[发明专利]一种3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法及复合梁

说明书

本发明公开了一种3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法及复合梁，包括：建模进行受力分析，进行梁构件空间体型优化，确定复合梁构件骨架或复合梁构件外模的形状和厚度；确定线材编织范围、编织用量和加密编织与普通编织的区域；确定编织流程，并与基体打印流程共同组合设计，形成复打印编织一体化流程；配制3D打印材料；根据打印编织一体化流程进行3D打印基体和编入线材，得到复合梁或复合梁外模。本发明提供的建造方法所制备的梁构件为复合梁，有效改善了3D打印构件的抗拉、抗剪、抗磨和抗裂性能，大大增强了构件的断裂韧性和抗冲击性能，提升梁构件的疲劳性能及其耐久性，提升空间跨越能力，施工便捷，快速适用。

技术领域

本发明涉及结构设计与建造施工技术领域，特别是涉及一种3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法及复合梁。

背景技术

梁构件作为建筑结构实现空间跨越的基本构件，承托着上部构架中的结构自重和使用荷载，是上部构架中最为重要的部分，其设计建造是结构分析的重要环节，对结构空间设计和使用安全起着至关重要的作用。

现有技术中将空间多变的3D打印优势与传统的钢筋材料进行结合，都是利用3D打印工艺的形塑能力打印外壳或者主要支架，然后采用传统的钢筋骨架制造模式，建筑普通混凝土施工。

公开号为CN204263543U的中国专利文献公开了一种纤维增强复合材料增强3D打印结构，该纤维增强复合材料增强3D打印结构为纤维增强复合材料增强3D打印梁，包括：3D打印梁；FRP梁外覆层，FRP梁外覆层位于所述3D打印梁的外表面，FRP梁外覆层包括：FRP梁底板、FRP梁侧板以及FRP梁箍中的一种或多种的组合。FRP梁外覆层通过手糊、喷射、板材粘贴或真空灌注方式形成在所述3D打印梁的外表面。

而且现有方法打印的外壳与内部混凝土之间的抗剪承载能力有限，当结构受力较大时不能满足结构的整体性要求。当建造建筑跨度较大或者梁式构件体积较大时，在施工阶段就会因为混凝土的浇入引起外壳产生较大的变形和开裂，不能满足建造和使用要求。因此，需要针对这些问题研发新的结构形式和建造方法。

3D打印基体抗拉强度较低，但是与柔韧高强、几何可变的材料组合就能形成强韧的空间网络，保障结构在多种使用工况下的承载能力，变形能力和耐久性能。其中，北京纳盛通(NST)新材料科技有限公司、北京热塑性复合材料工程技术研究所,碳纤维复合材料创新中心研发出的新型超轻量化、高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀的工业级别3D打印碳纤维增强纳米复合材料，各种规则高强钢绞线，钢-FRP复合线材，高强复合线材可为此结构的实现提供可行途径。但是，如何采用现有的3D打印技术和已有的水泥基胶凝材料，与高强高韧复合材料相结合制造新型建筑结构是其中需要解决的关键问题。

由于上述现有3D打印基体在抗拉强度和韧性方面的不足，导致打印结构难以突破空间跨度和承载力方面的局限，需要针对这些不足研发新的梁式构件，以解决现有3D建造技术对建筑设计的束缚。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印编织一体化成型复合梁的建造方法。本发明提供的建造方法所制备的梁构件有效改善了3D打印构件的抗拉、抗剪、抗磨和抗裂性能，大大增强了构件的断裂韧性和抗冲击性能，提升梁构件的疲劳性能及其耐久性，提升空间跨越能力，施工便捷，快速适用。

一种3D打印编织一体化成型的复合梁的建造方法，包括以下步骤：

(1)确定梁跨度、梁高和梁宽，根据梁的两端支承状态、承受施工荷载与使用荷载的设计值，建模进行受力分析；结合应力分布规律，设定判别域逐步剔除低应力材料，进行梁构件空间体型优化，确定复合梁构件骨架或复合梁构件外模的形状和厚度；

(2)根据体型优化后的复合梁构件骨架或复合梁构件外模的拉应力及安全系数分布规律，以及受力阈值确定线材编织范围；根据复合梁构件骨架或复合梁构件外模荷载组合后的应力值、应力/强度比值与安全系数大小确定线材的编织用量；并设定复合梁构件骨架或复合梁构件外模中加密编织与普通编织的区域；