《Solids》：Comparison of Shape-Dependent Internal Blast Responses of Enclosed Circular and Square Reinforced Concrete Structures Under Progressive Charge Weight Conditions Using Finite Element Analysis
编辑推荐：
摘要
承受内部爆炸荷载的封闭钢筋混凝土（RC）结构是基础设施应用中一个关键的安全问题，因为爆炸可能发生在受限空间内。尽管圆形截面已被广泛采用于抗爆安全壳结构，但在渐进装药量条件下，圆形与方形封闭结构内部爆炸响应的系统性定量比较仍然有限。研究人员在四种三硝基甲
摘要
承受内部爆炸荷载的封闭钢筋混凝土（RC）结构是基础设施应用中一个关键的安全问题，因为爆炸可能发生在受限空间内。尽管圆形截面已被广泛采用于抗爆安全壳结构，但在渐进装药量条件下，圆形与方形封闭结构内部爆炸响应的系统性定量比较仍然有限。研究人员在四种三硝基甲苯（TNT）装药量条件（1200至2500 kg）下进行了LS-DYNA有限元模拟，并将破坏诱发爆炸荷载定义为屋顶或侧墙区域首次出现连续混凝土单元删除时的最小装药量。在本研究中，破坏诱发爆炸荷载被解释为在所采用的经验爆炸荷载框架下基于侵蚀的对比指标，而非绝对的真实世界受限爆炸破坏阈值。两种结构的屋顶破坏诱发爆炸荷载相同，均为1200 kg，而侧墙破坏诱发爆炸荷载分别为圆形结构2500 kg和方形结构1500 kg，表明圆形结构的侧墙抗爆能力约高出67%。该差异归因于曲墙的薄膜作用，该作用沿环向重新分布内部爆炸引起的侧向压力，并限制了面外变形。在2500 kg条件下，方形结构的峰值侧墙位移比圆形结构高161.6%，而其峰值屋顶位移则低33.3%。所有钢筋位置的轴向应变均保持在弹性范围内，证实混凝土损伤由混凝土的低抗拉能力控制，而非钢筋屈服。
**论文解读：封闭圆形与方形钢筋混凝土结构内部爆炸响应对比研究**
**一、研究背景与问题提出**
混凝土结构是建筑和土木基础设施中应用最广泛的结构体系之一。核电站安全壳结构和乏燃料储存建筑等大型关键基础设施通常采用钢筋混凝土（RC）或预应力混凝土（PSC）体系建造，这些结构在常规设计荷载下具有较高的刚度、耐久性和屏蔽能力。然而，当遭受爆炸等短时极端荷载作用时，结构可能经历开裂、剥落、局部损伤和刚度快速退化。内部爆炸荷载尤为关键，因为与外部爆炸不同，爆炸压力在受限空间内可被反复反射和叠加，即使爆炸装药量相同，压力持续时间、冲量和结构响应也可能存在显著差异。
目前，内部爆炸研究面临诸多实验限制。在完全封闭结构中，安装于内表面的压力和应变传感器可能在爆炸后立即被高强度反射压力、碎片和局部结构损伤破坏，导致连续测量内部反射压力和局部结构响应极为困难。因此，以往研究主要采用开口或部分开口条件下的缩尺试件进行内部爆炸加载实验。近年来，数值方法被广泛采用，有限元模型通过缩尺试件或部分开口试验获得的位移-时间历史和损伤模式进行验证，并进一步扩展到更受限的内部爆炸条件。
尽管已有研究涉及RC或PSC管状结构、矩形房间、剪力墙系统、框架结构或多箱体构型，但直接比较截面形状影响——特别是相同材料属性、爆炸位置、壁厚和可比内部空间条件下圆形与方形封闭结构的内部爆炸响应——的研究仍然有限。因此，定量评估截面形状对封闭混凝土结构内部爆炸响应的影响是必要的。该研究基于韩国郁珍Hanul核电站乏燃料储存建筑的全尺寸几何构型，建立了圆形与方形截面的对比分析框架，为评估全尺寸封闭混凝土结构的内部爆炸响应提供基础数值数据。该论文发表在《Solids》期刊上。
**二、主要技术方法**
研究人员建立了基于LS-DYNA（ver. 4.10.）的三维非线性动力分析框架。混凝土采用*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3材料模型，抗压强度设定为27.58 MPa（取自目标结构设计规范）；钢筋采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY模型，通过*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID技术嵌入混凝土实体单元。内部爆炸荷载采用*LOAD_BLAST_ENHANCED关键字施加，爆炸源位于内部空腔几何中心，爆炸类型为球形自由空气爆炸。混凝土单元删除采用*MAT_ADD_EROSION定义的最大压力准则（MXPRES=28.0 MPa）和有效塑性应变准则（EFFEPS=0.5）。圆形与方形结构具有相同的结构高度、壁厚（1750 mm）、材料属性、配筋率、爆炸源位置和边界条件，仅截面形状不同。破坏诱发爆炸荷载定义为屋顶或侧墙区域首次出现连续混凝土单元删除（面连接簇≥2个单元）时的最小TNT装药量。
**三、研究结果**
**3.1 破坏诱发爆炸荷载与敏感性分析**
基于连续单元删除的破坏诱发爆炸荷载评估揭示了明显的形状相关差异。方形结构屋顶区域在1200 kg TNT时装药量下首次出现连续单元删除，侧墙区域在1500 kg时出现；圆形结构屋顶区域同样在1200 kg时装药量下出现连续删除，但侧墙区域在2500 kg时才出现。因此，圆形结构的侧墙破坏诱发爆炸荷载比方形结构高约67%，表明圆形结构具有显著更高的侧墙抗爆能力。该差异归因于曲墙的薄膜作用，即沿环向重新分布内部爆炸引起的侧向压力并限制面外变形。两种结构的屋顶破坏诱发爆炸荷载相同（1200 kg），表明屋顶抗力主要由爆点与内屋顶表面之间的爆距控制，而非截面几何形状。值得注意的是，侧墙损伤区的取向不同：方形结构主要呈水平方向延伸（对应平板的面外弯曲响应），而圆形结构主要呈垂直方向发展（对应曲墙在内部压力下的环向拉伸响应）。
敏感性分析通过独立变化混凝土抗压强度和配筋率±5%进行，结果显示所有峰值位移变化均保持在基线值约3%以内，表明结构响应受材料参数微小变化的影响不显著，形状相关差异主要由截面几何形状控制。
**3.2 渐进内部爆炸荷载下的结构响应对比分析**
损伤模式对比显示，方形结构在渐进装药量下表现出不均匀响应，位移集中在屋顶中心和角部区域，有效应变向屋角扩展并在墙-角连接处产生局部应变集中。圆形结构则在所有荷载阶段保持径向对称和环向均匀的响应模式，有效应变从紧凑的中心分布演变为十字形（+）分布，这归因于屋面板内的正交钢筋网格布置。
位移响应定量比较表明，在2500 kg条件下，圆形结构屋顶中心峰值位移为19.56 mm，侧墙中部位移仅3.62 mm，屋顶-墙体位移比约为5.4；方形结构屋顶中心位移为13.04 mm（比圆形结构低33.3%），侧墙中部位移为9.46 mm（比圆形结构高161.6%），屋顶-墙体位移比约为1.4。位移-时间历史显示，圆形结构屋顶位移在约23.8 ms达到峰值后以阻尼振荡衰减并保留较大残余位移，而侧墙位移在达到峰值后迅速减小；方形结构侧墙位移在整个分析期间保持相对较高水平，反映了平板几何构型在持续内部爆炸压力下有限的侧向抗力。
钢筋应变分析表明，在所有装药量条件和所有钢筋位置，轴向应变均远低于钢筋屈服应变（0.00207），最大观测应变为圆形结构2500 kg时内水平钢筋的2.10×10??，约为屈服应变的10.1%。这证实内部爆炸荷载下的混凝土损伤和单元删除由混凝土的低抗拉能力（ACI 318断裂模量=3.26 MPa）控制，而非钢筋屈服。
**四、讨论与结论**
位移-时间历史分析表明，方形结构屋顶与侧墙位移量级相当，而圆形结构变形以屋顶为主、侧墙变形受限。局部单元压力与位移的耦合响应显示了位置相关的压力需求、延迟变形发展以及回弹式振荡响应。该研究结果与以往内部爆炸研究一致，表明内部爆炸损伤受局部混凝土拉伸损伤控制，几何构型显著影响变形和损伤分布。
研究结论可归纳为：（1）圆形结构侧墙抗爆能力比方形结构高约67%，归因于曲墙的薄膜作用；（2）截面形状影响连续单元删除区的取向和分布；（3）2500 kg时方形结构侧墙位移比圆形结构高161.6%，而屋顶位移低33.3%；（4）所有钢筋保持弹性，混凝土损伤由低抗拉强度控制；（5）敏感性分析确认±5%参数变化不会显著影响响应，形状差异主要由几何因素主导。未来工作应包含全尺寸实验验证以及采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）、计算流体动力学（CFD）或耦合流固耦合（FSI）模拟以显式评估重复冲击波反射、压力累积和准静态压力发展。
