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作者及机构

本研究的主要作者包括Medhat Elmorsy、Rafal Wrobel、Christian Leinenbach和Michalis F. Vassiliou。他们分别隶属于瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的结构工程研究所（IBK）和瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）。此外，Medhat Elmorsy还与埃及曼苏拉大学的结构工程系有合作。该研究发表于2023年6月12日至14日在希腊雅典举行的第九届ECCOMAS主题会议“结构动力学与地震工程中的计算方法”（COMPDYN 2023）上。

学术背景

本研究的主要科学领域为结构工程与地震工程，特别是小型钢筋混凝土（RC）结构的地震行为研究。研究的背景是，尽管实验测试在验证结构设计假设方面发挥了重要作用，但传统的系统级测试因成本高昂而难以多次进行，导致数据集不足，进而限制了模型的校准和验证。此外，现有数值模型在预测复杂结构的地震响应时存在显著误差，尤其是在全局级别假设（如边界条件、组件交互、阻尼模型等）方面。因此，开发一种低成本、可重复的系统级地震测试方法成为迫切需求。

本研究的目标是提出一种小型（比例约为1:30至1:40）RC结构地震测试框架，并通过材料级测试验证其可行性。具体来说，研究聚焦于微混凝土（micro-concrete）和3D打印钢筋的力学性能，以确保这些材料能够在小比例模型中准确模拟全尺寸结构的力学行为。

研究流程

本研究的流程主要包括以下几个步骤：
1. 材料级测试框架设计
- 研究目标是通过3D打印技术构建小比例RC结构，并在土工离心机上的振动台进行测试。
- 材料级测试包括微混凝土的压缩和拉伸行为研究，以及3D打印钢筋的力学性能测试。

1. 3D打印钢筋的力学性能测试

   • 使用Concept Laser M2激光粉末床熔融（LPBF）打印机打印直径为0.8 mm和0.4 mm的钢筋。
     
   • 测试两种钢筋（光滑和带肋）的力学性能，包括弹性模量、屈服强度、极限强度和最大应变。
     
   • 实验在苏黎世联邦理工学院的200 kN万能试验机（UTM）上进行，采用单调递增位移加载，应变率控制在0.015 mm/mm/min。
     

2. 微混凝土的力学性能测试

   • 测试两种混凝土混合物（水泥基和石膏基）的压缩和拉伸行为。
     
   • 压缩测试使用直径为15 mm、高度为30 mm的圆柱体，拉伸测试使用15 mm × 15 mm × 80 mm的梁进行四点弯曲测试。
     
   • 实验在UTM上进行，应变率控制在1×10^-5 mm/mm/s。
     

3. 可行性研究

   • 在初步研究中，对微混凝土圆柱体和微RC梁进行了压缩和弯曲测试。
     
   • 使用3D打印的钢筋增强微RC梁，并验证其力学性能与小比例模型的数值模拟结果的一致性。
     

主要结果

1. 3D打印钢筋的测试结果

   • 3D打印钢筋的力学性能可通过调节打印参数进行调整，其屈服强度、极限强度和最大应变均满足原型钢筋的设计要求。
     
   • 0.8 mm带肋钢筋的屈服强度为440.3 MPa，极限强度为554.5 MPa，最大应变为15.0%，满足欧洲规范EC2对C类钢筋的延性要求。
     
   • 0.4 mm光滑钢筋的屈服强度为381.9 MPa，极限强度为476.0 MPa，最大应变为7.8%，适用于模拟剪切钢筋。
     

2. 微混凝土的测试结果

   • 水泥基混凝土的压缩强度为41.04 MPa，拉伸强度（断裂模量）为10.38 MPa。
     
   • 石膏基混凝土的压缩强度为19.93 MPa，拉伸强度为4.14 MPa，其力学性能更接近原型混凝土，表明石膏作为黏合剂能够减少尺寸效应。
     

3. 可行性研究结果

   • 小比例微RC梁的力学行为与数值模拟结果吻合良好，验证了3D打印钢筋在小比例模型中的适用性。
     

结论

本研究成功提出了一种小比例RC结构地震测试框架，并通过材料级测试验证了其可行性。研究结果表明，3D打印钢筋和微混凝土的力学性能可满足小比例模型的测试需求，且石膏作为黏合剂能够更好地模拟原型混凝土的力学行为。这一框架为低成本、可重复的系统级地震测试提供了重要工具，有助于弥补现有模型的校准数据不足问题。

研究亮点

1. 创新性方法：使用3D打印技术构建小比例RC结构，显著降低了系统级测试的成本和时间。
   
2. 材料性能优化：通过调节打印参数，3D打印钢筋的力学性能可满足原型钢筋的设计要求。
   
3. 石膏混凝土的优势：研究发现石膏基混凝土能够更好地模拟原型混凝土的力学性能，减少了尺寸效应的影响。

其他有价值内容

本研究还指出了当前小比例建模中的一些局限性，如无法施加轴向载荷、钢筋力学性能的变异性较大等，并提出了未来研究的方向，以进一步完善这一框架。