【摘 要】
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混凝土3D打印技术是一种新型的无模增材建造技术,以其独特的灵活化,自动化,智能化建造优势在土木建筑领域引起广泛关注。拓扑优化技术是一种在给定设计空间、约束条件和目标函数的情况下,通过算法对整体材料进行寻优分布的设计技术。拓扑优化技术具有极高的设计自由度,可使结构在满足约束条件的同时实现材料的最佳分布,从而表现出结构的最佳性能。然而拓扑优化结果往往带有精细化部位,这些特殊部位特征大大增加了优化结构的
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混凝土3D打印技术是一种新型的无模增材建造技术,以其独特的灵活化,自动化,智能化建造优势在土木建筑领域引起广泛关注。拓扑优化技术是一种在给定设计空间、约束条件和目标函数的情况下,通过算法对整体材料进行寻优分布的设计技术。拓扑优化技术具有极高的设计自由度,可使结构在满足约束条件的同时实现材料的最佳分布,从而表现出结构的最佳性能。然而拓扑优化结果往往带有精细化部位,这些特殊部位特征大大增加了优化结构的制造难度,阻碍了拓扑优化技术在实际工程上的应用与发展。拓扑优化技术是一种优良的结构设计方法,混凝土3D打印技术是一种无模化高自动化的施工方法,二者结合可实现复杂优化结构的快速制备,推动拓扑优化技术在建筑工程上的应用与发展。本文对于混凝土3D打印技术和拓扑优化技术目前的发展状况进行了分析总结,并且对其在建筑工程上的应用进行了归纳。针对拓扑优化结构精细化制造问题,本文提出了一种混凝土3D打印增减材制造方法,研究了混凝土3D打印增减材制造方法专用材料,进行了混凝土3D打印增减材制造方法关键技术研究,实现了拓扑优化结构的精细化制造,并对混凝土3D打印拓扑优化拱桥模型的承载性能进行了测试分析。研究结果表明:（1）混凝土3D打印增减材制造方法专用材料要求材料具备合适的凝结硬化速度及较好的力学表现。本文从双快硫铝酸盐水泥掺量、砂胶比、水胶比三个方面进行配合比设计,从凝结时间、流动度和建造性三个方面对各材料配合比进行可打印性评估,从抗压强度、抗拉强度对各材料配合比进行材料力学性能分析。综合优化分析可得,双快水泥掺量为6%,砂胶比为0.90,水胶比为0.35时可打印性最好,力学性能最好,最适合作为增减材制造方法的专用材料。（2）混凝土3D打印增减材制造方法关键技术研究表明,减材制造时减材速度选择40mm/s,减材深度选择20mm,减材头直径选择3.0mm,减材时间选择初凝时间的20%至40%可获得良好的减材制造效果。（3）混凝土3D打印增减材制造方法为优化设计结果的实验验证提供了简单可行的解决方案,可将优化结构细部结构的制造误差控制在3%以内,将优化结构的制造误差由厘米级降低到毫米级,大大提高了异形结构的精细化制造水平;随着体积比的减少,优化后的结构空洞率随之升高。根据拱桥结构实验,可观测到优化结构的开孔可减弱跨中部位的应力集中,改善局部区域应力集中情况。
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