一种叠合3D打印及后浇混凝土的拱桥主拱圈及其建造方法 |
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| 申请号 | CN202211255625.3 | 申请日 | 2022-10-13 | 公开(公告)号 | CN115627682A | 公开(公告)日 | 2023-01-20 |
| 申请人 | 华南理工大学; 广东交通实业投资有限公司; | 发明人 | 张海燕; 陈飞豪; 成尚锋; | ||||
| 摘要 | 一种叠合3D打印及后浇 混凝土 的拱桥主拱圈及其建造方法。所述拱圈包括3D打印混凝土预制层、纵向 钢 筋网片、横向 钢筋 以及混凝土后浇层。建造方法为：a.沿竖直方向将拱圈分为预制层和后浇层，沿横桥向将拱圈预制层分为若干片拱肋；b.以拱肋纵断面为打印平面，采用3D打印混凝土技术逐层打印所述拱肋，每隔一定打印层数 水 平放置一片纵向 钢筋网 ；c.逐片吊装拱肋；d.将横向钢筋与纵向钢筋网片绑扎在一起；e.在预制层上浇筑混凝土至拱圈设计厚度。该叠合拱圈建造方法无需支模和搭建 支架 ，减少了材料和人 力 成本以及高空作业 风 险；预制层可在工厂或桥侧附近打印完成，施工速度快，对周边环境及桥下通航、通行影响小，受天气影响也小。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种叠合3D打印及后浇混凝土的拱桥主拱圈，其特征在于，所述拱桥主拱圈沿竖直方向从下至上，包括混凝土预制层(1)和混凝土后浇层(2)；所述混凝土预制层(1)沿横桥向由一个以上的3D打印混凝土纵向拱肋组成，所述混凝土预制层(1)内埋设有纵向钢筋网片(3)和横向钢筋(4)。 |
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| 说明书全文 | 一种叠合3D打印及后浇混凝土的拱桥主拱圈及其建造方法技术领域背景技术[0002] 3D打印技术被视为引领新一轮科技革命和产业变革的核心技术之一，正在推动制造业生产方式由大规模生产向个性化定制转变。3D打印混凝土技术作为3D打印技术的重要组成部分，可以实现数字化、自动化和个性化建造，突出特点在于避免繁琐的模板搭建过程，且层层堆叠的成型方式在建造复杂几何形状的混凝土结构时具有显著优势。然而，现阶段3D打印混凝土技术依然存在诸多的不足，钢筋难以植入到打印结构中，这一问题严重限制了该技术在实际工程中的应用，成为了实现3D打印混凝土技术从材料层面向构件层面应用跨越的瓶颈问题。 [0003] 拱桥是一种应用广泛的桥梁形式，在竖向荷载作用下，主拱截面主要承受轴向压力，可以充分利用抗压性能良好的材料来建造。目前在修建钢筋混凝土拱桥时，常采用搭建支架的方法施工，即在拱圈下方搭建木支架或钢支架。该施工方法主要有以下缺点：(1)搭建支架前提条件苛刻，要求地形地势相对平整，拱圈离地面不高且桥下无流水；如果桥下有河流，可能需要进行截流处理，为搭建支架提供稳定的施工环境。(2)由于拱圈特有的拱形形式，使得支架搭设以及支模难度较大，不仅需消耗大量的材料，且要耗费大量的劳动力和时间，导致成本较高。(3)搭设拱圈支架、支模、绑扎钢筋及浇筑混凝土属于高空作业，施工风险较大，万一支架垮塌将带来严重的人员伤亡和经济损失，以及社会负面影响。(4)搭建支架‑支模‑绑扎钢筋‑浇筑混凝土的建造工序繁杂，在桥址现场的施工周期较长，对桥址周边的环境以及桥下通行、通航影响较大，施工过程受恶劣天气等影响较大。 [0004] 将3D打印混凝土技术应用于钢筋混凝土拱桥的建造，可以充分发挥3D打印混凝土技术数字化建造的优势，提高施工效率，但打印机尺寸有限，难以满足现场整体打印要求。如果采取分块打印再拼装的思路，需要有可靠措施保证拼装后拱圈的整体性。此外，如何在打印的混凝土植入钢筋也是3D打印混凝土技术应用于拱圈建造必须解决的关键性问题。 [0005] 针对上述问题，本发明提出了叠合3D打印及后浇混凝土的拱桥主拱圈的设计理念及其建造方法。采用“3D打印混凝土+平铺钢筋网片”的方法预制拱肋，然后通过榫卯和坐浆方式拼装，再布设横向钢筋和后浇上层混凝土，不仅免除了拱圈的支模和搭建支架工作，还通过先铺钢筋网片，后绑扎横向钢筋的方式形成了立体钢筋笼，解决了钢筋嵌入3D打印混凝土的难题，同时还通过榫卯和坐浆连接、叠合后浇混凝土等方式保证了拱圈的整体性，从而实现拱圈良好受力性能，并简化施工工序，缩减工期，降低施工风险和施工成本。 发明内容[0006] 本发明的目的在于提出一种叠合3D打印及后浇混凝土的拱桥主拱圈及其建造方法，旨在克服钢筋混凝土主拱圈支模和搭建支架困难、施工风险大、工期长、造价高等问题，同时拓宽3D打印混凝土技术的应用场景，解决3D打印混凝土中埋设钢筋困难的技术瓶颈，为拱桥建造走向智能化、数字化和绿色化提供解决方案。本发明提供的叠合拱圈建造方法无需支模和搭建支架，减少了材料和人力成本以及高空作业风险；预制层可在工厂或桥侧附近打印完成，施工速度快，施工过程对周边环境及桥下通航、通行影响小，受天气影响也小。 [0007] 为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案： [0008] 一种叠合3D打印及后浇混凝土的拱桥主拱圈，所述拱桥主拱圈沿竖直方向从下至上，包括混凝土预制层和混凝土后浇层；所述混凝土预制层沿横桥向由一个以上的3D打印混凝土纵向拱肋组成，所述混凝土预制层内埋设有纵向钢筋网片和横向钢筋,纵向钢筋网片和横向钢筋在叠合拱圈内部形成的立体钢筋笼起到提高拱圈承载力及增强拱圈整体性的作用。 [0009] 优选的，所述叠合拱圈混凝土分为上下两层，所述叠合拱圈上层混凝土为后浇的常规混凝土，所述叠合拱圈下层混凝土为3D打印混凝土。 [0010] 优选的，所述叠合拱圈预制层是由若干片3D打印混凝土纵向拱肋在横桥向通过榫卯和坐浆方式连接而成。 [0011] 优选的，所述3D打印混凝土纵向拱肋包括两片端拱肋和若干相同的中拱肋，端拱肋的一侧有高出拱圈预制层的混凝土纵向突出条带，另一侧为带凹凸的榫卯接槽；中拱肋的两侧分别带有凹凸接槽；纵向条带突出预制层的高度为后浇混凝土的厚度。 [0012] 优选的，所述纵向钢筋网片包括上部纵向钢筋、下部纵向钢筋以及若干斜向、竖直的腹杆钢筋，腹杆钢筋与上部、下部纵向钢筋焊接；上部和下部纵向钢筋的弧度与主拱圈弧度相同，长度为主拱圈相应位置弧长减去两倍混凝土保护层厚度。 [0013] 优选的，所述纵向钢筋网片的下部纵向钢筋及腹杆的下部埋于3D打印混凝土预制层内，上部纵向钢筋及腹杆的上部埋于后浇混凝土层内。 [0014] 优选的，所述横向钢筋分为上部横向钢筋和下部横向钢筋，上部横向钢筋与纵向钢筋网片的上部纵向钢筋绑扎在一起，下部横向钢筋放置在预制层上表面，与纵向钢筋网片的腹杆绑扎在一起。 [0015] 优选的，所述后浇混凝土层采用常规混凝土浇筑，以3D打印混凝土预制层为底模，以打印于端拱肋上的混凝土纵向突出条带为侧模。 [0016] 本发明还提供了一种叠合3D打印及后浇混凝土的拱桥主拱圈的建造方法，包括以下步骤： [0017] a.沿竖直方向将混凝土拱圈分为预制层和后浇层，沿横桥向将拱圈预制层划分成两片端拱肋和若干片中拱肋； [0018] b.采用3D打印混凝土技术预制所述端拱肋和中拱肋，在打印过程中每隔一定打印层数放置一片纵向钢筋网片； [0019] c.将拱肋逐片吊装就位，通过凹凸接槽和坐浆方式拼接形成完整的预制层； [0020] d.将横向钢筋绑扎于纵向钢筋网片上； [0021] e.在预制层上浇筑混凝土至叠合拱圈达到设计厚度。 [0022] 优选的，步骤b中单片拱肋的预制包括以下步骤： [0023] ⑴运用三维设计软件对所述拱肋进行建模，进一步对三维模型分层切片得到各层截面的二维轮廓形状，并将切片结果导入3D打印机操作系统内。在建模和切片过程中，根据拱圈预制层的厚度和单片拱肋的宽度确定合理的打印条带厚度和宽度，结合拱圈的几何形状规划最优打印路径； [0024] ⑵以拱肋的纵断面为混凝土打印平面，横桥向为混凝土逐层堆叠累积的方向，结合混凝土材料的可打印性能在打印机操作系统内输入匹配的打印参数； [0025] ⑶打印倒置的混凝土拱肋，待拱肋打印至设定高度(层数)后，暂停打印，将一片纵向钢筋网片以平行于打印平面的方向放置于混凝土上，轻压钢筋网片使其嵌入混凝土中的深度等于钢筋的半径； [0026] ⑷重复步骤⑶，直至混凝土内放置的钢筋网片数量达到设计要求； [0027] ⑸继续打印直至拱肋达到设计高度(即单片拱肋横桥向宽度)，至此完成一片拱肋的打印工作。 [0028] 优选的，步骤⑶中，在放置所述纵向钢筋网片时，钢筋网片的下部纵向钢筋和腹杆下部置于混凝土内，而上部纵向钢筋和腹杆上部露出混凝土外，下部纵向钢筋与混凝土下边缘的距离为钢筋的混凝土保护层厚度。 [0029] 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果： [0030] 提出了一种融合现浇及3D打印混凝土技术的叠合拱圈建造方法，该方法的核心理念在于反向拆分和正向建造。反向拆分过程中，将一个整体拱圈分为预制层和后浇层，进一步将预制层分为多片拱肋，正向建造过程中，分离的部件各就各位形成一个拱圈整体，建立了一种整体‑拆分‑拼装‑整体的叠合拱圈建造模式，为拱圈的建造提供了一种新思路。 [0031] 拱形混凝土结构的模板制作、安装固定以及支架搭设非常麻烦，材料、人工耗费较多，且需高空作业，施工风险较大。采用3D打印混凝土技术打印主拱圈的预制层，免除了支模和支架搭设等工序，降低了施工成本和安全风险，节省了工期。 [0032] 通过现浇与3D打印混凝土技术相结合的方式，建造得到的主拱圈在承载力、抗震性能等方面的优势突出。3D打印混凝土一般采用条带挤出工艺，表面会有打印槽，这恰恰增强了打印混凝土与后浇混凝土之间的粘结性能，使二者形成承载力高、抗震性能良好的整体。 [0033] 在打印拱肋过程中，以平面钢筋网片的形式埋设纵向钢筋，待所有拱肋吊装就位后，将横向钢筋与纵向钢筋绑扎在一起，形成了一个稳固的立体钢筋笼，解决了钢筋放置的难题。与目前常用的首先预留孔洞，然后穿筋，再注浆的方式相比，施工难度大幅降低。 [0034] 纵向钢筋网片的焊接以及拱圈预制层混凝土的打印等工作都可在工厂内通过机器完成，自动化生产程度高，质量控制容易；大量工作转移至工厂内完成，减少了现场湿作业量，不仅能降低造价、保障工程质量、提升施工效率、减小恶劣天气等外界因素的影响，还能减少对环境以及周边交通的影响。附图说明 [0035] 图1为叠合拱圈拆分示意图； [0036] 图2为预制层拆分为多片拱肋示意图； [0037] 图3为端拱肋和中拱肋及其截面混凝土轮廓示意图； [0038] 图4为多片预制拱肋拼装形成的预制层及其截面混凝土轮廓的示意图； [0039] 图5为横向钢筋布置示意图； [0040] 图6为浇筑完后浇层混凝土的叠合拱圈示意图； [0041] 图7为单片拱肋打印过程中混凝土达到设定高度H1的示意图； [0042] 图8为在H1高度混凝土表面布置第一片钢筋网片的示意图； [0043] 图9为单片拱肋打印过程中混凝土达到设计总高度H的示意图； [0044] 图10为纵向钢筋网片示意图。 [0045] 其中，1‑混凝土预制层，2‑混凝土后浇层，3‑纵向钢筋网片，4‑横向钢筋，5‑左端拱肋，6‑中拱肋，7‑右端拱肋，8‑叠合拱圈混凝土，X方向为顺桥向，Y方向为横桥向，Z方向为竖直方向，H1和H分别为第一片钢筋网片离打印平面的高度以及拱肋的总打印高度。 具体实施方式[0046] 为了更加清晰地展示本发明的技术路线、技术特征和技术优势，下面将结合具体的实例附图，对本发明进行直观展示。应当理解，以下提供的具有代表性的实例，仅用于进一步解释本发明，而不是用于限制本发明。基于本发明拓展延伸且无原创性成果的其它实例均在本发明的保护范围之内。 [0047] 实施例1 [0048] 如图1所示，本发明提供了一种叠合3D打印及后浇混凝土的拱桥主拱圈，包括混凝土预制层1、混凝土后浇层2、纵向钢筋网片3和横向钢筋4。 [0049] 建造叠合拱圈所采取的技术路线如下：将一个拱圈分为预制层和后浇层，将预制层划分为两片端拱肋和若干相同的中拱肋，采用3D打印混凝土技术预制拱肋，将拱肋逐片吊装拼接形成预制层，接着在预制层上绑扎横向钢筋和浇筑混凝土，形成了一种整体‑拆分‑拼装‑整体的叠合拱圈建造思路。 [0050] 实施例2 [0051] 实施例1中的拱桥主拱圈施工建造的具体步骤如下： [0052] a.沿竖直方向将混凝土拱圈分为预制层和后浇层，沿横桥向将拱圈预制层划分成两片端拱肋和若干片中拱肋，如图2所示；端拱肋的一侧有高出拱圈预制层的混凝土纵向突出条带，另一侧为带凹凸的榫卯接槽，中拱肋的两侧分别带有凹凸接槽，如图3所示； [0053] b.采用3D打印混凝土技术预制所述端拱肋和中拱肋，在打印过程中每隔一定打印层数放置一片纵向钢筋网片； [0054] c.将拱肋逐片吊装就位，通过凹凸接槽和坐浆方式拼接形成完整的预制层，如图4所示； [0055] d.将横向钢筋绑扎于纵向钢筋网片上，增强独立拱肋之间的联系，使得叠合拱圈的整体性更好，如图5所示； [0056] e.在预制层上浇筑混凝土至叠合拱圈达到设计厚度，如图6所示。 [0057] 实施例3 [0058] 实施例2中的步骤b，单片拱肋的预制包括以下步骤： [0059] ⑴运用三维设计软件对拱肋进行建模，进一步对三维模型分层切片，并将切片结果导入3D打印机操作系统内； [0060] ⑵以XZ平面，即主拱圈纵断面为混凝土打印平面，以横桥向为混凝土逐层堆叠累积的方向，结合混凝土材料的可打印性能在打印机操作系统内输入匹配的打印参数，在打印过程中，材料的可打印性能会随时间发生变化，可根据打印条带的状态对打印参数进行实时调整； [0061] ⑶开始打印后，打印机喷嘴按照设定路径行走并挤出混凝土条带，如图7所示，待拱肋沿Y方向打印至第一片钢筋网片设定高度H1后，暂停打印，将第一片钢筋网片(如图10所示)以平行于打印平面的方向放置于混凝土上，轻压钢筋网片使其嵌入混凝土中的深度等于钢筋的半径，如图8所示。需要注意的是，为防止刚打印的混凝土材料无法承受钢筋网片施加的压力导致钢筋网片在自重作用下产生一定程度的下沉，需在钢筋网片下方放置指定厚度的混凝土垫块； [0062] ⑷继续打印，待拱肋沿Y方向打印至第二片钢筋网片设定高度H2后，暂停打印，将第二片钢筋网片以同样的方式放置于混凝土上； [0063] ⑸继续打印，待拱肋沿Y方向打印至第三片钢筋网片设定高度H3后，暂停打印，将第三片钢筋网片以同样的方式放置于混凝土上； [0064] ⑹继续打印，待拱肋沿Y方向打印至第四片钢筋网片设定高度H4后，暂停打印，将第四片钢筋网片以同样的方式放置于混凝土上； [0065] ⑺继续打印直至拱肋达到设计高度，至此完成一片拱肋的打印工作，如图9所示。 [0066] 在步骤⑶～⑹中，在放置纵向钢筋网片时，钢筋网片的下部纵向钢筋和腹杆下部置于混凝土内，而上部纵向钢筋和腹杆上部露出混凝土外，下部纵向钢筋与混凝土下缘的距离为钢筋的混凝土保护层厚度 [0067] 上述内容，从具体实例出发，呈现了本发明的目的、技术方案及实施方法，但是本发明的保护范围不局限于此，基于本发明核心理念拓展延伸而没有根本性改变的内容均纳入本发明的保护范围之内。 |
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