东南大学蔡建国教授为您解读芯柱式3D打印混凝土墙轴心受压性能

3D打印混凝土技术是增材制造技术在建筑行业的应用，是以混凝土材料作为打印材料进行增材制造，打印混凝土构件，如图1所示。该技术不仅可以极大地减少人力消耗，还可以提高施工效率；数字化控制打印设备实现了精细化和智能化施工，可节省原材料，降低施工成本。在传统砌体结构中，将竖向钢筋插入空心砌块砌体内部的空腔中，并浇灌混凝土形成芯柱（图2），可以增强砌体构件的整体性和稳定性，提高其受弯、受剪性能和承载力，改善构件的抗震性能。本文中参考空心砌块剪力墙的结构形式，通过在3D打印混凝土空心墙内浇筑混凝土形成芯柱，研究其对3D打印混凝土墙受压承载能力的影响。

试验中设计并制作了6个3D打印混凝土配筋空心墙与现浇钢筋混凝土芯柱的组合墙试件。墙体尺寸为1000 mm（长度）×190 mm（宽度）×1300 mm（高度），芯柱截面尺寸均为152 mm×110 mm，并在每个芯柱中心配置1根纵筋。每片墙体放置4片水平钢筋网片，分别在高度50、450、850 mm和1250 mm处布置。以 试件XQ-3为例，其 构造及配筋示意如图3所示。

加载装置如图4所示，试验预加载分为3级，每级施加预估破坏荷载的5%。在预加载过程中观察试件是否对中并检查试验装置和工作仪表能否正常工作。正式加载阶段，每级加载增量约为预估破坏荷载的10%。当加载至预估破坏荷载的50%时，每级加载增量减至预估破坏荷载的5%，直至试件破坏。

3.1  破坏模式

3D打印混凝土配筋空心墙与现浇钢筋混凝土芯柱组合墙体的开裂、破坏过程和普通钢筋混凝土墙体的轴压破坏过程类似，如图5所示。破坏形式主要包括墙体的底部压溃、墙体一面上半部分压溃剥落以及墙体整体破坏三种。通过对比发现：组合肋截面墙体试件Q-3的破坏更加均匀对称，裂缝的开展也更加充分，同时具有更高的极限荷载；打印层间部位为3D打印混凝土构件的薄弱区，放置水平钢筋网将进一步降低层间黏结效果；芯柱越多，墙体的刚度分布越均匀，墙体的受力性能越好，墙体的破坏更对称，墙体破坏时受初始偏心作用的影响越小。

3.2  荷载-位移曲线

墙体加载过程中的荷载-竖向位移（ N - Δ ）曲线如图6所示，各试件特征点数据如表1所示，其中试件XQ-5加载至极限荷载时未完全破坏，故舍弃其最大位移值。

由图6可知，各试件均经历竖向位移匀速增长的弹性阶段、竖向位移快速增长的弹塑性阶段以及竖向位移突然增加的破坏阶段，与墙体的破坏特征基本一致。当加载至极限荷载时，荷载突然大幅度下降，墙体破坏时的竖向位移较小，呈明显的脆性破坏。其中无芯柱墙体试件Q-3和有芯柱墙体试件XQ-3，在加载过程至破坏阶段前曲线斜率无明显的突变，墙体具有更好的竖向受压稳定性。

有芯柱墙体试件在加载过程中出现荷载-位移斜率减小再恢复的突变现象，原因是薄弱区退出工作后导致应力重分配。分散布置的芯柱会降低墙体的初始刚度，试件XQ-5全部为芯柱，不存在空心部分，所以墙体刚度最大，开裂荷载也最大。

3.3  荷载-钢筋应变曲线

以试件XQ-3和试件Q-1为例， 墙体内水平钢筋网的应变随荷载变化如图7所示。可见，通长钢筋屈服或产生较大应变的情况通常发生在墙体下端表面，墙体破坏时裂缝已开展较宽，因此导致内部钢筋应变较大。横/斜向钢筋产生屈服或较大应变的情况通常发生在通长钢筋屈服之前，且大部分位于墙体上端内部肋，这可解释在墙体加载过程中，墙体有混凝土开裂的声音但表面无明显裂缝的现象， 说明此时墙体上端内部竖向肋内部 裂缝已经开始发展 ， 进而导致钢筋应变较大 。

3.4  墙体轴心受压承载力

试验墙体的受压承载力分别参照GB 50003—2011《砌体结构设计规范》（以下简称《砌规》）和GB 50010—2010 《混凝土结构设计规范》（以下简称《混规》）进行计算。采用规范公式计算得到墙体的轴压承载力理论计算值与试验值对比如表2所示。

由表2可以发现，采用《砌规》计算得到的打印墙体计算值总体与试验值更为接近，误差在4%~8.4%之间。采用《混规》计算发现，含芯柱试件XQ-3、XQ-5的试验值大于计算值，差值仅在2.5%左右。但无芯柱试件Q-1~Q-3的试验值小于计算值，且差值较大，为5.9%~19.7%。与墙体的孔洞率进行对比发现，试验值与计算值的差值与墙体灌浆后的孔洞率成一定比例关系。可见，墙体孔洞率对其受力性能具有较大的影响。

与砌体结构相同，打印墙体的前后两片打印墙板通过横向肋连接，较大的孔洞率导致墙板之间的连接较弱，墙体整体性较差，在荷载作用下的协同工作性能较差，因此应充分考虑孔洞率对3D打印混凝土墙体抗压强度的影响，才能更精确地计算得到3D打印混凝土墙体承载力的理论计算值。

4.1  模型建立

采用ABAQUS有限元软件，建立3D打印混凝土试件的有限元模型，单元采用八节点六面体线性减缩积分单元（C3D8R），网格尺寸设置为40 mm。采用CDP模型用以模拟3D打印混凝土墙体材料的本构关系。3D打印混凝土的各向异性通过选择不同强度的混凝土弹性模量E0进行模拟。采用理想弹塑性模型为钢筋本构模型，即认为钢筋材料在屈服前为线弹性体材料，超过屈服强度后为完全塑性体的材料。

由于3D打印混凝土材料的特殊性，需要考虑层间及条间缺陷对打印混凝土构件受力性能的影响。对于打印混凝土水平层间缺陷，按照孔隙率高于打印混凝土基体的2%、缺陷层厚1 mm进行材料力学性能折减；对于打印混凝土竖向条间缺陷，按照孔隙率高于打印混凝土基体的5%、缺陷层厚2 mm进行材料力学性能折减；交叉部分按照竖向条间缺陷进行折减，如图8所示。

4.2  模拟结果

模拟墙体应力云图见图9，以无芯柱斜向肋试件Q-2和三芯柱组合肋试件XQ-3为例。裂缝首先出现在墙体两侧，随着荷载增加，裂缝向下延伸，直至墙体底端，随后对称位置出现裂缝并向下延伸，形成上下贯通裂缝，两侧面上端开裂。墙体中部混凝土压碎，与试验破坏现象相符。由图9f可知，加载过程中芯柱XZ-1上端中部首先开裂，逐渐横向贯穿，后芯柱XZ-3上端开裂并横向贯穿，芯柱XZ-2中部开裂但未贯穿，与试验中芯柱的破坏现象一致，即两侧芯柱上端横向劈裂破坏。由图9c、9g钢筋的应力云图可知，第二、三片钢筋网的应力最大，部分钢筋屈服；对于竖向钢筋，两侧芯柱上端及中间芯柱中部应力最大，与试验现象相近。

试件的极限荷载与其对应位移的试验值与模拟值如表3所示。与试验值相比，试件Q-2的模拟值较大，这是因为试验中墙体打印的质量、初始找平的状态与截面质心与加载轴之间的距离都会对墙体的受力性能产生较大的影响，而试件Q-2试验中表现为偏心受压破坏，说明试件Q-2受初始偏心作用的影响较大，导致模拟值与试验值差值较大。极限位移的试验值均大于模拟值，且离散性较大，不同墙体的模拟位移值之间差距较小，分析原因为：一方面，试验过程中墙体竖向位移的测量受仪器干扰较大，仪器本身存在一定的误差波动范围；另一方面，试验中混凝土材料为非均匀且离散性较大的材料而非模拟中的理想均质材料。

总体上，有限元模拟结果在墙体裂缝开展、最终破坏形态、极限荷载、钢筋应变等方面均与试验结果较为一致，相差均在10%以内，因此该有限元分析模型具有可行性，可用于估算芯柱式3D打印混凝土墙体的轴心受压承载力。

1）3D打印混凝土配筋空心墙与现浇钢筋混凝土芯柱组合墙体的开裂、破坏过程和普通钢筋混凝土墙体的轴压破坏过程类似。破坏形式主要包括墙体的底部压溃、墙体一面上半部分压溃剥落以及墙体整体破坏三种。

2 ） 竖向与斜向组合肋的截面形式受力性能最好，能够提高墙体的整体性，改善墙体的破坏形式，同时提高墙体的极限荷载。芯柱数量的增加能够更加显著提高墙体的极限荷载，增幅为16.3%~19.1%，但分散布置的芯柱会削弱墙体的整体性，墙体的开裂荷载降低34.3%~48.5%。

3 ） 在墙体的加载过程中水平钢筋网片的布置能够有效加强墙体的整体性，但会降低水平层间的黏结性能。钢筋应变随着荷载的增大近似呈线性增长，墙体破坏时仅有少数测点处钢筋屈服。墙体上端的水平钢筋及竖向钢筋均受力较大，墙体与芯柱的上端破坏较为严重。

4 ） 孔洞率对3D打印混凝土墙体的承载力具有一定的影响，现有素混凝土墙体的承载力计算公式未将孔洞率的影响考虑在内，按照配筋砌块砌体墙算得的3D打印混凝土墙体轴心受压承载力计算值与试验值较为相符，误差小于8.5%。

5 ） 基于CDP模型对3D打印混凝土墙体的轴压性能进行模拟，通过设置缺陷层的方式对材料层间薄弱面部分进行力学性能折减，模拟结果与试验结果吻合较好，所建立的模型可用于估算芯柱式3D打印混凝土墙体的轴心受压承载力。