应变率对内部爆炸作用下缩放钢筋混凝土框架损伤相似性的影响及其修正方法

《Journal of Building Engineering》：Strain Rate Effects on Damage Similarity in Scaled RC Frames under Internal Explosion and Its Correction Method

应变率效应对缩比RC框架结构内部爆炸损伤相似性的影响及修正系数研究，通过1:1、1:2、1:3比例爆炸试验与数值模拟，提出考虑应变率效应的TNT当量缩放系数，实验表明当缩比系数≥0.4且满足非接触式爆炸条件时，模型失效特征与原型具有强相似性。

　　

邵帅|徐向云|任旺军|郭斌

中国人民解放军军事科学院国防工程研究所，北京100080，中国

摘要

在大幅度缩放的条件下，应变率效应成为导致钢筋混凝土（RC）框架内部爆炸（IE）测试结果与全尺寸结构响应之间差异的关键因素。通过IE测试和传统的尺寸分析，本研究探讨了应变率效应对缩放RC框架结构爆炸损伤的影响。基于这些分析，开发了一个TNT荷载缩放系数，用于设计缩放框架结构测试。数值模拟验证了该系数在预测全尺寸框架结构爆炸响应方面的有效性。研究结果表明，在不考虑应变率效应的情况下，1/2和1/3比例模型的破坏模式与原型有显著差异。应用修正因子后，当满足非接触式IE的条件且缩放因子不小于0.4时，缩放模型的破坏特性与原型结构表现出很强的相似性。仍需进一步的工作来扩展这一结论在更广泛爆炸场景中的有效性。

引言

RC框架结构在IE载荷下容易受到严重损坏。封闭空间内冲击波的反射和叠加形成了极其复杂的加载环境[1]、[2]。在爆炸能量被限制且无法快速向外扩散的情况下，结构会在短时间内承受高压，从而显著增加损坏程度[3]、[4]。因此，理解RC框架结构在这种IE加载条件下的破坏机制在防护工程领域至关重要。

由于财务、时间和实际限制，对框架结构进行全尺寸爆炸测试存在重大挑战。因此，缩放实验已成为研究大型建筑结构爆炸响应的首选方法[5]。为了保持缩放模型与其全尺寸对应物在关键物理现象上的一致性，模型设计必须遵循相似性理论。尽管付出了这些努力，但在缩放测试设计中实现所有参数的精确相似性仍然具有挑战性。在缩放比例较小的情况下，会发生变形，从而降低从缩放模型响应推断全尺寸行为的可靠性。在这些变形中，应变率效应尤为关键，使得基于经典相似性定律预测原型响应变得不可靠[6]。例如，傅等人[7]基于尺寸分析对大跨度空间钢结构进行了缩放IE测试，他们的发现表明应变率效应对钢材的响应动态有显著影响。同样，姚等人[8]对不同比例的钢箱结构进行了IE测试，强调了应变率效应是影响动态响应预测准确性的关键因素。因此，研究人员提出了多种修正策略，包括调整冲击速度、修改TNT当量值以及应用指数修正方法来考虑应变率的影响[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。

与钢结构相比，作为复合材料的RC存在更为复杂的相似性问题。例如，张等人[15]对缩放比为0.8和0.6的RC梁进行了爆炸测试，发现较大梁的损坏更为严重，且其位移响应不符合预期的相似性关系。王等人[16]对RC板进行了爆炸测试，观察到缩放模型中出现了尺度硬化现象。孔等人[17]提出了一种考虑应变率效应的RC构件破坏相似性定律，通过修改TNT缩放距离来实现。然而，这项研究仅限于单个构件。RC框架结构在IE下的整体行为涉及多个构件之间的复杂相互作用，这些构件可能受到高度可变的应变率水平的影响；它们不同的应变率敏感性加剧了准确预测响应的难度。值得注意的是，黄等人[18]、[19]、[20]、[21]、[22]提出了一种基于无量纲损伤数的创新方法来处理应变率的变化。然而，这种方法仅适用于特定的破坏模式，其修正过程依赖于预测的应变率时间线。实际结构中应变率的分布表现出显著的时空变异性，这限制了该方法在RC框架系统中的直接适用性。此外，在IE场景中，封闭空间内可能会形成准静态压力场，导致靠近爆炸源的构件响应主要受脉冲载荷控制。目前，尚不清楚应变率效应如何影响缩放RC框架响应的相似性，相关实验数据也很匮乏。在建立相似性标准时，必须开发一个以脉冲载荷为主要参数的尺寸分析框架，并纳入应变率修正，以确保缩放模型与原型之间的破坏行为等效。

为应对这些挑战，本研究设计了1:1、1:2和1:3缩放比的RC框架结构IE测试，采用了传统的尺寸分析方法。通过分析不同缩放模型中的破坏指标，本研究探讨了应变率对框架结构IE破坏相似性的影响。以承受显著载荷的板作为主要分析对象，基于构件的相似性定律被大致扩展到整个框架。在此基础上，推导出了一个考虑应变率效应的TNT当量损伤缩放系数。结合SALE算法和3D爆炸波映射技术，建立了一种高效的RC框架IE模拟方法。通过不同比例RC框架的爆炸响应模拟，验证了所提出的TNT修正因子的有效性。

部分摘录

尺寸分析

在传统的尺寸分析中（不包括材料应变率效应），根据具体研究条件选择关键影响因素。结构表面反射的峰值超压被作为爆炸载荷的主要参数。假设缩放模型和原型具有相同的初始状态和边界条件，相关参数详细列于表1中。

RC构件的最大跨中挠度表示为

考虑应变率效应的缩放律修正方法

在非接触式IE条件下，RC板的承载面积较大，通常比其他构件遭受更严重的损坏。由于板的动态响应，其他构件也会出现不同程度的位移。因此，RC框架结构的整体破坏相似性可以通过为RC板建立的破坏相似性标准来近似描述。

有限元模型的建立

图1所示的框架结构使用LS_DYNA软件进行了建模。为了在保持准确性的同时优化计算资源的使用，将SALE方法与三维映射技术相结合。图16(a)所示的二维空气网格模型采用体积填充方法构建圆柱形TNT模型。5毫米分辨率的精细流体网格确保了计算的精度。沿对称边界实施了

结论

本研究分析了传统尺寸分析在评估框架结构损伤相似性方面的不足。因此，通过将应变率对关键材料的影响纳入尺寸分析框架，重新制定了TNT荷载缩放系数。经过数值模拟验证，得出了以下见解：

(1)

在涉及RC框架结构的非接触式IE测试中，砖墙遭受了

CRediT作者贡献声明

郭斌：软件开发。任旺军：写作 – 审稿与编辑。徐向云：方法论、概念化。邵帅：写作 – 原始草稿

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。