The 8th International Conference on Engineering Innovation and Seismic Mitigation of Bridges （ICEISMB 2025） (ICEISMB 2025)

为实现 3D 打印纤维增强树脂基复合材料 (Fiber reinforced polymer，FRP) 桥梁工程构件力学性能的精确分析，推进 3D 打印 FRP 技术在桥梁工程中的应用，本文分别从理论及试验角度对 3D 打印 FRP 的关键力学性能进行了探索。首先，结合打印 FRP 的细观结构空间几何特征，提出了打印丝连续假设。进而，基于该假设及面内应力转轴模型，构建了层内应力下 3D 打印 FRP 的杨氏模量分析预测模型。同时，考虑材料的多种失效模式，基于 Tsai-Wu 理论建立了层内应力下该材料的抗拉强度分析预测模型，且该模型考虑了 4 种不同的剪切强度计算模式。其次，考虑材料的打印角度、线宽及层厚，设计了系统性的杨氏模量及抗拉强度测试分析试验，对上述两类理论模型的精确性进行了验证。研究结果表明：打印角度与杨氏模量及抗拉强度之间呈明显的负相关关系，当打印角度从 0°增加至 90°时，杨氏模量的减小幅度范围为 65.48%~79.62%，抗拉强度的减小幅度范围为 50.99%~71.55%。打印线宽对杨氏模量及抗拉强度的影响较明显，0.6 mm 及 0.8 mm线宽下材料的两类关键力学性能相近，且均明显强于 0.4 mm 线宽下的力学性能，其中杨氏模量的变化幅度范围为 20.18%~49.27%，抗拉强度的变化幅度范围为 27.53%~54.55%。宏观尺度失效结果表明，存在两类失效模式，分别为打印丝断裂失效及打印丝分离失效。同时，本文从细观尺度揭示了两类失效模式产生的机制及打印参数对关键力学性能的影响机制。综上，本次构建的两类模型为量化评价 3D 打印 FRP 桥梁工程构件的关键力学性能提供了理论支撑。