CN105965664B - 一种预应力桩3d打印***及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力桩3D打印***及其使用方法，包括材料供应装置和打印装置、打印移动装置和预制桩移动装置，可以根据现场实际工程需要设计并制作相应长度的通长整桩，避免了施工过程中的接桩和截桩等技术问题，确保整体桩长的质量和承载性能；同时，克服了预应力桩截面形式单一的问题、常规离心法制作预应力管桩施工中存在的桩身截面材料不一致的现象、桩侧壁光滑的现象；不仅提高了桩基承载性能，而且使3D打印技术适应于桩基础施工过程。

Description

一种预应力桩3D打印***及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种预制桩制作技术，尤其涉及一种预应力桩3D打印***及其使用方法，主要适用于桩基工程等技术领域。

背景技术

预应力钢筋混凝土桩因其单桩承载力高、结构坚固耐久、不受地下水和潮湿变化的影响、施工速度快、功效高、工期短以及可按需要做成各种不同尺寸的断面和长度等优点而广泛应用于桩基工程中。预应力钢筋混凝土桩可分为实心桩和管桩两种。为了方便制作，预应力实心桩大多做成方形断面，预应力管桩则采用离心法制作。采用离心法制作预应力桩需要模板，并且要求桩的横截面是对称形状的，限制了桩身的截面形式；受交通运输条件的限制，预应力钢筋混凝土桩常被生产成固定长度的桩节(6～12m)，而现场应用时桩基设计深度是不确定的，这就使得在施工过程中需要接桩和截桩，这些工艺若施工不当，会严重影响预应力钢筋混凝土桩的承载效果；另外，由于制作工艺的限制，预应力桩的截面形式局限于方形或圆形，采用离心法制作预应力桩的过程中，由于粗细骨料在离心作用下的运动距离不同，会导致桩身截面材料不一致，从而影响预应力桩的承载效果；同时，离心法制作的预应力桩其桩外侧表面光滑，一定程度上降低了桩-土摩擦系数，从而影响其桩侧摩阻力，需要后期的桩侧处理使桩侧壁粗糙。

本发明之前，专利号为ZL201310697608.X的中国发明专利“一种建筑物梁构件的3D打印方法”，公开了一种结合水泥基材料的3D打印建筑物梁构件及其养护的技术方案；申请号为201410345502.8的中国发明专利申请“一种基于3D打印的钢筋砼结构及结构施工方法”，公开了一种3D打印的一种装配式钢筋砼结构及其施工方法；申请号为201410437818.X的中国发明专利申请“基于3D打印的混凝土剪力墙结构及其施工方法”，公开了一种结合混凝土材料的3D打印剪力墙结构及其施工方法；申请号为201410437931.8的中国发明专利申请“一种3D打印配筋砌体剪力墙结构及其施工方法”，公开了一种基于配筋砌块的3D打印砌体剪力墙结构及其施工方法；申请号为201410827859.X的中国发明专利申请“3D打印内隔墙及其施工方法”，公开了一种基于石膏等填充材料的3D打印内隔墙及其施工方法。但是，已有的技术方案都是针对结构工程中梁、墙等建筑结构，而尚未有针对桩基工程的技术方案，更没有针对预应力桩的3D打印技术方案。

因此，针对常规预应力桩制作、运输和施工过程中存在的缺陷与不足，结合3D打印技术，开发一种施工现场打印预应力桩的技术方法显得尤为重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提出一种预应力桩3D打印***及其使用方法，解决了现有技术中打印的预应力桩桩身长度与实际设计桩长不一致、预应力桩截面形式单一、离心法制作预应力桩导致的截面材料不一致和表面摩擦系数低的问题，在施工现场根据实际需要设计桩长，通过3D打印技术，制作相应长度的预应力桩，解决常规预应力桩施工过程中存在的接桩和截桩问题，可以制作多种截面形式的预应力桩或扩径，如方桩、圆形桩、管桩、X形桩、楔形桩、螺纹桩、竹节桩以及支盘桩等，克服由离心法技术造成的截面材料不一致的问题，粗糙的桩侧壁可以有效提高桩侧摩阻力。

技术方案：为实现上述目的，本发明的预应力桩3D打印***，包括：材料供应装置和打印装置、打印移动装置和预制桩移动装置；控制装置分别与所述材料供应装置、打印装置、打印移动装置和预制桩移动装置相连接；所述材料供应装置包括料池和输料管，所述打印装置包括储料单元、打印单元和凝固单元，储料单元通过输料管与料池连接，打印单元和凝固单元设置在储料单元的下方并可在竖直方向上自由伸缩；所述打印移动装置包括支撑架和Y向滑轨，支撑架包括竖向支架和横向支架，竖向支架固定在地面，横向支架通过移动单元与竖向支架相连接，Y向滑轨与横向支架之间通过移动单元相连接，所述储料单元通过移动单元与Y向滑轨相连接；所述预制桩移动装置包括移动板车，移动板车上设置有推进单元为其提供动力，移动板车的上表面还设置有两个卡盘，两个卡盘之间设置有钢筋笼。

其中，所述钢筋笼包括非预应力钢筋和箍筋，所述箍筋作为钢筋笼的外表面，其形状决定了钢筋笼的截面形状，若干个非预应力钢筋等间距设置在箍筋的内表面，在箍筋所包围的区域内还规则地设置有预留孔。

其中，所述箍筋为圆形、方形或X形。

其中，所述移动板车通过轨道滚轮在地面导轨上移动。

其中，料池内设置有搅拌单元，所述输料管上设置有料浆泵，所述储料单元的内部设置有加热单元。

其中，打印单元为L形，以钢筋笼所放置方向为水平方向，则打印单元可在竖直方向上自由伸缩，其打印喷头水平设置以实现打印材料的水平向喷射。

相应地，本发明还提供一种上述预应力桩3D打印***的使用方法，包括以下步骤：

(1)三维建模：利用3D建模软件绘制预应力桩的三维立体模型，模型包括预应力桩的形状、截面形式以及尺寸；

(2)材料准备：将浆料装入料池中，对打印材料进行搅拌得到水泥基浆液；根据预应力桩的长度以及截面形状尺寸，绑扎相应的钢筋笼，并将钢筋笼固定在卡盘上；

(3)3D打印施工过程：将水泥基浆液输送至储料单元中，并保证浆液温度保持在30～50℃；

根据3D建模软件中绘制的预应力桩三维立体模型，将预应力桩三维立体模型划分为多个竖向横截面层，对于每一竖向横截面层，储料单元向打印单元输送水泥基浆料，打印喷头将水泥基浆料水平向喷射到需要打印的位置，凝固单元促使浆料凝固形成混凝土层，分层进行打印直至整根桩打印完成；

(4)养护成型：打印完成后，在标准养护条件下，对预应力桩体进行养护28～30d；

(5)施加预应力：桩体混凝土达到龄期及其强度后，在桩体内的预留孔中放入预应力钢筋并对其施加预应力，完成3D打印预应力桩的制作施工。

其中，步骤(3)中对于每一竖向横截面层的打印，以钢筋笼所放置方向为X方向，以竖直方向为Z方向，以垂直于X方向和Z方向的方向为Y方向，包括以下步骤：

控制装置向预制桩移动装置发送指令调整移动板车和打印装置的相对位置，定位打印单元使其打印喷头在X方向上对准待打印的竖向横截面层的起始位置；

控制装置控制打印装置沿Y向滑轨实现打印单元的打印喷头在Y方向的自由移动；

控制横向支架上下移动以及打印单元上下伸缩，实现打印喷头在Z方向的自由移动；

控制移动板车的左右移动实现打印喷头在X方向上的相对自由移动。

有益效果：本发明的预应力桩3D打印***及其使用方法，可以根据现场实际工程需要设计并制作相应长度的预应力桩，从而形成整桩，避免了施工过程中的接桩和截桩等技术问题，确保整体桩的质量和承载性能；3D打印制作预应力桩，可以根据需要设计桩身截面以及桩侧粗糙程度，然后直接打印成桩，不需要模板和离心，克服了预应力桩截面形式单一、桩侧壁光滑、常规离心法制作预应力桩施工中存在的桩身截面材料不一致的现象，从而提高了预应力管桩的桩身质量和桩侧粗糙度(即提高桩侧摩阻力)；已有的3D打印建筑物梁结构、钢筋混凝土墙、以及配筋砌体剪力墙等水泥基材料构件，由于未施加预应力，构件容易在运输中或施工锤击中损坏，从而不适用于桩基础工程中，本发明不仅通过3D打印构件，而且在构件的预留孔放入预应力钢筋并施加预应力，不仅提高了桩基承载性能，而且使其适应于桩基础施工过程。

附图说明

图1为本发明中预应力桩3D打印***的结构示意图；

图2为本发明预应力桩横截面形式结构示意图，图2(a)为管桩的横截面，图2(b)为方桩的横截面，图2(c)为X形桩的横截面；

图3为图1中预应力桩3D打印***使用方法的流程图；

其中，1为控制装置，2为数据线，3为竖向支架，4为横向支架，5为移动单元，6为Y向滑轨，7为储料单元，8为加热单元，9为打印单元，10为凝固单元，11为移动板车，12为卡盘，13为地面导轨，14为钢筋笼，15为料池，16为搅拌单元，17为料浆泵，18为输料管，19为预留孔，20为非预应力钢筋，21为箍筋，22为管桩截面，23为方桩截面，24为X形桩截面。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

图1中的预应力桩3D打印***，包括：控制装置1、空间位移装置、材料供应装置和打印装置；控制装置1采用计算机，通过数据线2分别与空间位移装置、材料供应装置和打印装置相连接，空间位移装置包括打印移动装置和预制桩移动装置；材料供应装置包括料池15和输料管18，料池15内设置有搅拌单元16，输料管18上设置有料浆泵17；打印装置包括储料单元7、打印单元9和凝固单元10，储料单元7通过输料管18与料池15连接，其内部设置有加热单元8，打印单元9和凝固单元10设置在储料单元7的下方；打印移动装置包括支撑架和Y向滑轨6，支撑架包括竖向支架3和横向支架4，竖向支架3固定在地面，横向支架4通过可上下移动的移动单元5与竖向支架3相连接，Y向滑轨6与横向支架4之间通过移动单元5相连接，储料单元7通过移动单元5与Y向滑轨6相连接；预制桩移动装置包括地面导轨13和移动板车11，地面导轨13固定在地面，移动板车11通过轨道滚轮与地面导轨13连接，移动板车11上设置有推进单元为移动板车11提供动力，移动板车11上还设置有两个卡盘12，卡盘12可通过螺丝钉自由固定在移动板车11上任一位置，两个卡盘12之间设置有钢筋笼14；如图2所示，钢筋笼14包括非预应力钢筋20和箍筋21，箍筋21作为钢筋笼14的外表面，其形状决定了钢筋笼14的截面形状，进一步决定了所打印的预应力桩的横截面，若干个非预应力钢筋20等间距设置在箍筋21的内表面，在箍筋21所包围的区域内还规则地设置有预留孔19；箍筋21可以为如图2(a)所示的圆形，所打印的预应力桩为管桩，其管桩截面22为环形，非预应力钢筋20和预留孔19呈圆形分布；箍筋21也可以为如图2(b)所示的方形，所打印的预应力桩为方桩，其方桩截面23为方形，非预应力钢筋20和预留孔19呈方形分布；箍筋21还可以为如图2(c)所示的X形，所打印的预应力桩为X形桩，其X形桩截面24为X形，非预应力钢筋20和预留孔21呈圆形分布。

可以根据所打印的预应力桩来设置箍筋21的形状，预应力桩的截面形式可以为圆形、方形、X形或Y形，还可以为管桩、楔形桩、竹节桩或支盘桩，其桩身外表面粗糙，其桩长根据现场设计桩身长度确定；横截面尺寸可以为：圆形桩直径为300～500mm；方形桩边长为300～500mm；X形或Y形桩的外包圆直径为300～500mm、开弧角度为90～120°；管桩外径为800～1200mm，内径为680～1050mm，管壁厚为120～150mm；楔形桩的上部直径为300～500mm，下部直径为200～400mm；竹节桩或支盘桩的竹节或支盘直径为700～900mm。预应力桩的材料为高强度混凝土。

上述竖向支架3和横向支架4，其制作材料为钢材或其他金属材料，尺寸根据打印桩的尺寸确定，长为3～4m，宽为2～3m，高度为1.5～2.5m；上述Y向滑轨6，其制作材料为钢材或其他金属材料，形状为线性，尺寸与支撑架的横向支架相同。

上述移动板车11，由多个小型板车拼接而成，每个小型板车的长度为2～3m，宽度为1.5～2.5m，材质为钢材，移动板车11的长度可根据桩身设计长度自由拼接；上述地面导轨13，其材料为钢材，其型号为43～60kg/m；上述推进单元，可以是驱动马达或者步进电机或者其他形式的电动机，其功率为500～700W；上述卡盘12，其形状根据打印桩钢筋笼14的截面形状确定，为直径400～600mm的圆形或边长400～600mm的方形。

上述料池15，其内部设置的搅拌单元16，在桩的打印期间不间断进行搅拌，保证胶结材料的流动性，搅拌速度为360～720r/min，料池15进料口的直径为300～500mm，输料口直径为150～250mm，材料为高强度混凝土；搅拌单元16包括驱动电机、搅拌杆和搅拌头，驱动电机的功率为100～300W；上述料浆泵17，其出料口和进料口形状和尺寸根据实际情况确定，可以为圆形或椭圆形，孔径为150～250mm；上述输料管18，其材料为软质塑料管，其直径根据料池输料口直径确定，为20～30mm。

上述储料单元7，为含有出气孔的长方体空腔，其尺寸根据浆料喷出速率和料浆泵输入浆料速率确定，其长为500～1000mm，宽为400～800mm，高度为400～800mm；上述加热单元8，主要对储料单元7内的浆料进行加热，其温度控制范围为30～50℃；上述打印单元9为L形，包括高压喷射部件和打印喷头，打印喷头为圆形或扁形；上述凝固单元10，采用激光烧结或其他快速凝结方式进行凝结。

实施例2：

结合图1和图2，本实施例中介绍实施例1中的预应力桩3D打印***打印预应力桩的方法，包括以下步骤：

(1)3D打印***安装：首先，根据设计要求，制作长为3～4m，宽为2～3m，高度为1.5～2.5m的支撑架，支撑架的横向支架4与竖向支架3通过移动装置相互连接；将Y向滑轨6通过移动装置连接到横向支架4上，并通过移动装置将储料装置7连接到Y向滑轨上6；在储料装置7内安装加热装置8，并在其下方并排安装打印单元9和凝固单元10；连接料池15、搅拌装置16、输料管18、料浆泵17以及储料装置7构成材料供应***；根据实际设计桩长将移动板车11拼接到相应的长度，并将卡盘12固定在移动板车11适当位置上；最后通过数据线将计算机与移动装置、搅拌装置16、料浆泵17、加热装置8、打印单元9、凝固单元10以及移动板车11相连接。

(2)三维建模：利用AutoCAD、3Dmax、ProE、UG或Solidworks等3D建模软件，绘制预应力桩的三维立体模型，模型包括预应力桩的形状、尺寸以及截面形式；可以为圆形、方形、X形或Y形，还可以为管桩、楔形桩、竹节桩或支盘桩，其桩身外表面粗糙，其桩长根据现场设计桩身长度确定；横截面尺寸可以为：圆形桩直径为300～500mm；方形桩边长为300～500mm；X形或Y形桩的外包圆直径为300～500mm、开弧角度为90～120°；管桩外径为800～1200mm，内径为680～1050mm，管壁厚为120～150mm；楔形桩的上部直径为300～500mm，下部直径为200～400mm；竹节桩或支盘桩的竹节或支盘直径为700～900mm；(本实施例为外包圆直径400mm、开弧角度为90°的X形桩)。

(3)材料准备：将水泥、石子等分别按设计比例装入料池中，打开料池15中的搅拌单元16，将搅拌单元16的速度调整为360～720r/min，对材料进行搅拌得到水泥基浆液；根据预应力桩的长度以及截面形状尺寸，绑扎相应的钢筋笼14；

(4)3D打印施工过程：打开料浆泵17以及加热单元8，将水泥基浆液输送至储料单元7中，并保证浆液温度保持在30～50℃；根据3D建模软件中绘制的预应力桩三维立体模型，将预应力桩三维立体模型分为多个竖向横截面层，分层进行打印，如图1中所示的打印好的两个横截面层和正在打印的横截面层；

调整移动板车11和打印装置的相对位置，使得打印单元9精确定位在需要打印的位置上，即待打印的竖向横截面的起始位置；

定位完成后，储料单元7向打印单元9输送水泥基浆料，打印单元9的打印喷头将水泥基浆料水平向喷射到需要打印的位置，凝固单元10促使浆料迅速凝固，形成混凝土层；

对于每个竖向横截面层，打印过程中打印单元9通过如下方式改变打印位置：控制装置1发送指令至空间位移装置，由打印装置沿Y向滑轨6实现打印喷头在Y方向的自由移动；由横向支架4的上下移动和打印单元9的伸缩实现打印喷头在Z方向的自由移动；由移动板车11的左右移动实现打印喷头在X方向上的相对自由移动，从而实现打印喷头精确定位需要打印位置；每打印完一层，控制移动板车11沿X方向移动ΔX距离(ΔX等于每个横断面的宽度)，为5～10cm，使打印单元正对下一个横断面层，实现该横断面层的打印；依次类推，重复上述步骤进行打印，直至整根桩打印完成；

(5)养护成型：打印完成后，在标准养护条件下，对预应力桩体进行养护28～30d；

(6)施加预应力：在桩体混凝土达到龄期及其强度后，在桩体内预留孔19中放入预应力钢筋并对其施加预应力，得到外包圆直径400mm、开弧角度为90°的X形桩，完成3D打印预应力桩的制作施工。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种预应力桩3D打印***，其特征在于，包括：控制装置（1）、材料供应装置和打印装置、打印移动装置和预制桩移动装置；控制装置（1）分别与所述材料供应装置、打印装置、打印移动装置和预制桩移动装置相连接；所述材料供应装置包括料池（15）和输料管（18），所述打印装置包括储料单元（7）、打印单元（9）和凝固单元（10），储料单元（7）通过输料管（18）与料池（15）连接，打印单元（9）和凝固单元（10）设置在储料单元（7）的下方；所述打印移动装置包括支撑架和Y向滑轨（6），支撑架包括竖向支架（3）和横向支架（4），竖向支架（3）固定在地面，横向支架（4）通过移动单元（5）与竖向支架（3）相连接，Y向滑轨（6）与横向支架（4）之间通过移动单元（5）相连接，所述储料单元（7）通过移动单元（5）与Y向滑轨（6）相连接；所述预制桩移动装置包括移动板车（11），移动板车（11）上设置有推进单元为其提供动力，移动板车（11）的上表面还设置有两个卡盘（12），两个卡盘（12）之间设置有钢筋笼（14）。

2.根据权利要求1所述的预应力桩3D打印***，其特征在于，所述钢筋笼（14）包括非预应力钢筋（20）和箍筋（21），所述箍筋（21）作为钢筋笼（14）的外表面，其形状决定了钢筋笼（14）的截面形状，若干个非预应力钢筋（20）等间距设置在箍筋（21）的内表面，在箍筋（21）所包围的区域内还规则地设置有预留孔（19）。

3.根据权利要求2所述的预应力桩3D打印***，其特征在于，所述箍筋（21）为圆形、方形或X形。

4.根据权利要求2所述的预应力桩3D打印***，其特征在于，所述移动板车（11）通过轨道滚轮在地面导轨（13）上移动。

5.根据权利要求1所述的预应力桩3D打印***，其特征在于，料池（15）内设置有搅拌单元（16），所述输料管（18）上设置有料浆泵（17），所述储料单元（7）的内部设置有加热单元（8）。

6.根据权利要求1所述的预应力桩3D打印***，其特征在于，打印单元（9）为L形，以钢筋笼（14）所放置方向为水平方向，则打印单元（9）可在竖直方向上自由伸缩，其打印喷头水平设置以实现打印材料的水平向喷射。

7.一种权利要求1所述的预应力桩3D打印***的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）三维建模：利用3D建模软件绘制预应力桩的三维立体模型，模型包括预应力桩的形状、截面形式以及尺寸；

（2）材料准备：将浆料装入料池（15）中，对打印材料进行搅拌得到水泥基浆液；根据预应力桩的长度以及截面形状尺寸，绑扎相应的钢筋笼（14），并将钢筋笼（14）固定在卡盘（12）上；

（3）3D打印施工过程：

将水泥基浆液输送至储料单元（7）中，并保证浆液温度保持在30～50℃；

根据3D建模软件中绘制的预应力桩三维立体模型，将预应力桩三维立体模型划分为多个竖向横截面层，对于每一竖向横截面层，储料单元（7）向打印单元（9）输送水泥基浆料，打印喷头将水泥基浆料水平向喷射到需要打印的位置，凝固单元（10）促使浆料凝固形成混凝土层，分层进行打印直至整根桩打印完成；

（4）养护成型：打印完成后，在标准养护条件下，对预应力桩体进行养护28～30d；

（5）施加预应力：桩体混凝土达到龄期及其强度后，在桩体内的预留孔（19）中放入预应力钢筋并对其施加预应力，完成3D打印预应力桩的制作施工。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，以钢筋笼（14）所放置方向为X方向，以竖直方向为Z方向，以垂直于X方向和Z方向的方向为Y方向，步骤（3）中对于每一竖向横截面层的打印包括以下步骤：

控制装置（1）向预制桩移动装置发送指令调整移动板车（11）和打印装置的相对位置，定位打印单元（9）使其打印喷头在X方向上对准待打印的竖向横截面层的起始位置；

控制装置（1）控制打印装置沿Y向滑轨实现打印单元（9）的打印喷头在Y方向的自由移动；

控制横向支架（4）上下移动以及打印单元（9）上下伸缩，实现打印喷头在Z方向的自由移动；

控制移动板车（11）的左右移动实现打印喷头在X方向上的相对自由移动。