落锤冲击作用下钢筋混凝土梁的动态响应

王禹华， 樊江， 王根会， 陈强， 宋敏， 杨晓林,5*

(1.青海大学土木工程学院， 西宁 810016； 2.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司， 兰州 730030；3.兰州交通大学土木工程学院， 兰州 730070； 4.太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所， 太原 030024；5.青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室， 西宁 810016)

钢筋混凝土梁是工程结构的基本构件，具有抗弯性能优异、承载能力高、易于浇筑装配、施工方便的优点。故作为承受自重、人群活载等荷载的主要受力构件，被广泛应用在多种结构形式中。但在实际服役期间，结构除承受常见的静力荷载外，还可能遭受各种极端荷载作用，如地震、冲击、爆炸等。作为重要承载构件的钢筋混凝土梁在这些极端荷载作用下可能会造成严重损伤，甚至发生破坏。因此，研究钢筋混凝土梁在极端荷载作用下的力学性能具有重要意义。

国内外学者对钢筋混凝土构件的抗冲击性能进行了大量研究工作。杨艳敏等[1]采用落锤试验结合数值模拟的方法,分析了不同冲击能量作用下，混凝土梁的破坏特征以及变形能的耗散特征。马志宏等[2]基于试验测试结果分析了纤维增强复合筋混凝土梁的动态响应，给出了广义惯性力的计算方法。李亮等[3]开展了不同钢纤维掺量配筋混凝土梁的抗冲击性能，分析了梁的动态损伤过程及能量耗散特征。赵武超等[4]采用验证的数值模型建立了局部响应阶段梁内力分布的计算方法，探讨了惯性力和负向支座反力影响规律。闫秋实等[5]通过装配式钢筋混凝土梁与现浇混凝土梁的对比试验研究了拼装位置和套筒灌浆杆饱满度对装配式钢筋混凝土梁冲击性能的影响规律。此外，Wongmatar等[6]采用试验与数值模拟相结合的方法研究不同箍筋间距混凝土梁低速冲击行为，发现细长的梁具有较大的位移响应和反力响应，并给出防止梁脆性断裂的装配箍筋方法。Huang等[7]结合试验和数值模拟方法分析了玄武岩筋混凝土梁的动态破坏特征，发现随着冲击速度的增加，该类梁由弯曲破坏逐渐转化为冲剪破坏。梅福林等[8]通过落锤冲击试验研究了不同冲击速度下素混凝土梁和无箍筋轻钢筋混凝土(reinforce concrete,RC)梁的破坏模式及影响因素，发现RC 梁的冲击破坏模式与冲击速度、配筋率相关，随着冲击速度的提高，梁的破坏模式由弯曲破坏转变为剪切破坏模式，当速度较高时发生冲切破坏。马骐等[9]通过落锤冲击试验，研究了L形截面钢管混凝土短柱在受到轴向冲击荷载作用下的受力性能，试验发现冲击力随冲击高度的增加而增加，钢管壁较厚的试件对应的冲击力峰值较大，变形较小，混凝土强度等级对试件的抗冲击性能提升不明显，而强度较大的钢材对构件的抗冲击承载能力提升显著。崔凯等[10]基于Abaqus/Explict有限元软件对不同冲击能量和冲击位置下格构式钢柱的动态响应进行了有限元分析，结果表明随冲击高度的升高，试件的残余侧移增大，抗冲击承载力不断下降，变形破坏由弯曲效应控制；随着冲击高度的增加，冲击力峰值和冲击力持续时间明显增加，并造成更大的残余变形。王银辉等[11]对冲击荷载下的钢筋混凝土梁进行LS-DYNA有限元模拟，分析了冲击初期RC梁的惯性力与内力分布情况。

目前对钢筋混凝土梁的研究主要集中在破坏模式与能量吸收特征等方面，对满足构造配筋和纵筋配筋率混凝土梁的动态响应分析较少。因此，本文以冲击高度为主要变化参数，开展了12根钢筋混凝土梁的落锤冲击试验和3根梁的静态三点弯曲试验，对比静动态荷载下梁试件的破坏模式。基于试验结果分析了冲击荷载作用下的钢筋混凝土梁的破坏形态、跨中冲击力时程、位移时程、钢筋应变及残余挠度随冲击高度变化的规律，以期为冲击荷载作用下钢筋混凝土梁构件的抗冲击分析设计与维修加固提供理论参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验共制作15根尺寸为70 mm×120 mm×950 mm试验梁，每根试验梁均配置纵向受拉钢筋、箍筋和架立钢筋，底部受拉钢筋跨中贴有应变片，用于试验钢筋应变数据的采集。纵向受拉钢筋采用直径为8 mm的HRB400钢筋，架立筋和箍筋采用直径为6 mm的HPB300钢筋，试验梁配筋如图1所示。混凝土材料的强度等级为C35，其配合比如表1所列。试件成型时浇筑6个100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试块，与试验梁同条件养护28 d，测得混凝土试块的平均抗压强度为38.4 MPa，满足试验强度。

图1 梁尺寸及配筋截面图Fig.1 Beam size and reinforcement section

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportions

1.2 静态加载试验

图2 静态三点弯曲试验Fig.2 Static three-point bending test

本试验梁静态加载试验在筑邦综合反力系统上，通过设置支座处的约束螺杆，将加载支座一端设置为固定铰支座，另一端则设置为滚动支座，加载装置如图2所示。试验采用三点弯曲加载方式，对3根梁试件(RC-1、RC-2、RC-3)进行线性静力方式施加荷载。通过安装在加载部位的应变式力传感器和DH3818Y静态应力应变测试分析系统测量加载力的大小，跨中挠度则通过Nikon-D7000数字相机并结合数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)分析得出。

1.3 落锤冲击试验

为探究满足构造配筋混凝土梁的冲击响应过程，对12根钢筋混凝土梁实施落锤冲击试验。冲击试验在DH1506型落锤试验机上进行，试验机高13.5 m，最大冲击速度可达14 m/s以上，锤头质量通过调节配重块可在10～350 kg范围内选取，锤头与配重块中间装有力传感器可获取冲击力的大小，能够满足较大范围冲击能量输入的要求；采用Ispeed 716高速相机以5 kHz的采样频率采集冲击过程，结合DIC软件分析跨中位移，通过DH5922N型动态应变仪测定底部钢筋轴向的应变。试验装置如图3所示。冲击试验前先固定好刚性支座，然后将梁放置在支座上。安装时需将试件的中部位置与平锤头的下落位置对中，以确保落锤的锤头冲击在梁的跨中。试验时可通过控制锤头的升降高度来调节冲击能量。本试验所采用配重块、压电式力传感器、连接螺栓和平锤头的总质量为40 kg，锤头构造如图4所示。锤头下降过程中忽略配重块与导轨之间的摩擦，冲击试验工况如表2所列。

图3 落锤冲击试验Fig.3 Falling weight impact test

图4 锤头构造图Fig.4 Hammer structure drawing

表2 冲击试验加载方案Table 2 Loading scheme of impact test

试验共设置4组不同的冲击高度，每组冲击高度下进行3根钢筋混凝土梁的落锤冲击试验，试验保持整个过程的连续性，确保实验仪器工作状态良好。

2 试验结果及分析

2.1 静态加载试验结果

图5为破坏后的钢筋混凝土梁，梁的下部裂缝主要集中在跨中，均匀且大多垂直于中性轴，因此可以判断静态加载下的钢筋混凝土梁为纯弯破坏。

图5 RC-1试件梁静态加载破坏图Fig.5 Static failure diagram of RC-1 specimen beam

图6 RC-1典型荷载-位移曲线Fig.6 Force-displacement curve of typical specimen RC-1

图7 RC-1不同阶段跨中破坏形态图Fig.7 Diagram of RC-1 mid-span failure pattern at different stages

观察图6所示RC-1典型荷载-位移曲线以及图7 RC-1梁试件不同阶段的跨中破坏形态图。发现加载过程大致可分为四个阶段：①从开始加载到钢筋混凝土梁开裂阶段：此时梁下部受拉区的混凝土还未开裂，梁基本处在弹性工作阶段，荷载-位移曲线基本为直线；②钢筋混凝土梁带裂缝工作阶段：当试件梁开裂后，荷载-位移曲线出现转折，此时曲线上出现许多毛刺，意味着多条裂缝的展开；③钢筋屈服至梁破坏阶段：随着钢筋的屈服，荷载位移曲线出现很大的拐点，此阶段荷载增长缓慢，位移增速加快；④钢筋混凝土梁破坏阶段：此阶段荷载-位移曲线呈一条下降的直线，跨中力逐渐减小的同时位移急剧增大。

2.2 冲击破坏形态

图8 不同冲击高度下钢筋混凝土梁典型冲击破坏形态Fig.8 Typical impact failure modes of reinforced concrete beams at different impact heights

图8给出了不同冲击高度下的钢筋混凝土梁试件受冲击产生最大变形时刻的典型破坏形态。总体上看，梁的破坏主要表现为弯曲/弯剪破坏，发生破坏的部位主要集中在梁试件的跨中。裂缝大多数为斜弯裂缝、垂直与斜弯复合裂缝。从图8中可以看出，试件裂缝的出现形态与冲击高度有一定关系，当冲击高度较小时(h=400 mm，h=600 mm)，试件主要出现斜弯裂缝，裂缝尚未贯穿至梁顶部；当冲击高度较大时(h=800 mm，h=1 000 mm)，试件跨中区域同时出现垂直和斜弯复合裂缝，主裂缝扩展至梁顶部压碎区域，裂缝形状呈“八字形”。

对于RC-A型梁，在0.4 m高度的落锤冲击作用下，破坏模式跟静态三点弯曲试验很像，以弯曲裂缝为主。试件受到冲击后剥落的程度不太严重，受压区混凝土未出现大量飞溅碎片。对于RC-B型梁，在0.6 m高度的落锤冲击作用下，可以明显看到剪切裂纹，通过高速相机可以看到前期的裂纹发展速度要快于0.4 m的落锤冲击。对于RC-C型梁，随着落锤高度的增加，试件底部受拉区裂纹数量明显增多，裂纹宽度也有明显增大。对于RC-D型梁，在1 m高度的落锤冲击作用下，可以看到明显的“八字形”冲切破坏，试件跨中及附近部位破坏严重，在试验现场出现试件严重破坏，碎片飞散的现象。试件由受拉区发展至受压区通长裂缝数量较多，跨中有主裂缝贯通梁截面。通过观察裂缝发展云图，可以发现当落锤接触到试件梁时，梁跨中首先出现一条主裂缝，随着冲击作用的继续，试件梁其他部位再出现一些斜裂缝。

图9为冲击试验过程中，钢筋混凝土梁(B2试件)表面混凝土水平向应变εx的变化情况。从图9中可以看出B2试件在加载过程中表面混凝土应变逐渐增大，裂缝由梁的底部逐渐向上部扩展，33.8 ms时刻试件开始回弹，但在回弹过程中混凝土裂缝并未发生明显的闭合，其表面应变仍以拉应变为主。而钢筋在回弹的过程中起了较大的作用，因此B2试件产生了有限的塑性变形。

图9 不同时刻RC-B2梁试件跨中表面混凝土应变云图Fig.9 Cloud diagram of concrete strain on mid-span surface of RC-B2 beam at different time

2.3 冲击力时程曲线

图10为钢筋混凝土梁在不同冲击高度作用下的平均冲击力时程曲线。由图10可知，冲击力时程曲线形态基本一致，冲击力作用过程大致可分为急剧加载、快速卸载和低幅值震荡三个阶段。随着冲击高度的增加，冲击力峰值显著增大，且明显高于静态加载下的荷载。如冲击高度为400 mm时的冲击力峰值为120.4 kN，而静态加载时的极限荷载为25～29 kN。在冲击荷载作用下，急剧加载和快速卸载阶段的作用时长大致持续0.25 ms,低幅震荡约持续1 ms。比较图10的冲击力作用时长与图11的位移响应时长，可以发现冲击力作用时间明显小于冲击位移作用时长，冲击力作用时长大致在2 ms以内，而冲击位移的响应时长在40 ms以上。因此，可将钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的冲击力响应过程分为加载激励和自由振动两个阶段。

2.4 冲击位移时程分析

试件在冲击高度为400、600、800、1 000 mm时的梁试件平均跨中位移时程曲线如图11所示。试验时采用Ispeed 716高速相机以5 kHz的采样频率采集跨中喷涂散斑区域的数字图像，经数字图像分析软件分析后可得梁跨中的平均位移时程曲线。观察曲线可将梁的位移变化分为加载与恢复两个阶段；在加载阶段，梁的平均跨中位移在30～45 ms的时长范围内由0增加至最大位移，随着冲击高度的增加，位移响应时间变长；在恢复阶段，梁与锤头向上方运动并逐渐分离，该阶段持续时间约80 ms，梁跨中的位移由最大值恢复至残余位移(不可恢复变形)。图11中曲线表明，钢筋混凝土梁的平均跨中最大位移随着冲击高度的增加而增加。在落锤高度为400、600、800、1 000 mm时，梁试件的平均跨中最大响应位移分别为14.76、18.16、24.89、38.64 mm,均显著大于静态加载时峰值荷载对应的位移(平均10.52 mm)；恢复阶段末期，曲线呈水平直线状，此时各冲击高度对应的平均残余位移分别为0.43、2.08、11.51、20.04 mm。由此可见，随着冲击高度的增加，平均跨中残余位移逐级增大，当冲击高度较低时，跨中残余位移增长不明显，而冲击高度较高时，跨中残余位移增长幅度较大，这跟钢筋发生塑性变形的程度有关。

图10 平均冲击力时程曲线Fig.10 Time history curve of mean impact force

图11 平均跨中位移时程曲线Fig.11 Time history curve of mean mid-span displacement

2.5 钢筋应变时程分析

图12 钢筋应变时程曲线Fig.12 Time history curve of steel strain

图12给出的钢筋混凝土梁底部跨中受拉钢筋平均应变时程曲线，可从钢筋变形的方面给出残余位移随冲击位移显著增加的原因。在落锤高度为400 mm和600 mm时，RC-A与RC-B梁试件跨中纵筋平均最大应变为0.034%和0.09%，小于0.2%的屈服应变，这表明在400 mm和600 mm高度冲击时，梁底纵向受拉钢筋并未进入屈服阶段，可认为梁整个钢筋骨架部分尚处于弹性变形阶段，因此梁试件的最终残余位移很小；随着冲击高度的增加，梁底部钢筋逐渐进入屈服阶段，如在800 mm高度冲击荷载作用下，平均最大钢筋应变为0.239%，表明跨中钢筋进入屈服阶段，但维持屈服阶段的时长较小，因此发生了一定的塑性变形，此时梁试件的残余位移显著提高；当冲击高度为1 000 mm时，平均最大钢筋应变0.44%，此时钢筋应变远超过0.2%的屈服应变，并较长时间处于屈服流动状态，可认为钢筋骨架发生了明显的塑性变形，梁试件发生明显的不可恢复性破坏，而此时的跨中残余位移达到20.04 mm，达到400 mm冲击高度下产生的残余位移的46倍。

3 结论

通过分析钢筋混凝土梁在落锤冲击作用下的破坏形态、冲击力、冲击位移和钢筋应变等情况，得出以下结论。

(1)钢筋混凝土梁的动态破坏形态表现为弯剪型破坏，不同于静态加载条件下的弯曲型破坏特征，且随着冲击高度的增加钢筋混凝土梁愈加具有剪切型的破坏特征；混凝土的破坏表现为第一主应变控制的拉伸开裂；基于高速图像采集的应变场分析表明，混凝土裂缝沿着产生最大应变的轨迹从梁底部向梁顶部发展，应变场并未随锤头与梁的脱离而消除。

(2)在锤头与梁作用后的大约2.0 ms的时长内，冲击力完成了急剧加载、快速卸载和低幅值震荡三个阶段，并逐渐消除，而此时梁整体并未产生明显的位移响应；冲击力峰值明显大于静态加载的承载力峰值，且在恒定冲击质量的条件下与冲击高度正相关。

(3)冲击荷载作用下普通钢筋混凝土梁的位移响应可近似分为冲击加载与挠曲变形两个阶段，冲击加载阶段梁未发生明显的竖向位移，而挠曲变形所持续的时长约为冲击力作用时长的40～60倍；钢筋是否进入屈服阶段以及维持屈服的时长显著影响钢筋混凝土梁的最大位移响应以及响应的残余位移大小。