱病房在行走激励下难以满足振动舒适度要求,在奔跑激励工况下的加速度响应超出人体对于振动响应的忍受范围。