新型夯土墙模板系统夯筑侧位移敏感性因素分析

2020-05-09丁克胜李耀祖赵永强

天津城建大学学报 2020年2期

丁克胜，李耀祖，赵永强

（天津城建大学土木工程学院，天津 300384）

在我国西部山区地域辽阔，山土资源丰富，但年降水量少，冬天寒冷，交通不便，使得山区农村的住房建造困难重重，现在的房屋仍以生土夯实墙承重结构为主，但房屋布局、内外装饰又要具有新时代特色.因此，要有新的建造技术相适应[1]，在现有土质改良研究的条件下，模板系统成为新的研发视角.本文以住建部国家科技支撑计划课题“美丽乡村绿色农房建造关键技术研究与示范”[2]为依托，以绿色农房产业化为导向，结合当前我国创建美丽乡村的迫切需求，因地制宜，着力开展适合不同地区乡村自主建房、无大型装备施工的各类结构体系及其建造工法关键技术、技术集成及优化研究，形成适用于我国不同地区具有地域特色和自主知识产权的绿色农房设计、建造技术体系及绿色新材料的应用技术，带动“绿色农房建设相关产业链”的发展，为我国社会主义新农村现代化住宅建设的可持续发展提供技术支持[3-5].

基于绿色环保的宗旨，本文采用新型夯土墙模板系统，有利于农村陈旧设施的改善，提高生产效率，降低施工成本，提高房屋的耐久性与实用性.通过建模分析，模板板块长度、夯筑顺序、密肋支设和铺土厚度4种因素下模板的变形都会对整体结构产生一定的影响.因此，选择最好、最合理的方案，就能节约时间和节约材料，使模板系统发挥到最优[6-7].

1 有限元模型建立

1.1 几何模型

通过利用有限元软件ANSYS-LS-DYNA的实体建模功能，建立等比例夯土墙模板模型，分别以夯土墙模板块长度尺寸120，150，180 cm建立模型计算.由面板和肋板组成的单块板模型如图1a所示，其宽度为20 cm，在模板外侧设置三角支撑架，三角架的两直角边分别与地面和模板肋相连，用于抵抗夯实侧压力，如图1b所示.在空间模型中，横坐标X为沿板块长度方向，纵坐标Y为沿板块高度方向，竖坐标Z为沿模板宽度方向，即变形方向，土体每一层入模、夯筑分别进行模拟.具体模型如图1所示.

考虑夯土墙夯实后的墙体密实程度，这对于模拟分层夯筑时的土体变化非常重要.夯土墙土体采用松散土进行模拟，故选取ANSYS-LS-DYNA中193号材料DP模型进行土体变形模拟，土料参数见表1.

表1 模拟夯土土体基本力学参数

选用普通竹胶模板作为模板面板模拟材料，端面板采用木模板作为模板模拟材料，水平肋、竖向密肋及外三脚架均采用普通Q235钢材作为模拟材料，模拟夯锤采用普通双头铸铁铁锤.构件主要参数见表2.

表2 模型其他构件参数

1.2 动力荷载的施加路径与大小

夯土墙夯筑时模拟夯锤采用尺寸为15cm×15cm×15 cm的铁质锤夯筑土体，夯锤接触土体的时间设定为0.2 s，每一个夯点每次夯筑2锤，夯锤每次夯击时的作用高度为0.5 m，其中接触荷载的大小采用位移荷载，加载方式为20 cm土层在夯锤的夯击作用下下降的深度为2 cm，故而，当土层厚度为100 cm时，土层下降深度为10 cm，依此类推.

以板块长度150 cm为例，将整个土体上表面划分成15 cm×20 cm区格，在每一区格内施加夯锤冲击位移荷载[8]；在每一个水平方向的区格内，先沿夯土墙宽度方向从一段向另一端方向夯实土体，模拟时应保证夯锤匀速、均匀，即每一区格夯筑一次，在夯锤夯实经过一个土体表面后，沿所示路线继续夯筑下一土体位置，具体路径如图2所示.

图2 夯锤夯击路径

2 夯筑夯土墙模板系统侧位移变形分析

为了分析夯土墙模板在夯锤冲击力作用下模板侧向位移的变化规律，选择了板块单块长度、夯筑顺序、密肋设置、土层厚度等4种可能对模板变形产生影响的因素，分别进行有限元模拟并进行对比.由于夯土墙模板夯筑时土体的水平方向相互作用较弱，所以竖向侧位移和侧应力随深度的变化较为复杂，而且随着土层层数的增加，上下层之间也会产生较大的相互影响，故而在分析敏感性因素时，采用ANSYS-LSDYNA模拟整个竖向平面的侧向位移作为评价指标.

2.1 模板板块长度侧位移影响

分别建立板块长度1.2，1.5，1.8 m的3层模板支撑系统模型，所选节点各为模板中段（X=0.6，0.75，0.8 m），综合比较3种不同长度板块的侧位移变形效果，夯锤动力荷载均为自左向右经过土面（见图3）.

由图3可知，整体的变化趋势为自顶端向底端侧向位移逐渐减小，板块竖向中段位置侧向变形小于密肋约束处变形.其中，从图3a中还可以看出，当夯筑一半时，L=1.8m模板侧向位移最大值为0.8 mm，L=1.5，1.2 m的侧向位移最大值分别为1.5，1.4 mm，说明模板块长度越长，最大侧向位移值越小；此外，图3b夯筑末时刻时，位移规律相同.所以在保证密肋和支撑间隔相同的情况下，增大单块模板块长度，不仅可以加快进度，而且可有效限制侧向位移.

图3 不同长度模板板块夯筑进程侧位移曲线

无论直接影响还是土体压缩后变形趋势的间接影响，都随着深度的增加而逐渐减弱，即土体并不会一压到底.从图3也可以看出，无论板块长度为哪一种，当自顶面到30 cm以下时，影响均大幅减小，仅为最大值的20%～30%.故而说明土体变形只是在一定的作用半径内展开，在作用半径内的土体压缩挤密性效果良好；当超出作用半径时，作用较弱，变形压缩较小.由于土体变形是导致模板变形的最主要因素，继而导致模板的侧位移较小；此外，3种长度的板块变形情况相似，表现为板块长度对于模板的侧位移影响非常微弱.这是因为土体在夯筑过程中基本只会发生竖向压密，很难沿长度方向扩展，即说明土体压密对于水平方向的影响较小，竖直方向较大；而且在夯锤作用过的顶面，其相邻位置有夯锤作用时，则该顶面所受侧压力影响较小.

2.2 土体夯筑顺序对模板侧位移的影响

在现浇混凝土结构中，无论是浇筑梁还是浇筑板，浇筑顺序都会对梁、板的强度产生影响.在夯土墙夯筑时，夯筑顺序可能影响模板的工作性能，为了分析这一潜在的敏感性因素，选取3层高度模板系统，板块长度为1.5 m，建立有限元模型，分析板块X=0.75 m时（起始夯筑点所在竖向平面）节点侧位移随夯筑时间的变化曲线，如图4所示.

由图4可知：根据选取时刻的不同，土体对模板产生的侧位移变化也有所不同；随着时间的增加，土体的夯实性也在增大.因此，时间越长，土体对模板产生的侧位移也随着增大；自中间向两端夯筑时，不同时刻下的侧位移变化趋势基本相同，没有较为明显的突变曲线；相反，自一端向另一端夯筑时，初始时刻侧位移曲线相对稳定，到中后期时刻侧位移变化相对较大，曲线有明显的变化趋势.其中，两种不同夯筑顺序下模板侧位移变化规律都是自顶端向底端逐渐减小.同一板块上下两端变形小，中部变形大.当自中间向两端夯筑土体时，该部分土体外侧模板迅速产生较大侧向变形；在初始时刻，最大值接近0.9 mm；随着夯锤移动，该位置模板侧向位移有小幅增大，但整个过程变化缓慢；在夯筑结束后，该位置最大位移数值接近1.3 mm.然而，自一端向另一端夯筑时，同样的位置模板侧向位移最大值接近1.5 mm.因此，同一位置、相同夯筑条件，二者侧位移接近.

由此可知，从中间向两端夯筑在不改变其他条件时，模板变形相对较小，即夯筑路径对模板侧位移产生了相对的影响，其影响程度不大.墙体在夯筑时对模板作用的主要因素是夯锤作用在顶面时所产生的夯击力，当作用位置距离选定模板位置较远时，作用不太明显.

2.3 模板密肋支设对其侧位移的影响

在广大的西北农村地区，夯土墙模板仍停留在版筑阶段，无法使用新型密肋模板块作为支撑单元，也不方便选择外三脚架支撑，而是选择较厚的木质板作为面板，只在整个面板中心位置设立支撑.因此，选择土层厚度为25 cm和单块厚度5 cm，且高度为20 cm的松木模板所组成的夯土墙模板体系.该情况下模板的动力反应状况如图5所示.

图5 密肋支设模板深度方向侧位移曲线

由图5可知，根据时间段的不同，模板有密肋支撑与无密肋支撑位移曲线变化较为明显，有密肋支撑曲线程Z字型趋势，在模板块中部侧位移变化较大，经过密肋支撑处则立即减小为负值.由于有密肋支撑起到了约束作用，从而减小了侧向变形，变形量正负的变化充分证明了密肋支设约束侧压力的变形，其位移自顶端向底端减小.而无密肋支撑模板沿侧向连续变形侧位移逐渐增大，直到土体高度达到40 cm处时逐渐趋于减小，侧位移值明显偏大，其变形最大处均出现在上下两块模板的接缝处；在高度60～20 cm区域，位移始终较大，表现为明显的向外胀开，此时，土体也会产生较大的鼓胀，并且随着夯筑深度的增加，鼓胀会十分明显.当夯筑成型时产生明显的下端宽、两端窄现象，影响使用效果.

因此，有密肋支撑时模板侧位移的变形趋势相对稳定，在应用时能有效对其进行控制；而无密肋支撑时变形较大，夯筑成型后，由于其自身原因不具备夯土墙整体稳定性性能.

2.4 夯土层厚度对模板侧位移的影响

在前面部分讨论了模板自身和夯筑顺序等因素对夯土墙模板系统的变形影响，了解到夯土墙模板结构在构成时，模板块本身具有一定的高度，模拟时都采用高度为20 cm的单块高度，而在夯土墙模板系统中土层的厚度统统选择25 cm.由于土料铺设的上下层缝隙和板块的层间缝隙不重合，为了进一步改善这种状况，现将模拟土层厚度改为20 cm，此时的土层接缝会与模板块缝隙重合.

现模拟在此状态下的模板变形情况，模板板块长度仍为1.5 m，夯筑动力不变.通过模板变形云图可得双缝重合时模板变形曲线，如图6所示.

图6 双缝重合时模板变形曲线

由图6可知，随着时间段的不同，曲线所呈现的位移变化也不同；在初始时刻，位移变化较为稳定；但在接近末时刻时，位移变化较为明显.与前述夯土厚度为25 cm时（两缝不重合）比较，模板系统侧向位移最大值变化不大，曲线也表现出随区格周期性增大减小的趋势，不同之处在于当采用20 cm厚度土层时，同样在40 cm高度处，模板变形量比夯土厚度25 cm时接缝处变形大，比较其他分析处规律亦然.这一结果说明，当“两缝合一”时，会在接缝处产生较大的变形，属于不利的夯土工况，这一结论也说明：当考虑铺设土层厚度时，从夯土墙强度方面考虑，不能使土层铺设太厚，否则无法夯击密实，从而导致强度降低.为了能更好地发挥和利用土与模板之间的优、异，从模板变形角度考虑，应尽量做到错缝.