多层复合约束结构（MLCCSs）在内爆荷载下的参数化分析与考虑Mode I/II转变的泡沫混凝土夹层简化设计方法

《Buildings》：Parametric Analysis and Simplified Design Method for Multi-Layer Composite Confinement Structures Under Internal Blast Loading

　　

多层复合约束结构（MLCCSs）对于容纳意外内部爆炸至关重要，但传统设计方法无法刻画其三层荷载重分布机制。基于经过验证的流固耦合（FSI）模型，本研究考察了在3 kg和5 kg TNT装药下的四个关键参数（泡沫混凝土屈服强度、夹层厚度、内层配筋率和内层厚度），并建立了内爆作用下带泡沫混凝土夹层的MLCCSs简化设计方法。研究发现，泡沫屈服强度是控制Mode I/II转变的最关键参数：提高该值可减小内层位移，但会增加外层过早屈服的风险，从而挑战了传统“越强越好”的设计理念，并为泡沫屈服强度建立了上下限。该方法由刚塑性内层模型和泡沫夹层的荷载可控性机制推导而来，给出了内层最大位移、所需最小夹层厚度和外层峰值环向应变的闭式表达式。内层最大位移得到定量验证，平均绝对误差为9.50%；其余三个输出与数值结果进行了一致性检验；由于Mode I/II阈值由同一数值数据集标定，此一致性检验属于内部自一致性检验，而非对应变预测的独立验证。提出了包含Mode I/II判据的分步设计流程，并在一个构型不属于标定工况的前瞻性设计算例中进行了演示。该研究为MLCCSs初步设计提供了一种快速筛选工具。

论文主体解读

研究背景与问题：内爆作用下，单层钢筋混凝土（RC，reinforced concrete）约束结构易发生剥落、开裂甚至穿孔，破坏气密性并引发次生灾害。多层复合约束结构（MLCCSs，multi-layer composite confinement structures）通常由RC内层、吸能夹层（如泡沫混凝土或铝泡沫）和RC外层组成，目标是在内层受控塑性变形时保持外层弹性，从而维持整体完整性和气密性。蜂窝材料作为吸能夹层已有广泛研究，Fang et al. 提出泡沫混凝土“荷载可控性”理念，Yang et al.、Shi et al.等也给出相关模型。内爆荷载因约束压力积聚与多次波反射而不同于自由场。现有研究多集中于平面构型或外爆，对圆柱RC-泡沫-RC约束结构在内爆下的系统参数研究缺乏；传统单自由度（SDOF，single-degree-of-freedom）或UFC方法不能描述三层荷载重分布和Mode I/II判据。研究人员前期实验和数值研究识别了Mode I/II破坏，但未进行系统参数扫描，也未提出设计简化方法。因此，本研究旨在建立针对泡沫混凝土夹层MLCCSs的简化设计方法。

研究开展、结论与意义：基于已验证的流固耦合（FSI，fluid–structure interaction）模型，研究人员在3 kg和5 kg TNT下考察泡沫混凝土屈服强度σ_p、夹层厚度h_f、内层配筋率φ和内层厚度h_i四个参数，提出由刚塑性内层模型和泡沫荷载可控机制导出的闭式设计方法，给出内层最大位移w_max、最小夹层厚度h_f,min和外层峰值环向应变ε_θ,peak，并建立含Mode I/II判据的分步流程。结论表明σ_p最关键，存在上下限，纠正“越强越好”的设计理念；方法可作为初步设计快速筛选工具。

关键技术方法（≤250字）：研究人员采用LS-DYNA显式动力分析建立圆柱MLCCSs的1/8对称FSI模型，Euler-Lagrangian耦合采用CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID算法；空气和TNT为Euler多物质，RC层和泡沫为Lagrangian。TNT用Jones–Wilkins–Lee（JWL）状态方程（EOS，equation of state），空气用线性多项式EOS；RC用MAT_072R3并考虑Malvar–Ross应变率增强，泡沫用*MAT_CRUSHABLE_FOAM。模型几何基线为R_i=0.5 m、L=5 m、h_i=h_o=175 mm、h_f=150 mm，径向网格近爆心5 mm。该模型以研究人员前期泡沫混凝土夹层MLCCS内爆试验为校准来源，对0.15–0.80 kg TNT响应误差约9.3%，可复现Mode I/II转变。参数研究在3 kg和5 kg TNT下变化σ_p=1.0–2.5 MPa、h_f=150–200 mm、φ=1%–3%、h_i=175–225 mm。

研究结果：
2.1 数值模型概述：通过已验证FSI模型给出几何、材料、边界和验证结果，为参数分析和简化设计提供可靠数值基础。
2.2 泡沫混凝土屈服强度影响：在σ_p=1.0、1.5、2.0、2.5 MPa及3/5 kg TNT下，σ_p影响位移、压力和破坏模式。
2.2.1 对径向位移影响：内层峰值位移随σ_p增大而减小，3 kg下减小有限，5 kg下显著；外层峰值位移反而增大，5 kg、σ_p=2.5 MPa时外层先塑性，转入Mode II。
2.2.2 对夹层接触压力影响：泡沫硬化前，内外界面峰压约等于σ_p，符合荷载可控性；传至外层压力随σ_p近线性增加。
2.2.3 泡沫屈服强度上限：过高σ_p使外层先于内层达到变形极限而屈服，故需设上限；该上限由外层弹性能力控制，并纳入迭代设计流程。
2.3 夹层厚度影响：h_f=150、175、200 mm。
2.3.1 对径向位移影响：内层位移几乎不变；外层峰值略降，但达峰时间延迟。
2.3.2 对接触压力影响：峰压基本不变，外界面压力起始、峰值和终止时间随厚度增加而延迟。
2.3.3 最小夹层厚度：过薄会导致泡沫密实硬化、传递压力超过σ_p并可能触发Mode II，因此存在最小厚度；超过该值收益递减。
2.4 内层配筋率影响：φ=1%、2%、3%。
2.4.1 对径向位移影响：φ增大显著降低内层位移，并降低外层位移。
2.4.2 对接触压力影响：峰压变化小，但接触压力持续时间缩短。
2.5 内层厚度影响：h_i=175、200、225 mm。
2.5.1 对径向位移影响：h_i增大显著降低内层位移，并中等降低外层位移，小药量下外层降低更明显。
2.5.2 对接触压力影响：3 kg下峰压和持续时间均降低；5 kg下峰压基本不变而持续时间缩短。
2.6 参数结果总结：σ_p是控制Mode I/II最关键参数，受外层弹性上限和最小夹层厚度下限双重限制；h_f决定防密实裕度；φ和h_i为次级调节变量。
3 简化设计方法与验证
3.1 结构响应特征：顺序层运动、外层弹性要求、泡沫荷载可控、平面应变主导、泡沫大面积塑性化。
3.2 简化方法推导：包括基本假设、内层初始速度、运动方程、最大内层位移、内层塑性膜抗力、防密实最小夹层厚度和外层弹性响应，给出闭式表达式。
3.3 分步设计流程：11步，从输入、冲量、初始速度、准静态气压、膜抗力、位移、内层判据、最小厚度、外层应变、Mode I判据到输出参数。
3.4 数值评估：5个5 kg TNT工况下，w_max平均绝对误差9.50%，最大14.3%，±15%为内部工作容差；其他输出与数值结果做一致性检验，应变平均偏差约20%，Mode I/II分类一致；因阈值同源标定，该检验为内部自一致性检验而非独立验证。
3.5 前瞻设计示例与数值评估：在非标定构型中，流程选σ_p=1.0 MPa、h_f=175 mm；w_max=26.64 mm，h_f,min=53.1 mm，ε_θ,peak=330 με小于ε_allowable=800 με，σ_p,max=2.43 MPa，利用要求给出σ_p≤1.11 MPa；FSI给出内层位移24.96 mm，预测高约7%，无密实，外层弹性，Mode I。
3.5.1 设计简介与优化准则：以最小泡沫等级满足内层充分利用、防密实和外层弹性。
3.5.2 设计流程执行：给出中间量，最终σ_p=1.0 MPa，h_f=175 mm。
3.5.3 所得设计数值评估：与同框架FSI比较，内层位移偏差约7%，无密实，外层弹性。
3.5.4 设计结果评述：设计受内层利用要求控制，外层有2.4倍裕度；w_max略高于w_allow=25.0 mm，内层充分但不过度利用。

讨论总结：
4.1 适用性：方法基于物理，无特定几何拟合系数，但仅在R_i=0.5 m、3–5 kg TNT等范围内评估；超出需重标定冲量、准静态气压和材料动力增强；无量纲群可能推广但未数值验证。
4.2 局限与不确定性：刚塑性内层、瞬时冲量传递、均匀泡沫屈服、准静态气压近似、单次爆炸、单参数变化、固定动力增强因子；小位移时低估可能非保守，最终需数值验证。
4.3 与现有方法比较：SDOF不能描述三层重分布和Mode I/II，所提方法可减少计算时间从小时到秒。
4.4 工程启示：σ_p最关键，过强使外层成弱点；最小厚度后增厚低效，应调σ_p和内层配筋率。
4.5 增强策略：增加外层厚度、采用高强/纤维混凝土、外层预应力、优化夹层性能。
4.6 未来工作：其他几何、多参数耦合、其他夹层材料、多击、概率设计。

研究结论翻译：本文对内爆下带泡沫混凝土夹层的MLCCSs进行了系统参数分析和简化设计方法研究。参数分析量化了四个关键参数影响，其中σ_p是控制Mode I/II转变的最关键参数：提高σ_p可减小内层位移，但增大外层位移和传递能量；超过阈值后，结构由期望的Mode I转为不利的Mode II。该阈值由外层RC弹性能力和装药量共同控制，大装药量降低临界σ_p，更强外层可提高临界值。h_f对位移峰值影响很小，但决定外层响应时序和防泡沫密实裕度；φ和h_i为次级调节变量，可降低内外层位移。研究人员提出新的闭式简化设计方法，首次将复杂三层荷载重分布机制转化为工程设计工具，给出w_max、h_f,min和ε_θ,peak，并建立含Mode I/II判据的分步流程；核心假设包括平面应变刚塑性内层、具有荷载可控性的刚塑性泡沫夹层、弹性外层和瞬时冲量传递。对5个5 kg TNT工况的数值评估表明，内层最大位移平均绝对误差为9.50%，±15%为内部工作容差而非验收标准；由于Mode I/II阈值由同一数值数据集标定，模式分类一致属于内部自一致性检验，并非应变预测的独立定量验证。方法对大变形工况倾向高估位移，对设计偏保守；对小变形工况可能低估，但仍在可接受范围内。前瞻设计流程在非评估集构型中选σ_p=1.0 MPa和h_f=175 mm，满足内层利用、防密实和外层弹性约束。工程意义在于纠正更强夹层始终更好的误解，指出超过临界σ_p后外层成为薄弱环节，且达到最小厚度后继续增厚效率低；所提方法可将计算成本由小时级FSI模拟降至秒级，用于初步设计和参数筛选。需注意，该方法尚未独立验证，定量结论主要限于内层位移，其他输出仅做一致性检验；未来需独立实验验证，并开展多参数耦合评估，最终设计应由详细模拟或试验确认。