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Dynamic response of precast concrete beam with wet connection subjectedto impact loads
01研究背景
随着建筑工业化的发展，为了提高生产效率节约能源，并提高和保证建筑工程质量，装配式结构在实际工程中的应用越来越多。装配式构件通常是提前在预制工厂制作好，再运送到施工现场完成结构的拼装。常见的预制构件连接方式有：后浇混凝土、钢连接件和预应力筋。在实际工程中，为了实现与传统现浇钢筋混凝土结构等强度设计，后浇混凝土是连接预制构件最为常见的方式。图1 是新西兰基督城一个装配式结构施工现场，预制梁通过后浇混凝土连接，从而保证了梁柱节点的整体性。
图1. 新西兰基督城装配式结构施工现场（by Park, R., 2002）
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。目前已有不少现浇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。
图2. PC梁示意图
02
有限元模型
图3是采用LS-DYNA建立了PC梁的有限元模型，通过PC梁的冲击试验验证了有限元模型的准确性。
图3. PC梁有限元模型
在数模中值得注意的是：预制混凝土和后浇混凝土之间的交界面以及连接纵筋的套筒是2个区别于RC梁的点。在本文的数值模型中，交接面采用了10mm厚的实体单元模拟，交界面的强度取后浇混凝土和预制混凝土强度的最小值。为了模拟交界面的失效，给交界面设置了基于最大主应变的单元删除准则（交界面的模拟还值得进一步探讨）。图4是套筒模型的简化图，连接纵筋的套筒等效为梁单元模拟，该位置的梁单元截面与套筒的实际截面面积一致。
图4. 套筒示意图
03
RC梁和PC梁对比
通过对比相同几何尺寸和配筋率的RC梁和PC梁在相同冲击能量作用下发现：RC梁和PC梁的冲击力时程，跨中位移，支座反力，惯性力分布，以及关键截面的弯矩和剪力基本一致，基本实现了等强度设计。但PC梁中薄弱的交界面以及跨中连接纵筋的套筒导致了不均匀的刚度分布，从而PC梁与RC梁的破坏形态表现出一些差异，如图5所示。
图5. PC梁与RC梁破坏对比
04
参数分析
此外本文还对PC梁进行了参数分析，包括冲击能量，平头落锤的初始冲击角度和混凝土强度。
冲击能量
一般单一地增加落锤的冲击质量和冲击速度，都会提高对梁输入的冲击能量，从而作用在梁上的冲击力会增大，梁跨中的位移也会增大。但是在保持输入的冲击能量相等，调整不同的冲击质量和冲击速度的组合，本文发现：重锤慢击（落锤质量最大，速度最小）会导致梁跨中的位移最大，而施加在梁上的冲击力最小；轻锤快击（锤质量最小，速度最大）使得施加在梁上的冲击力最大，而跨中位移最小。
冲击角度
之所以做这个参数分析，是因为在数值模型验证时发现，平头的落锤对初始角度比较敏感，轻微的角度会导致冲击力峰值出现明显的下降，但是却对跨中位移影响很小。实际试验中由于落锤导轨的不同摩擦力或者接触面的不平整都可能引起初始的冲击角度，如图6所示。通过提取和分析落锤和梁的接触面积发现，这个冲击角度的问题归到根源是由于接触面积的变化引起的（我们后续的研究中还会继续探讨）。
图6. 落锤冲击角度示意图
混凝土强度
在预制结构抗震设计中，fib规定后浇混凝土（CICP）的强度要跟预制混凝土强度比较接近，而ACI550.2R-13规定后浇混凝土的强度不能低于预制混凝土强度。因此我们分析了不同的预制混凝土和后浇混凝土的强度关系对PC梁抗冲击性能的影响。图7是在本文中考虑的两种混凝土强度关系的工况。
图7. 混凝土强度关系
由于冲击力峰值主要受局部接触刚度的影响，因此在这两种工况中，冲击力峰值都随着后浇混凝土强度的增大而提高。而梁跨中位移由整体刚度决定，因此在相同的预制混凝土强度下，PC梁的跨中位移受后浇混凝土强度改变的影响比较小。
05
结论
本文通过数值计算，对比了现浇RC梁和预制PC梁在竖向冲击作用下的动力响应，并对一些影响PC梁动力响应的参数进行讨论分析。PC梁与RC在冲击荷载作用下的动力响应比较接近，但是PC梁中薄弱的交界面以及跨中增强的套筒使得PC梁与RC梁和的破坏形态表现出一些差异；相同输入能量下，重锤慢击和轻锤重击会引起PC梁不同的动态响应；另外平头的落锤对初始倾斜角度比较敏感；提高后浇混凝土强度值对PC梁跨中的位移影响比较小。
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