接触爆炸载荷下活性粉末混凝土工字梁的损伤机理与残余承载性能：实验与数值研究

《Journal of Building Engineering》：Damage mechanisms and residual load-carrying performance of reactive powder concrete I-beams under contact blast loading: Experimental and numerical investigations

　　

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  对六种NSC（普通强度混凝土）和UHPC（超高性能混凝土）工字形梁进行了现场接触爆炸试验。
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  经验证的有限元模型再现了爆炸损伤及爆炸后弯曲行为。
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  识别出NSC和UHPC梁具有不同的能量耗散机制。
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  UHPC能够抑制损伤、延缓钢筋失效并保留爆炸后的承载能力。

引言

近年来，由意外爆炸、恐怖袭击和武装冲突造成的工程结构破坏日益频繁，爆炸荷载等极端荷载已成为结构服役安全的主要威胁，可能导致灾难性后果[1]、[2]、[3]。此类爆炸事件不仅会中断结构功能、阻碍应急救援行动，还会造成人员伤亡和巨大的经济损失。在接触爆炸中，爆炸药包直接放置在结构构件表面，导致爆炸能量高度集中释放。这种荷载条件可在极短时间内造成严重的局部损伤，显著降低受影响构件的剩余承载能力，甚至引发局部或整体结构倒塌[4]、[5]。因此，明确受接触爆炸荷载作用的结构构件的损伤机制和爆炸后性能退化，并开发具有高强度、高韧性和良好能量吸收能力的防护材料，对于提高工程结构的抗爆性能至关重要。

现有工程结构抗爆研究主要集中于钢筋混凝土（RC）板、柱和梁。对于RC板，研究主要涉及爆炸引起的振动响应和破坏模式[6]、[7]、[8]；而针对RC柱的研究则主要关注爆炸引起的承载性能退化和结构稳定性变化[9]、[10]、[11]。对于RC梁，实验和数值研究主要考察了动力响应、局部损伤和损伤程度[12]、[13]、[14]、[15]。总体而言，这些研究已对常规RC构件的爆炸响应和破坏特性建立了较为系统的认识。然而，不同截面构型的构件之间，其荷载传递机制和损伤演化可能存在显著差异。工字形构件具有高的承载效率和材料利用率，广泛应用于建筑、桥梁和工业设施中。其上翼缘、腹板和下翼缘在荷载传递和承载中发挥不同作用，导致爆炸引起的局部损伤与整体结构响应之间的相互作用更加复杂^[16]。然而，现有混凝土工字形梁研究主要关注其在爆炸荷载下的动力响应和局部损伤，对爆炸后结构性能的关注有限。特别是，局部损伤对剩余承载能力、刚度、能量吸收能力和破坏模式的影响仍未得到充分理解。

活性粉末混凝土（RPC）是一种与超高性能混凝土（UHPC）密切相关的高性能水泥基复合材料，其特点是基体密实度高、颗粒堆积优化、力学性能优异且损伤容忍度增强，在军民防护结构中受到了越来越多的关注[17]、[18]。大量爆炸试验和数值模拟已被开展，以研究UHPC构件的抗爆性能，包括RPC及其他相关高性能水泥基复合材料。Liang等人^[19]证明，使用UHPC可显著减轻钢-混凝土-钢组合构件的混凝土剥落和剪切损伤；而Das等人^[20]指出，UHPC的高强度基体、高韧性和纤维增强机制是其优异抗爆抗冲击性能的关键贡献因素。进一步研究表明，UHPC可有效减少爆炸引起的变形和局部损伤并延缓损伤扩展[21]、[22]、[23]。这些发现为理解RPC构件的抗爆性能提供了基础。然而，现有研究主要关注UHPC的瞬时爆炸响应和损伤特性，而RPC构件爆炸后的剩余承载性能，尤其是在接触爆炸荷载下，仍未得到充分研究。

除爆炸荷载下的动力响应和损伤特性外，剩余承载性能是评估爆炸后结构安全的关键指标。近年来，基于损伤指数的方法和压力-冲量（P-I）图已被广泛应用于评估RC构件的爆炸损伤。损伤指数通常基于结构变形、破坏状态或剩余承载能力等参数建立，以量化结构损伤程度。Shi等人^[24]建立了RC柱实测固有频率与其竖向承载能力相关损伤指数之间的关系，实现了爆炸后损伤的快速评估。相比之下，P-I图建立了爆炸压力与冲量及相应结构破坏状态之间的关系。近期研究进一步纳入了弯曲和剪切破坏、近场爆炸特性、截面参数和边界条件，以提高其对RC梁爆炸损伤评估的适用性[13]、[25]、[26]。此外，爆炸后加载试验和数值分析可直接评估受损构件的剩余承载性能。Li等人[27]、[28]研究了混凝土填充双层钢管柱爆炸损伤后的剩余轴承载力并建立了相应的预测方程。类似方法也已应用于盾构隧道管片、加固RC板和UHPC填充钢管桥墩的爆炸后性能评估[29]、[30]、[31]。然而，关于混凝土工字形梁爆炸后剩余承载性能的定量研究仍然有限。

为弥补上述研究空白，本研究对不同药量下普通强度混凝土（NSC）和RPC工字形梁进行了现场接触爆炸试验，以比较其破坏模式和损伤特性。基于试验结果，建立了经验证的有限元模型，研究了两类工字形梁的动力响应、能量耗散和钢筋应力演化。随后，对完整和爆炸受损的工字形梁进行了静态弯曲分析，以量化承载能力、刚度和能量吸收能力的退化，以及相关破坏模式的变化。通过两类工字形梁的对比，阐明了RPC在减轻局部爆炸损伤和爆炸后结构性能退化方面的有效性。研究结果可为混凝土工字形梁的抗爆设计、材料选择和爆炸后安全评估提供参考。

章节摘要

试验研究

本节描述了混凝土工字形梁的现场接触爆炸试验，包括试件设计与制作、试验布置以及爆炸后损伤特性。

数值建模与验证

使用非线性显式有限元程序LS-DYNA^[34]模拟了两类钢筋混凝土工字形梁在爆炸荷载及后续静力荷载作用下的全过程响应。3.1节介绍了单元公式与网格尺寸、数值求解策略和加载方案。3.2节给出了本构模型及相应材料参数。3.3节将数值模型与试验结果进行了对比验证。

动力响应与剩余承载性能

为进一步阐明工字形梁在接触爆炸荷载作用下的动力响应及其剩余承载性能的退化，本节从三个方面展开分析：能量耗散、钢筋应力响应和爆炸后静力承载性能。进一步讨论了承受不同药量的六种工字形梁试件的爆炸损伤演化及相应的结构性能退化。

结论

本研究通过现场接触爆炸试验，系统比较了承受不同药量的NSC和RPC工字形梁的破坏模式。随后利用经验证的有限元模型研究了其动力响应，并通过爆炸后静态弯曲分析评估了剩余承载性能的演化。主要结论如下：

• (1)
  试验结果表明，NSC

中的局部冲切损伤

CRediT作者贡献声明

李融：撰写-审阅与编辑，软件。郭彤彤：撰写-审阅与编辑，软件。段文彬：撰写-审阅与编辑，数据整理。李园：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，监督，形式分析，数据整理。林启桐：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，软件，方法论，获取研究资金，概念化。李兆旭：撰写-审阅与编辑，验证，软件

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致谢

本工作由陕西省自然科学基金计划（2024JC-YBMS-321）、中国陕西科学技术协会青年人才基金（20260412）以及国家留学基金委项目（202506560046）资助。

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