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Influence of drop weight geometry and interlayer on impact behavior of RC beams
01研究背景
通过之前PC梁的抗冲击研究发现：落锤的初始倾斜角会引起落锤与梁之间的接触面积的变化，从而会明显地影响冲击力峰值的大小。那除了初始倾斜角还有哪些因素会影响落锤和梁的接触面积呢？我们通过汇总近20年公开文献中较高被引用的RC梁冲击试验中发现了一些有意思的现象。
目前对RC梁的抗冲击性能试验多采用竖向（近似）自由落体的落锤冲击实现，而在这些试验中，不同的研究人员采用了不同的落锤形状，比如平面头、半球形头或者楔形头。另外还发现：有些试验中落锤直接冲击在梁上，有些是在冲击区放置了一些钢板、三合板或者橡胶垫等垫层，放置这些冲击垫层的作用主要可归纳为3点：
- 保持落锤和梁之间平整的接触
- 保证冲击力能够均匀地布置在梁宽度范围内
- 防止冲击区域发生严重的局部损失破坏
图1汇总了近20年较高被引用的RC梁冲击试验中使用的落锤形状和冲击垫层的统计信息（该汇总信息可见论文中表1）。不同的试验装置肯定会导致不同的结果，而采用已有的试验结果直接对比落锤形状和冲击垫层的影响并不现实，因为不同的试验中采用的梁几何尺寸、材料强度、配筋率等都不相同，而这些因素也会对梁的抗冲击性能有影响。因此本文采用相同的RC梁（尺寸，配筋、材料、边界均相同），通过不同的落锤形状冲击梁，分析梁的动态响应；另外采用钢板和橡胶垫对比了不同冲击垫层的影响。
图1. 落锤形状和冲击垫层统计信息
钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的力学行为会明显不同于静力荷载作用。目前已有不少传统RC梁抗冲击的研究，但预制（PC）梁的抗冲击性能还很少，因此本文采用LS-DYNA对PC梁的抗冲击性能进行了一些探讨。图2是本文研究对象PC梁示意图，PC梁在跨中通过后浇混凝土连接，纵筋通过钢套筒连接。
02
落锤形状影响分析
在该小节分析中，采用了5种形状的落锤：半球形、不同半径的曲面头和平头（可理解为半径无限大），如图2所示。
图2. 不同落锤形状的RC梁冲击模型
不同落锤形状的影响
图3是RC梁在不同形状的落锤冲击下的冲击力时程曲线，可以看出还是有比较明显的区别。平头落锤的冲击力峰值最大，主峰值的持时最短，而半球形落锤引起的冲击力峰值最小，持时最长。另外提取落锤和梁之间的接触面积发现，平头落锤的接触面积最大，而随着落锤曲面头的曲面半径增大，落锤和梁之间的接触面积也逐渐增大。可见不同的落锤头会导致不同的接触面积，从而动态加载速率不同，引起梁内的惯性作用也不同。
图3. 不同形状落锤冲击下的冲击力时程
另外落锤形状对梁的破坏形态也有较为明显的影响，如图4所示，半球形的落锤会造成冲击区严重的局部损失，而平头落锤会在梁靠近支座的上部（惯性力导致的负弯矩区）引起较为明显的损伤。
图4. 不同形状落锤冲击引起的破坏形态
考虑初始冲击角度的不同落锤形状的影响
实际试验中由于引导落锤下坠的导轨间的不同摩擦力，或者落锤平台与导轨之间初始间隙不同，或者梁接触面的不平整都可能引起落锤的初始冲击角度，如图5所示。图6是梁在不同落锤以不同初始倾斜角度冲击作用下的冲击力时程曲线。如预期所想，平头落锤对初始角度敏感，而具有曲面的落锤在考虑落锤的初始角度时影响并不明显，因此试验中如果采用平头落锤时，一定要注意是否存在初始冲击角度。
图5. 落锤冲击角度示意图
图6. 不同落锤形状在考虑冲击角度时引起的最大冲击力峰值
03
冲击垫层的影响分析
为了分析不同冲击垫层的影响，本文除了落锤直接冲击在梁上以外，还采用了不同厚度的钢板以及橡胶层作为冲击垫层。图7是对应的有限元模型，采用了平头和半球形落锤。
图7. 冲击垫层的RC梁冲击模型
钢板垫层
钢板厚度从10mm增加为40mm，图8是在2种形状的落锤头作用下，不同钢板厚度对冲击力时程的影响。从2种落锤头的结果中可发现，采用钢板的冲击力峰值会明显高于直接冲击，这是由于钢板的接触刚度会明显高于混凝土。采用平头落锤的算例中，冲击力并不随着钢板厚度增大，而半球形的落锤算例中，可以看出随着钢板厚度的增大，冲击力峰值是有一定的增加，这是因为如果钢板厚度比较薄时，半球形的局部冲击会导致钢板的弯曲，如图9所示。这样冲击力只是局部作用在一定的范围内，并不是均匀的分布在梁宽度范围内，这与放置冲击垫层的第2条目的是不一致的，因此在试验中要使用钢板垫层时，并使用的是接近半球形的曲面落锤时，钢板一定要选择一个合理的厚度。
图8. 考虑钢板垫层的RC梁冲击力时程
图9. 不同厚度钢板垫层变形图
橡胶垫层
在该小节中，选择了2种橡胶类型，这两种橡胶的材性通俗讲就是一个橡胶垫比较软（rubber-1），一个比较硬（rubber-2），具体材料属性可在文章中查看。橡胶垫的厚度为10mm和40mm。图10是对应的冲击力时程曲线。采用rubber可以明显的降低冲击力峰值，但是对应的持时也会增加。具体来讲，橡胶垫越厚越软，冲击力降低地更加明显，而持时会越长，这也导致了实际作用在梁上的冲量会增大，从而梁跨中的位移增大。
图10. 考虑橡胶垫的冲击力时程
另外还发现一个比较有意思的现象，当采用平头落锤并使用比较硬且比较厚的橡胶垫层（rubber-2, 40mm）时，会在冲击区域造成严重的局部损失，甚至会导致梁两侧边缘的混凝土剥落，如图11所示。这是由于橡胶的材料特性所致，在竖向冲击压缩下，橡胶垫会有比较大的横向变形，而混凝土梁会通过摩擦力约束这个变形。这样混凝土在反向摩擦力和竖向冲击力作用下，出现了梁两侧混凝土剥落的现象，这也与放置冲击垫层的第3条目的是不一致的，平头作用下，不合理的橡胶材料硬度和厚度会导致更加明显的局部损失。
图11. RC梁局部损伤
04
结论
本文通过分析不同落锤形状和冲击垫层对梁冲击响应的影响发现：接触刚度跟接触之间的材料特性以及接触面积有直接关系。落锤形状和冲击垫层会对梁的动态响应以及破坏形态有较为明显的影响。采用平头落锤会在最短持时内实现最高的冲击力峰值，加载速率大；而半球形落锤冲击力峰值最低，持时最长，加载速率小。落锤的初始冲击角度会对平头形状有较大影响，而对半球形或者曲面形的落锤影响可忽略。另外采用钢板垫层，会造成更大的冲击力峰值并且持时变短，而采用橡胶垫层冲击力峰值明显降低，但冲击持时变长，进而引起更大的梁跨中位移。
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