钢筋混凝土结构抗爆研究现状及进展

摘要：钢筋混凝土结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应是一个比较复杂的过程，而且钢筋混凝土结构的抗爆实验相对较少。大多学者都是通过有限元软件来模拟这一过程，但有限元方法受制于相关理论的发展，例如材料的动态特性、爆炸冲击波与结构相互作用理论、钢筋的粘结滑移理论，以及材料的塑性损伤理论等等。本文系统阐述了钢筋混凝土结构在爆炸荷载作用下的动态响应及破坏模式的相关理论，并提出了需要进一步解决的问题。

关键词：钢筋混凝土结构；爆炸荷载

Abstract: the reinforced concrete structure under impact loading in explosion dynamic response is a complicated process, and reinforced concrete structure of the experiment was relatively small. Most scholars is through the finite element software to simulate the process, but by finite element method, the related theory of development, for example the dynamic characteristic of explosion, material and structure of the shock wave interaction theory, reinforced the bond-slip theory, and material plastic damage theory and so on. This paper introduced the reinforced concrete structure in the explosion load of dynamic response and failure mode of the related theory, and presents some problems of the further solution.

Keywords: reinforced concrete structure; Explosion load

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

一、引 言

由于恐怖袭击（汽车炸弹，等）或者是生活、生产中的疏忽和意外，爆炸时有发生，严重威胁建筑物的安全与稳定以及人民的生命财产安全。比如近些年，阿富汗、伊拉克、以色列、巴勒斯坦等许多国家都发生过影响巨大的恐怖爆炸事件。

二、现有研究成果及存在的主要问题

1、爆炸波与结构相互作用理论

国内外学者对爆炸冲击荷载作用下应力波的传播规律进行了广泛的研究，通过对大量的实验数据进行拟合而得出的诸多经验公式，为实验设计、理论分析和数值模拟结果的比较提供了重要的理论基础。

W.E.Baker等基于大量实验研究提出了不同冲击波形式下的入射波压力与时间关系曲线中的正压力部分的描述方程。美国防护设计手册TM5-1300，根据试验结果给出了压力峰值、正压力持续时间等冲击波参数与折合距离的关系曲线图表，同时也给出了在自由空气爆炸作用下的反射波压力与入射波压力峰值的关系曲线。J.Henrych等]学者通过数值模拟给出自由空气爆炸作用下的压力峰值、预测压力、质点速度峰值、质点加速度峰值和持续时间的拟合公式。贾光辉、王志军、张国伟等]人通过对爆炸过程的分析，运用质量和动量守恒原理，导出了爆炸过程中应力波传播规律。该规律表明随着介质质点距装药中心距离的增大，应力波幅值在衰减，应力波波形在变化，其传播速度也在减小。都浩、李忠献、郝洪应用非线性显式动力分析软件建立了建筑物外部爆炸超压荷载的数值分析模型，分析了网格划分尺寸的大小对爆炸超压荷载计算结果的影响，模拟了建筑物外部的刚性地面上发生爆炸的过程，研究了爆炸冲击波在建筑外部空间中的传播与衰减规律，以及作用在建筑物外表面的爆炸超压荷载的特性，模拟了邻近建筑物对爆炸冲击波的反射和阻挡作用，同时研究了邻近建筑物的几何尺寸和位置等因素对作用在目标建筑物上的爆炸超压荷载的影响。

2、爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构损伤破坏的理论分析

（1）钢筋的动态响应

Rohr I等使用试验和数值模拟的方法研究了高强钢筋在大应变率下的动力性能。林峰等采用静力和高应变率试验系统，研究了等级为HPB235、HRB335和HRB400的建筑钢筋在静载以及应变率为2～80/s下的力学性能,并经过回归分析，给出了以钢筋力学性能特征值为基础的建筑钢筋动态本构模型和Johnson-Cook模型中的参数。由于钢筋材料的静态本构模型较成熟，大多数钢筋材料的动态本构模型是基于已有的静态本构模型，通过引入应变率参数修正得到，比如欧洲国际混凝土委员会（CEB）提出的高应变率下钢筋材料屈服强度的提高系数。林峰等提出的修正三折线钢筋动态本构模型，弹塑性随动强化模型和广泛使用的Johnson-Cook模型等。由此可以看出，当前对钢筋材料的动态本构模型的试验研究工作相对较少，需要更多的试验研究。

（2）混凝土的动态响应

混凝土在动态荷载作用下，其动态特性和损伤特性与静态情况下相差很大。混凝土的动态损伤模型有：1．粘弹性模型：其中具有代表性的粘弹性模型有Maxwell模型和Kelvin模型；2.粘弹性—弹塑性模型：该模型将荷载等效为在较大的静荷载的基础上叠加一个较小的循环动载。3.粘塑性模型，具有代表性的有根据Malvern和Perzyna的基本理论建立的一维过应力模型，及在其基础上发展的三维Perzynall模型及拟线性模型；4.塑性损伤模型：该模型用损伤变量来定义和描述材料的损伤程度和状态，用经典塑性理论来处理材料的不可逆变形。Lee和Fenves基于混凝土的断裂能提出了一种新的循环荷载作用下的混凝土的塑性损伤模型，对于材料的不同损伤状态，分别用受拉和受压损伤两个变量来描述。屈服函数用多个损伤硬化变量来进行修正。

（3）钢筋和混凝土的粘结滑移

钢筋混凝土结构在爆炸荷载作用下，钢筋的粘结滑移不能忽略。影响钢筋与混凝土的粘结因素有：钢筋表面情况、埋长、变形肋的尺寸和位置、混凝土的密实性、混凝土保护层厚度、钢筋间净距等。T.D.Mylreal 和Mains提出了沿钢筋长度上的粘结应力的分布规律。S.Sorotz，Hamad等通过试验研究了变形钢筋肋的尺寸和形状对粘结应力的影响。L.A.Lutz用有限元法分析了握裹层混凝土的应力状态及相应变形。R.Tepferst应用有限元方法重点分析了钢筋横肋附近混凝土咬合齿的应力状态Kemp和Wilhelm对配置箍筋的试件进行了研究，给出了配置箍筋构件的劈裂粘结应力和极限粘结应力，Darwin等学者根据他们多年的研究成果给出了粘结力的计算公式。Esfahani和Rangan在R．Tepfers研究的基础上，结合试验结果给出了普通混凝土和高强度混凝土的劈裂粘结应力计算公式。

（4）钢筋混凝土结构在爆炸荷载作用下的动力响应及损伤

爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应(尤其是破坏模式)的计算与分析是当前抗爆结构等领域重要研究课题。国外许多专家学者都在从事着结构及构件的动态响应方面的研究工作，做了很多相关的试验与理论分析。

钢筋混凝土结构在爆炸荷载作用可能发生弯曲破坏、剪切破坏或弯剪破坏。弯曲破坏通常表现为钢筋的屈服、拉断以及受压区混凝土的压碎；剪切破坏通常表现为支座处发生直剪破坏或剪跨区发生斜剪破坏。数值模拟结果表明，在爆炸荷载作用下，以上三种破坏模式均有可能发生。

压力—冲量曲线，即P-I曲线，常用来对结构构件在爆炸冲击荷载作用下的损伤进行评估。国内外对于结构构件的P-I曲线的研究由来已久，并取得了一定的成果。P-I曲线能够简单的通过爆炸荷载的超压峰值和爆炸荷载的冲量大小来确定结构构件的损伤程度。不同的文献对损伤程度的划分不一样，大致分为：未破坏、轻微破坏、严重破坏、彻底破坏。目前常用的破坏准则有结构中最大位移、最大应力、最大应变和剩余承载力。以上破坏准则都有其局限性，例如最大位移，不同的破坏模式，相同的最大位移所对应的破坏程度相差较大，所以如何确定一个能够全面、准确的反应破坏程度的破坏准则至关重要。

目前，绘制钢筋混凝土结构的P-I曲线有试验方法，数值方法，和解析方法。在解析方法中[27-29]，通常将结构构件简化为单自由度体系，但单自由度体系仅能代表结构某阶模态的响应，因此，简化为单自由度体系对于分析爆炸荷载作用下构件的动力行为可能并不合适。试验方法是通过试验得到结构构件在一系列爆炸荷载作用下的损伤程度，将各个损伤程度对应的爆炸荷载点绘制到P-I空间中，然后根据这些点通过曲线拟合方法得到某一特定损伤程度对应的结构构件的P-I曲线。试验法是得到结构构件P-I曲线的精确方法。但实验法需要大量的实验数据，实验经费巨大。数值方法与试验方法相比有着经济、高效、可重复性高等优点，缺点则是数值模拟的准确性受到材料模型及破坏理论的限制。同时，数值方法同样需要很大量的数据点，虽然不需耗资巨大，但需要较多的计算时间和复杂的计算。

三、需要进一步研究的几个问题

尽管近年来，学者们对钢筋混凝土结构的抗爆及加固方法有了较多的研究，但仍然存在许多问题。

首先，理论分析中都是单独考虑钢筋和混凝土的材料特性，其实钢筋在混凝土中的材料特性不同于裸筋的单轴拉伸和压缩的应力应变关系[64]，结构的延性对承载力的影响、钢筋的粘结滑移、混凝土的剥落、钢筋对混凝土整体性的影响考虑的相对较少；而且混凝土动态损伤本构模型的研究主要基于混凝土单轴动态损伤特性，有些损伤模型的推导是建立在静态损伤模型的基础上，缺乏足够的试验验证；大多数混凝土动态损伤本构模型研究的主要内容都是混凝土在一次荷载作用下的应变率效应损伤演化问题，没有考虑动态荷载历史及动态周期荷载作用下疲劳累积损伤演化问题。因此，要建立合理的动态损伤演化方程和损伤本构模型，既要考虑动态荷载的应变率效应损伤问题，也要考虑周期性荷载的疲劳累积损伤问题。

其次，在数值模拟研究方面，虽然近年来有较多研究成果，但在数值计算模型的准确性、拓宽构件抗爆动力性能的研究范围以及简化数值计算模型方面，仍然需要进一步总结一些对实际工程有指导意义的规律。

再次，国内外在钢筋混凝土结构抗爆方面的实验较少。结构在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏形态大多根据数值模拟来确定，但数值模拟的结果受材料本构关系、损伤模型、材料的破坏准则等条件的影响。实验，一方面能够检验数值模拟结果的正确性，另一方面，能够更好的确定影响结构破坏形态及抗爆性能的因素，为丰富结构抗爆理论提供依据。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。