爆炸荷载作用下钢筋砼板结构的破坏特性

赵 小 华，王 高 辉，卢 文 波，李 麒，陈 明，严 鹏

（1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072；2.武汉大学 水工岩石力学教育部重点实验室，武汉430072）

爆炸荷载作用下钢筋砼板结构的破坏特性

赵 小 华1，2，王 高 辉1，2，卢 文 波1，2，李 麒1，2，陈 明1，2，严 鹏1，2

（1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072；2.武汉大学 水工岩石力学教育部重点实验室，武汉430072）

钢筋混凝土板结构是军事工程和核电工程中常用的构建物，但爆炸能够对其造成严重的破坏。首先分别建立方形混凝土板、钢筋、空气和TNT三维实体模型，采用Lagrange-euler耦合算法仿真计算近场爆炸作用下方形钢筋混凝土板的抗爆性能，并通过与实验结果的对比验证了耦合模型的可靠性。在此基础上，使用该仿真模型对接触爆炸作用下方形钢筋混凝土板的毁伤特性进行了研究。结果表明：接触爆炸作用下钢筋混凝土板的破坏区域主要集中在板中心处，迎爆面压碎成坑、板中心冲切成孔和下表面的震塌剥落是其主要破坏模式。

数值仿真；钢筋混凝土板；破坏特性；接触爆炸；近场爆炸；爆炸荷载

1 引言

爆炸荷载具有传播速度快、作用时间短、峰值大的特征，因而研究爆炸作用下结构的动态响应过程是一个非常复杂的过程。已有学者通过现场实验和数值仿真对爆炸作用下钢筋混凝土板的动力响应开展了一系列研究，如通过现场实验和数值仿真测试了纤维增强混凝土的抗爆性能并与普通混凝土板进行对比，发现在混凝土中添加一定量的纤维能提高混凝土板的抗爆性能﹝1-4﹞；赵春风﹝5﹞等通过数值仿真研究了内部爆炸荷载作用下混凝土容器的动态响应；TAI﹝6﹞等使用非线性有限元软件研究了爆炸冲击波的传播规律以及钢筋混凝土板的动态响应；SCHENKER﹝7﹞等研究对比了有防护措施和无防护措施的混凝土板的抗爆性能；汪维﹝8﹞等通过现场实验和数值仿真研究了近场爆炸作用下单向支撑钢筋混凝土板的抗爆性能；赵春风和陈健云﹝9﹞使用LSDYNA软件研究了近场爆炸作用下方形钢筋混凝土板的动态响应并与现场实验进行了对比；LI J﹝10﹞通过现场实验研究了接触爆炸作用下高强混凝土板和普通钢筋混凝土板的抗爆性能。但由于问题的复杂性，对于单向支撑条件下钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的毁伤特性的研究还较少。

本文利用AUTODYN软件对单向支撑条件下方形钢筋混凝土板在近场爆炸作用下的抗爆性能进行研究，并将结果与现场实验进行对比以论证模型的可靠性。在此基础上，使用仿真模型对接触爆炸作用下钢筋混凝土板的破坏模式进行进一步的研究，为工程应用和毁伤评估提供参考。

2 混凝土非线性动态损伤本构模型

在爆破荷载的冲击下混凝土材料通常出现应变率效应和压缩效应﹝11﹞，本文采用的RHT模型是RIEDEL﹝12﹞等在HJC模型﹝13-14﹞基础上提出的。为了描述混凝土材料的初始屈服强度、失效强度和残余强度，RHT模型引入了弹性极限面、失效面、残余强度面，如图1所示。

图1 RHT本构模型三个失效面示意图Fig.1 Three failure surfaces of RHT constitutive model

RHT模型失效面方程：

式中：Y*TXC（P）为压缩子午线强度；σ*eq为归一化等效应力；R3（θ）为任意应力角对应的子午线半径和压缩子午线半径之比；FRATE）为应变速率效应函数角隅函数。

RHT弹性极限面方程为：

式中：函数FCAP（P）用于限制静水压力下的弹性偏应力的盖帽函数。

RHT残余强度面方程为：

式中：B为残余失效面常数；M为残余失效面指数，分别取0.7，0.8﹝15﹞。

在当前屈服面介于弹性极限面与最大失效面之间时：

式中：εpl，eq和εplhard，eq分别为当前失效面和最大失效面对应的塑性应变。

RHT本构模型的损伤定义为：

式中：ΔεPL为等效塑性应变增量；εfailurep＝D1（P*-P*spall）D2≥εminf，D1、D2为损伤常数，分别取值为0.015和1.0；εminf为最小失效应变，取值8×10-4﹝15﹞。

3 近场爆炸耦合模型验证

3.1 近场爆炸耦合模型建立

为了验证耦合模型的可靠性，对文献﹝8﹞中所开展的现场实验进行数值模拟再现。实验中，方形钢筋混凝土板边长1 000 mm，厚40 mm，在底部布置单层受力钢筋，钢筋直径为6 mm，间距为75 mm，保护层厚度为10 mm。炸药布置于板正上方400 mm处，炸药质量为0.31 kg。对钢筋混凝土板两端采用钢架固定（见图2）。

由于结构具有对称性，故只需建立混凝土、空气、钢筋和炸药的1/4全耦合模型（见图3）。

为减少计算量，首先使用一维网格对TNT在空气中爆炸及冲击波的传播进行数值仿真计算，当冲击波传播360 mm时，即冲击波即将到达钢筋混凝土板上表面时，使用映射技术将其导入三维模型继续进行计算。其中炸药和空气使用Euler单元，钢筋使用beam单元，混凝土使用Lagrange单元，钢筋和混凝土间使用共节点，混凝土和空气间使用Lagrange-Euler耦合。空气、炸药、钢筋、混凝土网格单元大小分别为20 mm，5 mm，10 mm，10 mm，混凝土板两端面采用固定约束。由于计算6 ms后，板内应力及振动速度均已经衰减到很小值，故本次仿真计算时间为6 ms。空气和TNT状态方程以及材料参数见文献﹝16-17﹞，钢筋状态方程以及材料参数见文献﹝8﹞，钢筋弹性模量为200 GPa，屈服应力为501 MPa。

图2 实验装置及钢筋混凝土板几何尺寸Fig.2 Experimental device and geometry of the reinforced concrete slab

图3 1/4三维仿真模型Fig.3 1/4 Three-dimensional numerical model

3.2 计算结果及与实验对比分析

数值模拟结果如图4所示，近场爆炸荷载作用下钢筋混凝土板迎爆面产生环形裂纹，底面出现层裂剥落破坏，同时板发生整体弯曲破坏，对比分析数值仿真和实验的这三项指标见表1。

图4 仿真结果与实验结果对比Fig.4 Comparison of the numerical and experimental results

表1 仿真结果与实验结果对比Tabel 1 Comparison of the numerical and experimental results

炸药起爆后，板迎爆面受到向下的冲击作用，使得混凝土受到径向拉伸作用，而混凝土抗拉强度较小，故在迎爆面出现环形裂纹，直径为616 mm；当板内的压缩波传至板底面时，压缩波反射形成拉伸波，板底面出现层裂剥落区，层裂剥落区平均直径为165 mm；由于板两端固定，且迎爆面受到冲击波的作用，故导致板出现整体弯曲破坏，最大残留扰度18 mm。

由图4和表1可以看出，仿真计算结果与实验结果吻合较好，能够合理的展现近场爆炸作用下钢筋混凝土板迎爆面的开裂、裂纹的传播、底面的层裂剥落以及板整体弯曲破坏的过程。

4 钢筋砼板的毁伤特性

在已验证的近场爆炸耦合模型的基础上，仅将其模型中的炸药向下移动到钢筋混凝土板上表面正中心位置，其它参数、边界条件、材料模型和状态方程均不变，进行接触爆炸条件下钢筋混凝土板结构的毁伤特性分析。

4.1 接触爆炸毁伤特性分析

钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的毁伤模式如图5所示。在接触爆炸荷载作用下，钢筋混凝土板迎爆面出现了一个直径为406 mm的爆坑，底面形成了一个直径为440 mm的震塌破坏区，同时在板中心造成一个直径为286 mm的贯穿孔洞。

在接触爆炸作用下，爆炸产生的高压冲击波将直接作用在钢筋混凝土板的迎爆面上，而此压力往往高于混凝土抗压强度，因此造成迎爆面出现压碎区，即爆坑的出现；冲击波压力传播到钢筋混凝土板内部后将以压缩波的形式向底面传播，在板底面反射形成的拉伸波导致底面出现震塌剥落区；另外从图5中还可以看出钢筋混凝土板在两固定端分别出现两条较宽的裂缝，这是因为当板受到向下冲击时，将在固定边界处形成较大的拉应力。在接触爆炸作用下钢筋混凝土板的毁伤模式主要为冲压、切破坏和震塌剥落破坏。

图5 接触爆炸作用下钢筋混凝土板的毁伤模式Fig.5 Reinforced concrete response to contact explosion

以上分析表明，在接触爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的主要破坏模式表现为迎爆面的爆坑形成、板中部的冲切成孔和底面的震塌剥落，三种破坏面积平均直径的测量方法如图6所示。

图6 破坏区域测量方法Fig.6 Measurement of the damaged areas

4.2 毁伤特性对比分析

由图4～图5可知，近场爆炸作用下由于起爆位置与板有一定距离，爆炸冲击波经空气传播后作用于整个迎爆面，因此板主要发生整体弯曲破坏，板中心残留扰度为18 mm，并在迎爆面形成大量的环形裂纹。当炸药起爆位置移动到板上表面后，爆炸产生的高压波将直接作用于钢筋混凝土板，造成接触部位出现直径为286 mm冲切孔洞，同时冲击波不经过衰减直接在板内部传播，而板本身较薄，导致底面受到的压缩波并未有明显衰减，从而反射形成较大的拉伸波，导致了底面的震塌破坏，震塌破坏区域平均直径为440 mm。

近场爆炸荷载作用下，钢筋混凝土板主要发生整体弯曲和底面剥落层裂破坏，而接触爆炸作用下，钢筋混凝土板的破坏模式主要为局部冲压、切破坏和底部震塌剥落破坏。

5 结论

（1）数值模拟的钢筋混凝土板近场爆炸破坏与现场实验基本一致，说明建立的近场爆炸耦合模型能够有效地模拟钢筋混凝土板近场爆炸破坏过程。

（2）在接触爆炸作用下，钢筋混凝土板的破坏模式主要为局部冲压、切破坏和底部震塌剥落破坏；非接触爆炸荷载作用下，钢筋混凝土板主要发生整体弯曲和底面剥落层裂破坏。

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Structural damage characteristics of reinforced concrete slab under the explosion loading of contact and close-in

ZHPO Xiao-hua1，2，WPPC Cao-hui1，2，LU Wen-bo1，2，LI Qi1，2，CHEP Ming1，2，YPP Peng1，2
（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Key Laboratory of Rock Mechanics in HydrauIic StructuraI Engineering Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Reinforcement concrete was the principle material for military engineering and nuclear power plant，but the blasting pressure could destroy such structures.A three-dimensional model was created to simulate close-in explosion，and arbitrary Lagrange-Euler coupling interaction was taken into.The concrete，steel bar，air and TNT were modeled with separated modeling method.The reliability of the coupled model was verified by the comparison between the numerical results and the experimental results.Then the damage mechanism and mode of reinforced concrete slab subjected to contact explosion were studied. From this study，it was observed that the main failure mode of the reinforcement concrete slab under contact explosion was punching and spalling.

Numerical simulation；Reinforcement concrete slab；Damage mechanism；Contact explosion；Close-in explosion；Explosion loading

TD235.4＋7

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.013

1006-7051（2016）05-0064-05

2016-05-03

长江科学院开放研究基金资助项目（CKWV2016383/KY）；国家自然科学基金项目（51125037，51509189）；中国博士后科学基金资助项目（2015M572197）；国家重点研发计划项目（2016YFC0402008）

赵小华（1991-），男，博士，从事高坝抗爆安全评价研究。E-mail：zhaoxh2014@126.com

王高辉（1986-），男，讲师，从事高坝抗震和抗爆安全评价及关键技术研究。E-mail：wanggaohui@whu.edu.cn