有限厚塊石砌體鋼筋混凝土結構板抗貫穿性能的實驗研究＊

吳 飚，楊建超，劉瑞朝

（總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023）

塊石強度高、易獲取、成本低廉，是一種非常適宜做抗彈體侵徹的防護材料。選擇合理的塊石粒徑、塊石強度、砌筑密實度，并與混凝土結合使用，塊石混凝土將具有良好的抗侵徹性能［1］。張偉鋒等［2］利用LS－DYNA3D軟件對彈體侵徹塊石問題進行了數值模擬，討論了塊石尺寸對侵徹深度的影響，沒有明確給出塊石混凝土的抗侵徹機理，也沒考慮塊石防護層厚度的影響，即將其視為半無限厚介質。

關于有限厚混凝土板的侵徹貫穿問題，已取得了大量研究成果。J.A.Teland［3］對預估彈體侵徹貫穿混凝土板經驗公式做了很好的總結。在理論分析模型方面，X.W.Chen等［4］基于動態空腔膨脹理論和沖塞機理，提出了三階段模型；王明洋等［5］根據侵徹過程中介質的變形和破壞狀態，通過破壞區與徑向裂紋區的能量傳遞關系，得到了侵徹與貫穿問題的比例換算關系，描述了侵徹貫穿過程。這些研究對有限厚混凝土板侵徹貫穿問題的認識提供了幫助。

本文中擬通過有限厚塊石砌體鋼筋混凝土結構抗侵徹實驗，研究塊石尺寸、塊石砌筑方式、塊石鋼筋混凝土結構對其抗侵徹性能的影響及其機理，以期為塊石砌體鋼筋混凝土結構抗貫穿設計提供參考。

1 實 驗

1.1 試 樣

選用的花崗巖塊石抗壓強度為150MPa；砌筑沙漿強度為60MPa；鋼絲抗拉強度為417MPa，鋼絲直徑為1mm，鋼絲網規格為10mm×10mm。

圖1 GBRC靶結構示意圖Fig.1Schematic diagram of GBRC target structure

實驗靶板分為4種類型：（1）花崗巖靶板（G），尺寸為500mm×500mm×50mm；（2）C60鋼絲網混凝土靶板（RC），尺寸為500mm×500mm×100mm，在靶板厚度方向均勻布置4層鋼絲網；（3）花崗巖板與C60鋼絲網混凝土板組合靶（GRC），總厚度為50mm，其中花崗巖板尺寸為500mm×500mm×30mm，鋼絲網混凝土板尺寸為500mm×500mm×20mm，在靶板厚度方向均勻布置2層鋼絲網，2塊板之間由MU60水泥沙漿聯結；（4）不同粒徑花崗巖塊石砌體鋼筋混凝土結構靶（GBRC），總厚度為50 mm，花崗巖塊石之間由MU60水泥沙漿聯結，結構如圖1所示。為了考慮塊石尺寸的影響，這類靶板塊石選用了4種不同的尺寸組合，如表1所示。

表1 不同GBRC靶板中花崗巖塊石的尺寸Table 1Granite block sizes in different GBRC targets

1.2 實驗方法

發射裝置采用口徑為30mm的火炮，彈體材料為優質合金鋼42CrMo，為了考慮彈體材料強度對侵徹的影響，彈體加工時分別進行了調質和淬火處理。調質彈體（P1）材料強度為924MPa。淬火處理彈體（P2）材料強度為1 310MPa，彈頭為卵型，曲徑比為6.5；彈徑為30mm，長徑比為5.7，彈丸質量為0.325kg，彈丸外型見圖2。本實驗中預設彈丸速度為250m／s，實際彈丸速度為204～315m／s。

實驗現場布置如圖3所示，彈丸著靶速度用錫箔靶和電子計時儀測定，彈體入射角設定為70°，靶板置于沙箱前端，沙箱內密填細沙，用于支撐靶板和回收貫穿靶板的彈丸。

圖2 實驗彈丸照片Fig.2Photo of an experimental projectile

圖3 實驗裝置布置示意圖Fig.3Schematic layout of the experimental setup

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

分別用2種強度的彈體進行侵徹實驗，實驗主要參數及結果見表2，表中v為彈丸速度，α為彈丸入射角，β為彈丸偏轉角，σb為彈體材料強度，h為彈丸侵徹深度。

為了將實驗結果與混凝土、鋼筋混凝土板抗貫穿極限厚度進行比較，本文中選用在抗彈體侵徹防護設計中常用的 NDRC公式［3，6］和 Birizuny公式［3，6］進行了計算，結果見表3。

表2 侵徹實驗主要參數及結果Table 2Main parameters and test results of penetration experiments

圖4 不同的靶板侵徹實驗中彈、靶損傷情況Fig.4Damage effects of targets and projectiles in different penetration experiments

表3 侵徹實驗與計算結果Table 3Experimental and computational results for projectiles penetrating targets

從表3中可發現，花崗巖板、花崗巖板與鋼絲網混凝土組合靶、塊石砌體鋼筋混凝土結構靶具有比混凝土和鋼筋混凝土板優良的抗貫穿能力，其中花崗巖板與鋼絲網混凝土組合靶抗貫穿能力最強。設計良好的塊石砌體鋼筋混凝土結構，盡管其整體強度［6］比整塊花崗巖和高強鋼筋混凝土的低得多，但卻具有很好的抗貫穿性能，這種能力甚至超過了整塊花崗巖和高強鋼筋混凝土。

2.2 靶材塑性變形分析

有限厚靶板的強度越高，其抗貫穿能力越強，反之抗貫穿能力越低，但有限厚靶板的抗貫穿能力還與其塑性變形能力密切相關。比較G2和GRC2靶板的抗侵徹實驗結果可以發現，厚度相同的G2和GRC2靶抗高強彈體的貫穿能力差別很大。原因在于：G2靶是花崗巖板，盡管其強度很高，但斷裂韌性差。彈體侵徹時，靶板背面迅速形成震塌剪切錐，隨后彈體一方面推動剪切錐加速向后運動，另一方面彈體在剪切錐內繼續侵徹。由于花崗巖板屬脆性材料，剪切錐形成后迅速脫離母體，致使彈體隨后的侵徹僅在剪切錐內進行。剪切錐脫離母體后失去周圍介質的約束，其抗侵徹能力顯著下降，彈體得以貫穿。GRC2靶是花崗巖板與鋼絲網混凝土靶的組合，盡管彈體侵徹時，在花崗巖板背面也迅速形成了震塌剪切錐，但剪切錐受到背面鋼絲網混凝土板的約束，仍能充分發揮其抗侵徹能力。同時鋼絲網混凝土背板的塑性變形也吸收了部分侵徹動能，彈體最終未能貫穿靶板，見圖5。實驗結果說明高強花崗巖板與具有塑性變形能力的鋼筋混凝土板組合，能充分發揮2種材料的抗侵徹特性，顯著提高靶板的抗貫穿能力。

圖5 GRC2靶抗貫穿的機理Fig.5Mechanism of GRC2target resistance to perforation

2.3 塊石尺度效應分析

由花崗巖塊石砌體鋼筋混凝土結構靶的抗侵徹實驗結果可以看出：其抵抗彈體的貫穿機理與花崗巖板鋼絲網混凝土組合靶的十分相似，均能充分發揮花崗巖塊的高強性能和鋼絲網混凝土的塑性變形特性，具有優良的抗貫穿能力。但花崗巖塊石砌體是由一定尺寸的花崗巖塊石通過水泥沙漿聯結構成，因此其抗貫穿過程又有其特殊性（見圖6）：彈體侵徹花崗巖塊石砌體鋼筋混凝土結構靶時，花崗巖塊石砌體背面迅速形成震塌剪切錐，但該剪切錐由于受塊石和水泥沙漿的分割不能作為整體抵抗彈體侵徹，能抗侵徹的是與彈體接觸的塊石形成的剪切錐。這些剪切錐在背面鋼絲網混凝土板的約束下，發揮著其抗侵徹能力。同時鋼絲網混凝土背板的塑性變形吸收了部分侵徹動能，與花崗巖塊石砌體共同抵抗彈體的貫穿。花崗巖塊石砌體鋼筋混凝土結構靶的抗貫穿特性與塊石強度、塊石尺寸、塊石砌筑方式（包括水泥沙漿強度）、塊石鋼筋混凝土結構形式密切相關。

圖6 GBRC靶抗貫穿機理Fig.6Mechanism of GBRC target resistance to perforation

實驗中發現，花崗巖塊石砌體鋼筋混凝土結構靶正面彈坑尺寸比花崗巖靶、鋼絲混凝土靶和花崗巖鋼絲網混凝土組合靶的正面彈坑尺寸都小。其原因在于花崗巖塊石砌體鋼筋混凝土結構靶中的花崗巖塊石之間有水泥沙漿分隔，花崗巖與水泥沙漿的波阻抗差異較大，花崗巖塊石受到顯著的邊界效應影響。這種影響一方面使彈體在撞擊靶板過程中產生的應力波受到花崗巖塊石四周水泥沙漿界面的反射，削弱了其傳播強度和傳播范圍，從而減小了正面彈坑尺寸；另一方面使有限平面尺寸花崗巖塊石在彈體撞擊過程中的受力狀態發生改變，形成拉－壓應力狀態，加劇了彈體對接觸區靶板的局部破壞。這種邊界效應的影響與塊石平面尺寸、塊石厚度和彈速均有關。塊石厚度和彈速一定時，其影響取決于塊石平面尺寸。塊石平面尺寸越小，影響越大；塊石平面尺寸越大，則影響越小。此外，塊石越大，塊石形成的剪切錐也越大。因此在GBRC1～GBRC4靶板的抗侵徹實驗中發現，隨著花崗巖塊石尺寸的增大，靶板的抗貫穿能力增強。

2.4 彈體強度效應分析

通過實驗還發現，彈體尤其是彈頭在侵徹過程中是否發生變形或破壞對其侵徹能力有重要影響。其原因主要來自3方面：首先，彈體發生變形或破壞將消耗部分侵徹動能，從而減輕了其對靶板材料的破壞；其次，彈頭變形或破壞改變了彈－靶接觸方式，增大了彈－靶接觸面積，增強了靶板對彈體的抵抗力，不利于彈體侵徹；最后，由于彈頭的變形或破壞改變了彈體侵徹方向，導致彈體偏航，減少了其有效侵徹。侵徹過程中彈體的變形破壞與彈速、靶板強度密切相關。

3 結 論

（1）有限厚靶板的強度越高，其抗貫穿能力越強，但有限厚靶板的抗貫穿能力還與其變形能力密切相關。

（2）設計良好的塊石砌體鋼筋混凝土結構，盡管其整體強度比整塊花崗巖和高強鋼筋混凝土的低，但卻具有比它們更優良的抗貫穿性能。

（3）塊石砌體鋼筋混凝土結構的抗貫穿性能，與塊石粒徑、塊石強度、塊石砌筑方式、粘結強度、鋼筋混凝土結構形式密切相關。塊石粒徑越大、塊石強度越高、塊石砌筑越密實、砌筑用水泥沙漿強度越高、鋼筋混凝土背板抗塑性變形能力越強，則塊石砌體鋼筋混凝土結構的抗貫穿性能越好。

（4）彈體在侵徹過程中是否發生變形或破壞與彈體材料強度、彈速、靶板強度（包括靶板中主材強度）密切相關。彈體在侵徹過程中發生變形或破壞，其侵徹貫穿能力將顯著降低。

［1］李曉軍，張殿臣，李清獻，等.常規武器破壞效應與工程防護技術［M］.洛陽：總參工程兵科研三所，2001：134－135.

［2］張偉鋒，崔傳安，龔華棟，等.射彈侵徹不同尺寸塊石遮彈層的數值模擬［J］.淮陰工學院學報，2008，17（3）：46－49.

Zhang Wei－feng，Cui Chuan－an，Gong Hua－dong，et al.The numerical simulation on howitzer penetration rock shelter layer with different dimensions［J］.Journal of Huaiyin Institute of Technology，2008，17（3）：46－49.

［3］Teland J A.Review of empirical equations for missile impact effects on concrete［R］.PB98－170053，1998.

［4］Chen X W，Fan S C，Li Q M.Oblique and normal perforation of concrete targets by a rigid projectile［J］.International Journal of Impact Engineering，2004，30（6）：617－637.

［5］王明洋，戎曉力，錢七虎，等.彈體在巖石中的侵徹與貫穿計算原理［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（11）：1811－1816.

Wang Ming－yang，Rong Xiao－li，Qian Qi－hu，et al.Calculation principle for penetration and perforation of projectiles into rock［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（11）：1811－1816.

［6］Kennedy R P.A review of procedures for the analysis and design of concrete structures to resist missile impact effects［J］.Nuclear Engineering and Design，1976，37（2）：183－203.