3D打印路径对混凝土拱桥结构力学性能的影响
Effect of 3D printing path on mechanical properties of arch concrete bridge
通讯作者:
收稿日期: 2019-09-23
Received: 2019-09-23
作者简介 About authors
孙晓燕(1976—),女,副教授,从事混凝土桥梁结构及智能建造技术研究.orcid.org/0000-0003-0708-9565.E-mail:
为了分析打印路径对3D打印混凝土拱桥力学性能的影响机制,采用CT技术对3D打印混凝土进行微观扫描分析,探讨打印路径对成型后结构孔隙空间分布的影响规律,得到层间、条间缺陷层的近似孔隙率.基于数值模拟分析,对比纵向打印、组合打印、横向打印以及浇筑对混凝土拱桥结构承载性能的影响规律. 结果表明:打印路径直接影响层间缺陷和条间缺陷的数量和分布,打印拱结构的承载能力与打印体的孔隙率线性相关. 条间缺陷对承载能力的影响明显大于层间. 纵向打印路径数值模拟与模型试验结果吻合良好,峰值荷载相对误差为8.0%,跨中位移相对误差为11.9%,破坏形态与失效位置一致. 对于拱桥结构,纵向打印的缺陷类型以层间为主,且缺陷层总面积最小,承载力性能最好.
关键词:
The CT scanning technology was adopted to analyze the microstructure of a 3D printed concrete in order to figure out the influence of printing path on the mechanical properties of the 3D printed concrete arch bridge. The effect of printing path on the pore distribution of printed arch structure was investigated, and the approximate porosities of interlayer and inter-strip were obtained on the basis of canned images. Based on the fine finite element numerical simulation analysis, the effects of lengthwise printing, combination printing and horizontal printing on the bearing capacity were obtained and compared with that of cast-in-place concrete arch. The results show that the printing path has a direct effect on the distribution and the number of defects in the interlayers and strip layers. The amount of inter-strip defects is obviously lager than that in interlayers. The bearing capacity of printed arch is linearly related with the porosity of printed concrete. The lengthwise printing concrete arches were tested, the numerical simulation had a good agreement with the experimental result. The relative error of peak load was 8.0%, the relative error of mid span displacement was 11.9%, and the failure mode and failure position were consistent with the test results. For the lengthwise printed arch, the dominant defect originates from the interlayer, resulting the smallest defect area and largest bearing capacity.
Keywords:
本文引用格式
孙晓燕, 唐归, 王海龙, 汪群, 张治成.
SUN Xiao-yan, TANG Gui, WANG Hai-long, WANG Qun, ZHANG Zhi-cheng.
打印基体的层间和顶面抗压强度较高,打印工艺和基体配合比略低于甚至超过整体成型的试件强度,但试件条间的抗压强度较低,一般比原有材料低15%~30%. Paul 等[10-11]的研究显示3D打印试件的强度取决于加载方向与打印方向,方向合理时一些打印试件的强度可比模具成型试件高10%~14%. Le等[12]研究了不同打印方向上混凝土的抗压强度,结果显示层间方向的抗压强度较弱,比模具成型试件低15%,条间方向低5%左右. Lim等[13]研究了不同打印方向3D打印砂浆的抗压强度,打印试样的抗压强度按打印路径不同,分别为模具成型的80%~100%. 同样,其他3D打印材料[14-17]也随打印路径不同呈现出强度的各向异性,具体与材料配合比和打印工艺有关. 对于3D打印混凝土构件,打印路径不仅决定着混凝土材料各向受力性能,同样影响着成型后构件的受力性能,但打印路径对成型构件力学性能的影响机制和规律目前尚未明确,制约着3D打印混凝土结构的设计和应用. 本研究基于CT扫描分析3D打印混凝土的孔隙空间分布,以掌握打印混凝土层−条间缺陷分布规律,并考虑层−条间缺陷对混凝土受力性能的影响,建立混凝土拱结构数值模型,开展不同打印路径下的打印结构受力性能计算分析,对比荷载挠度曲线、破坏形态、峰值荷载及位移,以期为打印结构的力学性能评价和设计提供技术参考与借鉴.
1. 3D打印混凝土层条间缺陷分析
图 1
图 1 打印路径及打印成型混凝土层−条界面示意图
Fig.1 Diagrams of printing path and layers'−strips' interfaces of printed concrete
图 2
图 2 打印混凝土扫描与三维模型重构
Fig.2 Scanning and three-dimensional model reconstruction of printed concrete
不同状况下的打印混凝土空间分布如图3所示. 图中,V为区域体积. 在非层间区域混凝土中的孔隙率为2.57%,小于浇筑成型混凝土的孔隙率(2.97%),可见挤压成型打印工艺提高了混凝土基体的密实度. 图3(a)给出了打印混凝土试样的整体孔隙率,可见虽然3D打印的层叠成型工艺会造成定向分布的层条缺陷,但是由于打印过程中对基体的挤压密实作用,使得打印体的整体孔隙率(3.08%)与整体浇筑成型的混凝土(2.97%)接近. 试件打印时,条与条之间的黏结只能依靠喷头压力作用下混凝土的侧向变形,因此黏结不密实,容易产生条状缝隙,孔隙率较大(3.71%),如图3(b)所示. 对比图3(c)与3(d)可以明显看出打印试件的条间孔隙率大于层间,原因是在打印喷嘴挤压和重力的双重作用下,层与层之间的黏结比条与条之间的密实. 因此理论和数值建模分析时需要着重考虑条间缺陷的影响.
图 3
2. 打印路径对结构力学性能的影响
2.1. 模型建立
图 4
图 5
为了衡量层间和条间缺陷对结构力学性能的影响,数值建模时单独建立实体层来模拟层、条结构. 根据CT扫描结果可确定层间和条间的缺陷层厚度分别为1.50 mm和2.24 mm,如图6所示. 由于层、条交汇区域的体积很小,条间区域的孔隙率大于层间区域,建模时该交汇区域简化为条间区域. 数值计算时,非层间非条间区域混凝土的孔隙率取实际扫描值为2.57%;受打印工艺和重力的影响,每个层−条间的缺陷略有不同,考虑这些影响,计算时取层间缺陷层的孔隙率为5.00%,条间缺陷层的孔隙率为8.00%. 由3种区域的体积V和孔隙率Po,可计算得到模拟试件的孔隙体积VP,如表1所示. 打印混凝土整体孔隙率估算为3.08%,与实体扫描整体孔隙率一致,可见层间缺陷层和条间缺陷层的层厚和孔隙率取值是合理的.
表 1 打印混凝土数值分析的层条缺陷取值
Tab.1
区域 | V/mm3 | Po /% | VP /mm3 |
层间缺陷 | 30 324 | 5 | 1 516 |
条间缺陷 | 8 960 | 8 | 717 |
非缺陷区 | 200 716 | 2.57 | 5 158 |
整体 | 240 000 | 3.08 | 7 391 |
图 6
图 6 层间缺陷和条间缺陷模拟分布
Fig.6 Simulating distribution of defeats between layers and strips
目前尚未见到打印成型混凝土各区域组成材料本构关系的报道,本研究通过测试得到基体材料拉、压应力σ应变ε曲线. 基体材料的抗压强度为50.97 MPa、抗拉强度为5.27 MPa、弹性模量为2.70×104 N/mm2;依据混凝土材料力学性能与孔隙率的相关研究成果[21-22]:在同一强度等级下,混凝土基本力学参数随着孔隙率的增大而减小;在原有孔隙率的基础上,当孔隙率增加2%时,混凝土的抗压强度为原强度的92%,抗拉强度和弹性模量为原来的94%;当孔隙率增加5%时,混凝土的抗压强度约为原强度的80%,抗拉强度和弹性模量约为原来的85%. 基于CT扫描结果,层间缺陷层厚度取为1.50 mm,条间缺陷层厚度取为2.24 mm,层间孔隙率为5.00%,条间孔隙率为8.00%. 依据上述材料与孔隙率的相互关系,基于基体材料将打印混凝土各组分性能按其所占的孔隙率进行折减,得到各组成材料的本构关系,如图7所示.
图 7
图 7 数值模拟所用的材料本构关系
Fig.7 Constitutive relations of materials used in numerical simulation
表 2 数值模拟模型中单元节点数和单元数
Tab.2
工况 | Nn | Ne |
浇筑模型 | 91 564 | 19 822 |
纵向打印 | 65 242 | 23 141 |
组合打印 | 81 814 | 28 627 |
横向打印 | 118 846 | 36 442 |
图 8
图 8 不同打印路径成型拱桥单元划分图
Fig.8 Elements distribution of arch bridge formed with different printing paths
2.2. 试验验证
针对纵向打印路径,采用建研华测HC-3DPRT/D混凝土3D打印系统,选用直径为3 cm的圆形挤出口,以5 cm/s的打印速度打印制作拱形结构,开展模型试验研究以验证数值模拟的有效性和精度,制作完成的拱形结构如图9所示.
图 9
根据实测层厚、肋高建立3D打印拱桥数值模型,层条间厚度取值与材料本构模型选取见2.1节,实体模型试验与数值模拟所得荷载P−跨中位移δ曲线如图10所示. 试验与模拟值的峰值荷载相对误差为8.0%,跨中位移相对误差为11.9%,模拟值与试验值吻合较好.
图 10
图 10 模型试验与数值模拟的拱桥荷载−跨中位移曲线
Fig.10 Load-midspan deflection curve of arch bridge with experimental models and numerical simulation
如图11所示,由于打印拱体肋高存在差异并不能保障左右完全对称,模拟计算中打印拱体的最大拉应力首先出现在距离右侧台座1/10跨处,最终该处因拉应力过大导致拱体破坏. 在模型试验中,3D打印拱桥模型裂缝首先出现在跨中底部,随后在分配梁与主拱圈接触处,距离两侧台座1/10跨处上侧相继出现裂缝,最终在距左侧台座1/10跨处上侧形成贯通的受拉裂缝,随即在该处出现破坏,数值模拟与实体试验的拱桥破坏形态吻合良好.
图 11
图 11 数值模拟与模型试验的拱桥破坏形态对比
Fig.11 Failure mode comparison of arch bridge with numerical simulation and experimental models
2.3. 打印路径数值模拟分析
3种打印路径成型与模具成型拱桥数值模拟得到的荷载P−跨中位移δ曲线如图12所示. 由图可知,由于条−层间缺陷的存在,3种打印路径成型拱桥的承载能力均低于浇筑模型. 纵向打印成型拱桥可承受荷载能力最强,横向打印成型拱桥最弱,组合打印成型拱桥居中. 不同打印路径直接影响层−条间缺陷的分布[7],进而影响3D打印拱桥的力学性能. 横向打印成型的拱桥,缺陷数量多且条间缺陷都分布在竖直方向,与施加的荷载方向平行,因此对拱桥的承载能力影响最大. 纵向打印成型的拱桥,条间缺陷虽然也处于竖直方向,但是拱体的每个打印层都是1个完整的拱圈,条间缺陷影响的只是拱体在桥宽方向的相互黏结强度,并没有在跨度方向将供体分割,因此对拱桥的承载能力影响最小.
图 12
图 12 不同成型方式下拱体的荷载−跨中位移曲线
Fig.12 Load-midspan displacement curves of arch structures
图 13
图 14
3. 结 论
(1)由于打印工艺的挤压和重力叠加效应,在非层−条间区域混凝土中的孔隙率小于浇筑混凝土. 由于条与条之间的黏结主要依赖于喷头压力作用下混凝土的侧向变形,条间缺陷的数量明显大于层间,理论和数值建模分析时需要着重考虑条间缺陷的影响.
(2)模型试验与数值模拟的P−δ曲线吻合良好,且破坏形态与实测失效一致,说明本研究所采用的数值模拟方法可以准确获取打印结构的力学性能和破坏形态.
(3)打印路径直接影响层间缺陷和条间缺陷的数量和分布,是导致打印拱桥力学性能差异的主要来源. 缺陷类型和数量决定了打印成型结构的承载能力,纵向打印时结构缺陷以层间缺陷为主,缺陷总体积最小,承载性能最好;横向打印时结构缺陷以条间缺陷为主,缺陷总体积最大,承载性能最差.
(4)层−条孔隙率,特别是条间缺陷是显著影响打印结构承载力的关键参数. 总体上,结构承载力与打印体的孔隙率线性相关. 打印结构的变形能力与密实度、层条缺陷、加载方向均有较强的相关性,影响机制亟待开展更为深入的模型试验和理论分析.
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