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将3D打印技术应用于建筑工程领域是一种全新工程建造理念，目前在3D打印混凝土材料开发，工作性能和力学性能研究方面已取得较为系统的成果。但作为一种新型建造技术，3D打印工艺与传统混凝土配筋增强方式的兼容性研究尚且鲜有涉及。无论是传统混凝土还是3D打印混凝土，均有压强拉弱，脆性破坏的特征，难以独立建造结构。FRP筋是一种新型结构增强材料，其中玄武岩纤维筋(BFRP)取材天然，成本低廉，轻质高强，耐腐蚀，耐疲劳性能优异，有望与3D打印混凝土组合成为新型装配化混凝土结构，实现机械化智能建造。
有鉴于打印挤出工艺导致3D打印混凝土空间各向异性，与传统混凝土受力性能迥异，本文在分析BFRP筋与3D打印混凝土协同工作性能基础上，对BFRP筋增强3D打印混凝土梁式构件力学性能进行了研究，主要开展了以下工作:
(1)针对BFRP筋与3D打印混凝土的粘结性能，以BFRP筋表面形态，试件成型方式（3D打印和模板浇筑）为变量设计开展了8组共24个试件的拉拔实验研究，分析了BFRP筋与3D打印混凝土之间粘结性能和影响因素。研究表明:成型方式和BFRP筋的表面形态对粘结性能均有显著影响，模板浇筑成型的拉拔试件粘结力优于3D打印成型的拉拔试件。同条件下表面粘砂的BFRP筋与3D打印混凝土之间的粘结力比表面光滑的BFRP筋与3D打印混凝土之间的粘结力高3％-15.79％。根据3D打印混凝土层条间缺陷对粘结段面积的影响推导了3D打印试件的粘结强度计算公式，计算结果与实验值吻合良好。
(2)针对打印方式，纵筋配筋率对BFRP筋增强3D打印混凝土梁式构件承载能力影响，设计制作10根抗弯梁式构件开展了试验研究。结果表明:相同配筋率下，构件平行打印和环绕打印方式造成力学差异不显著。研究表明，对于3D打印混凝土梁，平截面假定依然适用。BFRP筋增强3D打印混凝土梁开裂荷载随着配筋率的提高未见明显变化，但极限荷载呈逐渐提高趋势。根据受压破坏和受拉破坏模式的不同，分别推导了抗弯承载能力公式。为防止发生斜截面破坏，设计了“嵌订”式箍筋以增强抗剪承载力，但纵筋配筋率最大的梁依然发生了斜截面破坏。这表明BFRP筋增强混凝土梁的抗剪构造是梁式构件的设计重点。
(3)针对BFRP筋增强3D打印混凝土梁开展数值模拟，以CT扫描得到的3D打印混凝土空间孔隙分布信息确定打印基体，层间缺陷和条间缺陷的几何尺寸和孔隙率，根据孔隙率大小对力学性能折减，分别对基体，层间缺陷和条间缺陷赋予不同材料属性。数值模拟梁式构件荷载挠度曲线，纵筋应变曲线，破坏模式均与实验梁的数据吻合良好。开裂荷载的最大误差为-10.38％，极限荷载最大误差为-5.9％。受压和受拉破坏模式均为脆性破坏，为提高安全度，避免发生脆性破坏，根据相关研究，BFRP筋的名义屈服强度可取为极限强度的75％-85％，当混凝土梁受压区混凝土被压碎而BFRP筋达到名义屈服强度时，可以认为梁发生适筋破坏，利用有限元模拟给出了不同配筋率下发生适筋破坏时混凝土的合理强度取值，以供后续试验和工程应用提供参考。
(4)由于BFRP筋是线弹性材料，且混凝土梁式构件的抗剪失效具有明显脆性特征，因此BFRP筋增强3D打印混凝土的抗剪设计成为结构设计关键技术。针对配箍率，箍筋形式以及箍筋材质，开展了11根BFRP筋增强3D打印混凝土梁抗剪性能试验，试验表明:3D打印混凝土梁的抗剪承载能力依然由混凝土和抗剪箍筋两部分提供，但由于试验过程中发生箍筋局部粘结滑移，箍筋强度利用程度较低，BFRP箍筋强度利用率约为7.1％，而HRB400箍筋利用率约为33％。随配箍率增加，其抗剪承载能力与理论计算值的偏差呈现增大趋势。相对于无腹筋梁，配有HRB400箍筋的梁抗剪承载能力提高了39.56％-104.32％，配有BFRP箍筋的梁抗剪承载能力提高了33.91％-86.18％。
有鉴于打印挤出工艺导致3D打印混凝土空间各向异性，与传统混凝土受力性能迥异，本文在分析BFRP筋与3D打印混凝土协同工作性能基础上，对BFRP筋增强3D打印混凝土梁式构件力学性能进行了研究，主要开展了以下工作:
(1)针对BFRP筋与3D打印混凝土的粘结性能，以BFRP筋表面形态，试件成型方式（3D打印和模板浇筑）为变量设计开展了8组共24个试件的拉拔实验研究，分析了BFRP筋与3D打印混凝土之间粘结性能和影响因素。研究表明:成型方式和BFRP筋的表面形态对粘结性能均有显著影响，模板浇筑成型的拉拔试件粘结力优于3D打印成型的拉拔试件。同条件下表面粘砂的BFRP筋与3D打印混凝土之间的粘结力比表面光滑的BFRP筋与3D打印混凝土之间的粘结力高3％-15.79％。根据3D打印混凝土层条间缺陷对粘结段面积的影响推导了3D打印试件的粘结强度计算公式，计算结果与实验值吻合良好。
(2)针对打印方式，纵筋配筋率对BFRP筋增强3D打印混凝土梁式构件承载能力影响，设计制作10根抗弯梁式构件开展了试验研究。结果表明:相同配筋率下，构件平行打印和环绕打印方式造成力学差异不显著。研究表明，对于3D打印混凝土梁，平截面假定依然适用。BFRP筋增强3D打印混凝土梁开裂荷载随着配筋率的提高未见明显变化，但极限荷载呈逐渐提高趋势。根据受压破坏和受拉破坏模式的不同，分别推导了抗弯承载能力公式。为防止发生斜截面破坏，设计了“嵌订”式箍筋以增强抗剪承载力，但纵筋配筋率最大的梁依然发生了斜截面破坏。这表明BFRP筋增强混凝土梁的抗剪构造是梁式构件的设计重点。
(3)针对BFRP筋增强3D打印混凝土梁开展数值模拟，以CT扫描得到的3D打印混凝土空间孔隙分布信息确定打印基体，层间缺陷和条间缺陷的几何尺寸和孔隙率，根据孔隙率大小对力学性能折减，分别对基体，层间缺陷和条间缺陷赋予不同材料属性。数值模拟梁式构件荷载挠度曲线，纵筋应变曲线，破坏模式均与实验梁的数据吻合良好。开裂荷载的最大误差为-10.38％，极限荷载最大误差为-5.9％。受压和受拉破坏模式均为脆性破坏，为提高安全度，避免发生脆性破坏，根据相关研究，BFRP筋的名义屈服强度可取为极限强度的75％-85％，当混凝土梁受压区混凝土被压碎而BFRP筋达到名义屈服强度时，可以认为梁发生适筋破坏，利用有限元模拟给出了不同配筋率下发生适筋破坏时混凝土的合理强度取值，以供后续试验和工程应用提供参考。
(4)由于BFRP筋是线弹性材料，且混凝土梁式构件的抗剪失效具有明显脆性特征，因此BFRP筋增强3D打印混凝土的抗剪设计成为结构设计关键技术。针对配箍率，箍筋形式以及箍筋材质，开展了11根BFRP筋增强3D打印混凝土梁抗剪性能试验，试验表明:3D打印混凝土梁的抗剪承载能力依然由混凝土和抗剪箍筋两部分提供，但由于试验过程中发生箍筋局部粘结滑移，箍筋强度利用程度较低，BFRP箍筋强度利用率约为7.1％，而HRB400箍筋利用率约为33％。随配箍率增加，其抗剪承载能力与理论计算值的偏差呈现增大趋势。相对于无腹筋梁，配有HRB400箍筋的梁抗剪承载能力提高了39.56％-104.32％，配有BFRP箍筋的梁抗剪承载能力提高了33.91％-86.18％。