CN114658097A - 一种组合结构及其建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程技术领域，公开了一种组合结构及其建造方法。组合结构包括至少一个分段结构，所述分段结构包括高分子打印壳、连接节、混凝土体和多条抗拉杆。高分子打印壳包括外轮廓壳，外轮廓壳沿周向闭合，且在轴向的两端开口，外轮廓壳包括至少两层沿其轴向逐层堆叠的打印层。连接节封堵在外轮廓壳的一端，且用于与相邻的分段结构相连；混凝土体浇筑在外轮廓壳内。各抗拉杆均沿所述外轮廓壳的轴向延伸，且均预埋在所述混凝土体上。外轮廓壳能满足各种异型结构的建造，从而制成形状各异的组合结构，混凝土体配合抗拉杆能够承担轴向载荷，混凝土体配合外轮廓壳能够承担剪切载荷，从而大大提高了分段结构的承载能力，可靠性高。

Description

一种组合结构及其建造方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种组合结构及其建造方法。

背景技术

随着对建筑工程自动化和定制化要求的提高，3D打印技术在土木工程中的应用越来越广泛，现有3D打印技术主要使用包括金属类、砂浆类和高分子类等材料。

在大尺寸异形承力件的制造中，金属类材料打印成本昂贵，在尺度较大的结构打印方面技术不成熟。砂浆类材料的脆性高，抗剪性差，尤其当应用于异形结构件时，承力能力低，极易产生安全事故。此外，砂浆类材料更难以满足轴向曲折形态的异形结构的制造。高分子材料技术成熟且成本适中，然而，其较低的弹性模量和强度，导致其主要的适用范围集中于非承力结构或次承力结构。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种组合结构，可以设计为各种形状，且均具有良好的抗剪能力和抗拉压能力。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种组合结构，包括至少一个分段结构，所述分段结构包括：

高分子打印壳，包括外轮廓壳，所述外轮廓壳沿周向闭合，且在轴向的两端开口，所述外轮廓壳包括至少两层沿其轴向逐层堆叠的打印层；

连接节，封堵在所述外轮廓壳的一端，且用于与相邻的所述分段结构相连；

混凝土体，浇筑在所述外轮廓壳内；

多条抗拉杆，各所述抗拉杆均沿所述外轮廓壳的轴向延伸，且均预埋在所述混凝土体上。

可选地，所述高分子打印壳还包括与各所述抗拉杆一一对应的定位组件，各所述定位组件沿所述外轮廓壳的周向间隔打印在所述外轮廓壳上，各所述抗拉杆设置在对应的所述定位组件上。

可选地，各所述定位组件包括多个定位件，各所述定位件沿所述外轮廓壳的轴向间隔打印在所述外轮廓壳上，所述抗拉杆设置在各所述定位件上。

可选地，在一个分段结构上，多个所述抗拉杆的若干个伸出所述外轮廓壳，任一个所述分段结构通过其上的抗拉杆与相邻的所述分段结构相连。

可选地，所述分段结构还包括与所述连接节一一对应的段间连接器，所述段间连接器设置在所述连接节上，且与相邻的所述分段结构上的抗拉杆机械连接。

可选地，所述分段结构还包括沿所述外轮廓壳的轴向延伸的抗剪杆，所述抗剪杆的部分预埋在所述混凝土体中，所述抗剪杆还与所述连接节相连。

可选地，所述高分子打印壳还包括轮廓加强件，所述轮廓加强件沿所述外轮廓壳的轴向延伸，且连接于所述外轮廓壳上的多个位置。

可选地，所述外轮廓壳包括至少两个沿其轴向相连的分段轮廓壳，所述分段轮廓壳包括至少两层所述打印层。

本发明的另一个目的在于提供一种组合结构的建造方法，不同形状的组合结构均具有良好的抗剪能力和抗拉压能力，施工效率高。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种组合结构的建造方法，用于建造上述任一项所述的组合结构，包括：

S100、将组合结构分段，形成至少两个分段结构；

S200、建造各所述分段结构；

S300、拼接各所述分段结构，形成所述组合结构。

可选地，步骤S200中建造各所述分段结构的步骤包括：

S201、打印外轮廓壳；

S202、在所述外轮廓壳中穿设抗拉杆；

S203、在所述外轮廓壳的一端封堵连接节，向所述外轮廓壳内浇筑混凝土体，形成所述分段结构。

有益效果：

本发明提供的组合结构及其建造方法，在混凝土浇筑时，外轮廓壳作为侧模，以便于形成与外轮廓壳形状相同的混凝土体。打印制成的外轮廓壳成型精度高，提高了组合结构的建造精度，外轮廓壳还能满足各种异型结构的建造，从而制成形状各异的组合结构，大大提高了组合结构的应用范围。

在混凝土体定型后，各打印层沿外轮廓壳的轴向分布在混凝土体的外围，高分子材料所制的每个打印层的层内力学性能优越，从而大大提高了混凝土体在周向的抗剪性能，进一步提高了分段结构的抗剪性能。抗拉杆沿外轮廓壳的轴向延伸，从而提高了混凝土体在轴向上的承载能力。综上，混凝土体配合抗拉杆能够承担轴向载荷，混凝土体配合外轮廓壳能够承担剪切载荷，从而大大提高了分段结构的承载能力，可靠性高。将多个分段结构通过其上的连接节拼接后，便能够快速形成结构可靠、承载力强、尺寸大的组合结构，施工效率高，精度高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的分段结构的截面示意图；

图2是本发明实施例提供的分段结构的侧向示意图；

图3是本发明实施例提供的组合结构的侧向示意图；

图4是图3中A处的放大示意图；

图5是图3中B处的放大示意图。

图中：

100、组合结构；101、分段结构；

1、高分子打印壳；11、外轮廓壳；111、第一分段轮廓壳；112、第二分段轮廓壳；113、连接界面；12、轮廓加强件；13、定位组件；131、定位件；

2、混凝土体；

3、抗拉杆；

4、连接节；

5、段间连接器；

6、抗剪杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、“左”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在建筑施工生产中，混凝土的浇筑需要用模板作为模具定型使用。常规的住宅楼及厂房等比较规则，无论是整个建筑的结构，还是结构中涉及到的各个构件，都以矩形为主，主要包括：矩形柱、矩形梁、矩形墙、矩形板等。这类建筑所需的模板无论采取哪种材料，因板材原料均为矩形，加工制作及施工等均比较容易操作。但当今社会，涌现出越来越多的不规则建筑，构件尺寸等均是非矩形(平面形状包括圆形、三角形、梯形等非矩形，包括螺旋状结构等)，于是作为混凝土成型的围护，也需随之制作加工成不规则形状。由此，不论从制作还是安装方面，均对现场施工造成了极大的困难。

本实施例提供了一种组合结构，该组合结构包括至少一个分段结构，分段结构采用高分子材料和混凝土材料组合构造，既能够满足各式各样的异形结构的建造，还能够满足异形结构的受力需求。具体地，如图1和图2所示，该分段结构101包括高分子打印壳1、连接节4、混凝土体2和抗拉杆3。

高分子打印壳1包括外轮廓壳11，外轮廓壳11沿周向闭合，且在轴向的两端开口，外轮廓壳11包括至少两层沿其轴向逐层堆叠的打印层。也就是说，外轮廓壳11由高分子材料沿其轴向逐层打印制成。应用打印技术对外轮廓壳11进行制造，能够形成形状各异的分段结构101，以适用于工程需求。在本实施例中，外轮廓壳11可以为形状不规则的异形结构，其由熔融沉积打印工艺制造，该工艺在大尺寸打印方面应用广泛。

高分子材料品种繁多，性能各异，可选择性广。相较于混凝土而言，其具有质量轻、韧性好、易于异形打印和精加工等优点。由高分子材料打印成型的外轮廓壳11，同样具有上述特点。而且，逐层打印的外轮廓壳11，每个打印层在层内均具有良好的力学性能，从而使得外轮廓壳11在周向获得较强的抗剪性能，从而提高了异形结构在周向上的承载能力。在本实施例中，高分子打印壳1的打印材料可以为聚碳酸酯、聚苯乙烯粉、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、尼龙、尼龙与玻璃纤维的混合物中的一种或多种。

连接节4封堵在外轮廓壳11的一端，以将外轮廓壳11的一端封闭，使外轮廓壳11形成浇筑容器，从而便于在外轮廓壳11内浇筑混凝土体2。抗拉杆3设有多条，各抗拉杆3均沿外轮廓壳11的轴向延伸，且均预埋在混凝土体2上。抗拉杆3沿外轮廓壳11的轴向延伸，从而将混凝土体2在轴向进行加固，提高了混凝土体2在轴向上的抗拉能力。在本实施例中，连接节4为钢构件。

在混凝土浇筑时，外轮廓壳11作为侧模，以便于形成与外轮廓壳11形状相同的混凝土体2。打印制成的外轮廓壳11成型精度高，提高了组合结构的建造精度，外轮廓壳11还能满足各种异型结构的建造，从而制成形状各异的组合结构，大大提高了组合结构的应用范围。

在混凝土体2定型后，各打印层沿外轮廓壳11的轴向分布在混凝土体2的外围，高分子材料所制的每个打印层的层内力学性能优越，从而大大提高了混凝土体2在周向的抗剪性能，进一步提高了分段结构101的抗剪性能。抗拉杆3沿外轮廓壳11的轴向延伸，从而提高了混凝土体2在轴向上的承载能力。综上，混凝土体2配合抗拉杆3能够承担轴向载荷，混凝土体2配合外轮廓壳11能够承担剪切载荷，分段结构101的承载能力强，可靠性高。

连接节4还用于与相邻的分段结构101相连，参见图3，在所需建造的组合结构100尺寸过大时，可将组合结构100分段建造，然后将多个分段结构101通过连接节4拼接后，便能够快速形成结构可靠、承载力强、尺寸大的组合结构100，施工效率高，精度高。可选地，在分段结构101上定型后的混凝土体2的端面设有键槽，键槽能够在横向提高组合结构100的抗剪性能。当分段结构101的外形精度要求高，或其外表面粗糙度存在要求时，可对外轮廓壳11的外表面进行铣削加工。

可选地，如图1所示，高分子打印壳1还包括轮廓加强件12，轮廓加强件12沿外轮廓壳11的轴向延伸，且连接于外轮廓壳11上的多个位置。轮廓加强件12能够为外轮廓壳11提供周向的支撑，使外轮廓壳11的结构的整体刚度和受力性能得以提高。具体地，轮廓加强件12与外轮廓壳11通过3D打印机一体打印成型，两者的连接性好，定位准确。在本实施例中，轮廓加强件12的结构可以为板材结构，也可以为骨架结构。

如图2所示，可选地，外轮廓壳11包括至少两个沿其轴向相连的分段轮廓壳，分段轮廓壳包括至少两层打印层。也就是说，当3D打印机不能一次性建造出大尺寸的外轮廓壳11时，可沿外轮廓壳11的轴向分段，用3D打印机逐个打印各个分段轮廓壳，然后将这些分段轮廓壳连接为整体，实现大尺寸的外轮廓壳11的打印制造。示例性地，分段轮廓壳包括第一分段轮廓壳111和第二分段轮廓壳112。在一个实施例中，第一分段轮廓壳111和第二分段轮廓壳112采用胶水粘接连接，两者之间的连接界面113应力分布均匀，密封性好，成本低。在另一个实施例中，第一分段轮廓壳111和第二分段轮廓壳112放置在固定架上，由固定架使两者相对拼接在一起。由外界的固定架使第一分段轮廓壳111和第二分段轮廓壳112相互拼接，装配过程中调节方便，便于提高相对定位精度。

优选地，如图1和图2所示，高分子打印壳1还包括与各抗拉杆3一一对应的定位组件13，各定位组件13沿外轮廓壳11的周向间隔打印在外轮廓壳11上，各抗拉杆3设置在对应的定位组件13上。具体地，各定位组件13与外轮廓壳11由3D打印机打印为一体式结构，与外轮廓壳11一体打印的定位组件13相对于外轮廓壳11的定位准确，便于使抗拉杆3准确地布置在外轮廓壳11内，从而保证混凝土体2在轴向的抗拉能力。

进一步地，如图3所示，各定位组件13包括多个定位件131，各定位件131沿外轮廓壳11的轴向间隔打印在外轮廓壳11上，抗拉杆3设置在各定位件131上。沿轴向布置的多个定位件131共同约束安装一条抗拉杆3，在浇筑混凝土体2时，泥浆状态的混凝土体2对抗拉杆3的扰动小，抗拉杆3在分段结构101上的定位始终能够保持准确，提高了分段结构101的承载能力和结构可靠性。在本实施例中，定位件131为开孔的定位耳板，抗拉杆3为钢筋，钢筋在浇筑混凝土前，穿设在定位件131的孔中。当外轮廓壳11为异形结构时，各个独立的钢筋无箍筋的约束，可提前弯折成与外轮廓壳11相适应的曲折结构，以顺利地布置在外轮廓壳11内，与钢筋笼相比，钢筋结构安装方便，结合定位件131，钢筋的安装精度更高。

如图3-图5所示，在一个分段结构101上，多个抗拉杆3的若干个伸出外轮廓壳11，任一个分段结构101通过其上的抗拉杆3与相邻的分段结构101相连。抗拉杆3由定位件131固定，分段结构101露出的抗拉杆3的定位精确，相邻的分段结构101通过抗拉杆3连接，抗拉杆3的定位使得相邻的分段结构101之间的定位准确，便于形成尺寸及结构标准的组合结构100，同时，抗拉杆3还能在分段结构101之间增强组合结构100的抗剪能力。

继续参见图3-图5，优选地，分段结构101还包括与连接节4一一对应的段间连接器5，段间连接器5设置在连接节4上，且与相邻的分段结构101上的抗拉杆3机械连接。也就是说，段间连接器5将一个分段结构101上的连接节4机械连接在另一个分段结构101的抗拉杆3上，相邻的两个分段结构101机械连接，操作简单，无湿作业过程，简化现场施工工序，环境友好。

在一个实施例中，一个分段结构101上的抗拉杆3穿设在另一个分段结构101的连接节4上，且与段间连接器5螺纹连接，同时，段间连接器5焊接在上述连接节4上。除螺纹连接和段间连接器5的限位外，焊接的连接强度高，耐久性强，便于力的直接传递。当相邻的分段结构101在轴向受拉时，穿设于连接节4一侧的抗拉杆3通过螺纹连接将拉力传递至段间连接器5，段间连接器5通过焊缝传递给连接节4，再传递给连接节4另一侧的抗拉杆3，实现拉力流的传递。

分段结构101还包括沿外轮廓壳11的轴向延伸的抗剪杆6，抗剪杆6的部分预埋在混凝土体2中，抗剪杆6还与连接节4相连。抗剪杆6与连接节4相连，在分段结构101之间，抗剪杆6能够加强组合结构100的抗剪能力。

在本实施例中，如图3所示，在分段结构101的一端，抗剪杆6沿径向设有多条，且焊接在连接节4的一侧，在分段结构101的另一端，抗剪杆6设有一条，其穿过与其相邻的分段结构101上的连接节4与焊接在连接节4上的段间连接器5螺纹连接。当相邻的分段结构101在周向受剪力时，位于连接节4一侧的抗剪杆6通过螺纹连接传递给段间连接器5，段间连接器5通过焊缝传递给连接节4，连接节4再传递给另一侧的抗剪杆6上，实现剪力流的传递。

在另一个实施例中，段间连接器5的一端螺纹连接于一个分段结构101上的抗拉杆3，另一端螺纹连接于相邻的分段结构101的抗拉杆3上，螺纹连接，操作方便，连接可靠。

可选的，分段结构101间的连接采用后浇连接段方式形成一体。后浇连接段的容差性能优越，在分段结构101间的定位精度低时，仍能够实现分段结构101之间的可靠连接。在本实施例中，后浇连接段所使用的材料为胶凝材料，如，超高性能混凝土，其强度高、耐久性高、工作性高，使分段结构101之间的连接可靠，提高了组合结构100的结构强度。

在本实施例中，各个分段结构101之间做密封处理，形成密封接缝，以避免在长期使用中分段结构101之间被侵蚀，而发生结构破坏。密封处理的方法和工艺为本技术领域中常用的手段，在此不做展开。

参见图1-图5，本实施例还提供了一种组合结构的建造方法，用于建造上述任一项的组合结构100，包括：

S100、将组合结构100分段，形成至少两个分段结构101；

S200、建造各分段结构101；

S300、拼接各分段结构101，形成组合结构100。

在本实施例中，如图1所示，大尺寸的、结构异形的组合结构100在沿其主承力(轴向)方向上被分为三个形状各异的分段结构101，对各个分段结构101进行单独建造后，将它们通过后浇连接段或通过段间连接器5连接，形成完整的组合结构100。

可选地，步骤S200中建造各分段结构101的步骤包括：

S201、打印外轮廓壳11；

在本实施例中，沿主承力方向逐层打印外轮廓壳11，外轮廓壳11的多个由高分子材料所制的打印层在周向代替箍筋使分段结构101具有良好的抗剪性能，从而将外轮廓壳11有效地融入分段结构101，参与受力，避免了外轮廓壳11受力性能的浪费。

S202、在外轮廓壳11中穿设抗拉杆3；

S203、在外轮廓壳11的一端封堵连接节4，向外轮廓壳11内浇筑混凝土体2，形成分段结构101。

在本实施例中，抗拉杆3沿分段结构101的主承力方向布置，从而将混凝土体2在主承力方向进行加固，使混凝土体2在主承力方向具有较佳的承载能力。

本实施例建造出的分段结构101，在主受力方向逐层分布的打印层，层内结构强度高，提高了分段结构101的抗剪性能；轴向载荷则由混凝土体2和抗拉杆3承载，外轮廓壳11的打印层的层间无主要轴向载荷，结构稳定，不易损坏。

可选地，步骤S201中打印外轮廓壳11的步骤包括：

S2011、对外轮廓壳11沿其轴向进行分段，形成至少两个分段轮廓壳；

S2012、打印各分段轮廓壳；

S2013、拼接各分段轮廓壳，形成外轮廓壳11。

在本实施例中，在外轮廓壳11不满足一次打印时，可将外轮廓壳11沿主受力方向分段为第一分段轮廓壳111和第二分段轮廓壳112，然后采用3D打印机对各个分段轮廓壳进行分段制造，从而拼接形成一个分段结构101的外轮廓壳11。

本实施例提供的组合结构的建造方法，结合3D打印技术和混凝土浇筑技术，所建造的不同形状的组合结构100均具有良好的抗剪能力和抗拉压能力，实现了大尺寸的异形结构的快速建造，结构质量轻，精度高，施工周期短。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种组合结构，其特征在于，包括至少一个分段结构(101)，所述分段结构(101)包括：

高分子打印壳(1)，包括外轮廓壳(11)，所述外轮廓壳(11)沿周向闭合，且在轴向的两端开口，所述外轮廓壳(11)包括至少两层沿其轴向逐层堆叠的打印层；

连接节(4)，封堵在所述外轮廓壳(11)的一端，且用于与相邻的所述分段结构(101)相连；

混凝土体(2)，浇筑在所述外轮廓壳(11)内；

多条抗拉杆(3)，各所述抗拉杆(3)均沿所述外轮廓壳(11)的轴向延伸，且均预埋在所述混凝土体(2)上。

2.根据权利要求1所述的组合结构，其特征在于，所述高分子打印壳(1)还包括与各所述抗拉杆(3)一一对应的定位组件(13)，各所述定位组件(13)沿所述外轮廓壳(11)的周向间隔打印在所述外轮廓壳(11)上，各所述抗拉杆(3)设置在对应的所述定位组件(13)上。

3.根据权利要求2所述的组合结构，其特征在于，各所述定位组件(13)包括多个定位件(131)，各所述定位件(131)沿所述外轮廓壳(11)的轴向间隔打印在所述外轮廓壳(11)上，所述抗拉杆(3)设置在各所述定位件(131)上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的组合结构，其特征在于，在一个分段结构(101)上，多个所述抗拉杆(3)的若干个伸出所述外轮廓壳(11)，任一个所述分段结构(101)通过其上的抗拉杆(3)与相邻的所述分段结构(101)相连。

5.根据权利要求4所述的组合结构，其特征在于，所述分段结构(101)还包括与所述连接节(4)一一对应的段间连接器(5)，所述段间连接器(5)设置在所述连接节(4)上，且与相邻的所述分段结构(101)上的抗拉杆(3)机械连接。

6.根据权利要求1-3任一项所述的组合结构，其特征在于，所述分段结构(101)还包括沿所述外轮廓壳(11)的轴向延伸的抗剪杆(6)，所述抗剪杆(6)的部分预埋在所述混凝土体(2)中，所述抗剪杆(6)还与所述连接节(4)相连。

7.根据权利要求1-3任一项所述的组合结构，其特征在于，所述高分子打印壳(1)还包括轮廓加强件(12)，所述轮廓加强件(12)沿所述外轮廓壳(11)的轴向延伸，且连接于所述外轮廓壳(11)上的多个位置。

8.根据权利要求1-3任一项所述的组合结构，其特征在于，所述外轮廓壳(11)包括至少两个沿其轴向相连的分段轮廓壳，所述分段轮廓壳包括至少两层所述打印层。

9.一种组合结构的建造方法，其特征在于，用于建造如权利要求1-8任一项所述的组合结构，包括：

S100、将组合结构(100)分段，形成至少两个分段结构(101)；

S200、建造各所述分段结构(101)；

S300、拼接各所述分段结构(101)，形成所述组合结构(100)。

10.根据权利要求9所述的组合结构的建造方法，其特征在于，步骤S200中建造各所述分段结构(101)的步骤包括：

S201、打印外轮廓壳(11)；

S202、在所述外轮廓壳(11)中穿设抗拉杆(3)；

S203、在所述外轮廓壳(11)的一端封堵连接节(4)，向所述外轮廓壳(11)内浇筑混凝土体(2)，形成所述分段结构(101)。

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