接觸爆炸荷載對鋼筋混凝土梁的局部毀傷效應*

王輝明，劉 飛，晏麓暉，汪劍輝，尚 偉,4，呂林梅

（1.國防科技大學空天科學學院，湖南長沙410072；2. 軍事科學院國防工程研究院，河南洛陽471023；3.國防科技大學軍事基礎教育學院，湖南長沙410073；4. 南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

鋼筋混凝土（RC）梁是建筑結構常用的主要受力構件之一，其在爆炸荷載作用下的毀傷破壞及動力響應特性對于抗爆結構設計和結構抗爆分析具有重要意義。與遠距離爆炸不同，近距離爆炸產生的爆炸荷載在結構構件上分布不均，高強度的沖擊波局部作用會對鋼筋混凝土構件產生嚴重的局部毀傷[1-3]，從而導致構件承載力急劇下降，接觸爆炸作用下，局部破壞效應更為劇烈。

近年來，學者們對鋼筋混凝土梁板構件抗近距離爆炸特性開展了大量研究[4-10]，系統探討了近距離爆炸作用下RC結構的損傷破壞與裝藥量、爆炸距離和結構特性的關系。但對于接觸爆炸下鋼筋混凝土構件破壞效應的研究仍不充分[11]。張想柏等[12]、岳松林等[13]以及徐金貴[14]通過試驗對爆坑形態、直徑和深度等局部破壞特征進行分析，歸納出接觸爆炸下鋼筋混凝土板的4種典型破壞模式，建立了RC板的震塌與貫穿破壞效應模型；Hong等[15]、Zhao等[16]通過數值模擬研究了接觸爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的層裂特性。在RC梁方面，王曉峰等[17]開展了簡單支撐RC模型梁接觸爆炸試驗，研究了3種裝藥量作用下梁的損傷和破壞特征，發現隨著裝藥量的加大，梁的破壞逐漸由彎曲破壞轉變為局部的沖切破壞；Hang 等[18]對預應力鋼筋混凝土梁進行接觸爆炸模型試驗，研究了不同TNT當量下T 形RC梁的局部破壞模式以及混凝土的裂縫發展和鋼筋的損傷變化；Li 等[19]基于試驗結果提出了采用損傷面積比進行接觸爆炸下RC梁的爆坑及震塌損傷評估方法。由此可見，雖然已有一些鋼筋混凝土梁板構件接觸爆炸的研究，但關于梁的研究較少，且多以縮尺模型試驗或數值分析為主。Andrew 等[20]的研究表明，由于RC結構的尺度效應，爆炸作用的模型相似條件很難完全滿足，縮尺模型試驗結果往往不能真實反映原型結構的損傷與響應。因此，要得到鋼筋混凝土結構接觸爆炸作用的有效損傷破壞理論，需要開展更多的全尺結構試驗研究，而迄今為止基于全尺RC梁的接觸爆炸原型試驗研究鮮有報道。

本文中開展了鋼筋混凝土全尺梁接觸爆炸局部破壞效應試驗。參考工程中常用RC梁的結構尺度范圍，設計制作典型鋼筋混凝土原型梁構件，進行了4種TNT裝藥量接觸化爆試驗，研究了梁的局部破壞特征及毀傷效應表征方法，分析了局部破壞模式隨裝藥量變化的規律。

1 試驗概況

試驗梁為長（L）6600 mm、寬（B）350 mm、高（H）500 mm 的矩形截面梁，兩端帶380 mm 寬肢腳，以便于安裝固定，結構尺寸及配筋方案如圖1所示。混凝土強度等級為C30，縱向鋼筋均為HRB400帶肋鋼筋，配筋率為2.33%，保護層厚度為15 mm。為抑制梁兩端剪切破壞，在梁兩端1140 mm 內進行箍筋（四肢箍）加密，箍筋加密區間距為100 mm，采用直徑8 mm 的三級鋼筋；非加密區間距為200 mm，采用直徑8 mm 的三級鋼筋。

圖1 試驗梁結構尺寸及配筋圖（單位：mm）Fig.1 Dimensions and reinforcment diagram of RC beam (unit in mm)

爆炸試驗在東北某試驗靶場進行，試驗現場布置如圖2所示。為合理模擬梁兩端固支邊界條件，通過梁兩端的彎肢將梁安裝在素混凝土支承臺上，采用木塞緊固彎肢與支承臺間縫隙，限制梁在試驗過程中的移動。炸藥采用質量為200 g 標準TNT 藥塊（規格為100 mm×50 mm×25 mm）組成集團裝藥 ，如圖3 所示，直接放置于梁上表面中央位置，采用電雷管于炸藥中心處起爆，共進行了裝藥量分別為4、6、8和16 kg，分別對應1#～4#接觸爆炸試驗。為便于觀測試驗現象，以爆源為中心在梁側面對稱劃分了長1 m、規格為100 mm×50 mm 的網格。

圖2 試驗布置Fig.2 Experimental arrangement

圖3 試驗用TNT裝藥Fig.3 TNT charges used in experiment

2 結果分析

2.1 破壞模式

圖4～7分別給出4、6、8和16 kg 裝藥接觸爆炸下RC梁迎爆面、背爆面、側面的破壞形態。

圖5 6 kg 裝藥接觸爆炸下梁2# 破壞形態Fig.5 Failure patterns of beam 2#under contact explosion of 6 kg charge

由圖4可知，在4 kg TNT 集團裝藥接觸爆炸作用下，梁跨中產生了70 mm 永久位移。爆點處迎爆面形成了最大深度為155 mm 爆炸坑，兩側1 210 mm 長區域混凝土破壞；迎爆面6根縱筋彎曲形成凹坑，角部2根22 mm 縱筋外張560 mm，外側2根20 mm 縱筋外擴398 mm，中央2根20 mm 縱筋向下彎曲90 mm，張開寬度310 mm，6根箍筋暴露，4根箍筋斷裂散開。側面混凝土近似呈雙梯形狀破壞，沿兩側腰筋破壞混凝土邊緣有放射狀裂縫，表面未破壞區域左側剩余4網格，右側剩余6網格。背爆面邊緣兩側混凝土剝落，底層2根22 mm 鋼筋暴露長830 mm，距爆心投影點左右側各500和550 mm 沿梁寬度方向各有1條可視裂縫（見放大圖），表現出震塌開裂現象，但由于底部縱筋約束沒有產生混凝土剝落。

6 kg TNT 裝藥接觸爆炸作用時，見圖5，梁跨中位移330 mm。迎爆面混凝土最大破壞深度210 mm，兩側破壞長度1 400 mm；角部2根22 mm 縱筋外張710 mm，暴露區域最長1 150 mm，外側2根20 mm 縱筋外張540 mm，中央2根20 mm 縱筋向下彎曲深度175 mm，箍筋散開4根，中間兩根斷落。梁側面混凝土剝落掉塊，腰筋上部混凝土碎塊直徑達230 mm，腰筋下部破壞混凝土多為小碎塊，腰筋暴露長達760 mm；暴露邊緣兩側裂縫成斜向下延伸趨勢，裂縫邊出現掉塊，表面未破壞區域左側剩余4.5網格，右側剩余4.5 網格。背爆面表層混凝土多處碎塊崩落，兩側有4 條交錯橫向裂縫，底層2 根22 mm 鋼筋暴露長980 mm。

由圖6所示，8 kg TNT裝藥接觸爆炸作用下，梁跨中位移900 mm。迎爆面爆坑深度255 mm，兩側混凝土破壞區長度達1 470 mm；角部2根22 mm 縱筋外張1 000 mm，外側2根20 mm 縱筋外張600 mm，中央2根20 mm 縱筋向下彎曲230 mm 且斷裂。側面大量混凝土碎塊崩落，可見混凝土中裂縫分層；6根箍筋斷裂，其中4根完全散開落地，腰筋及底部第二層2根22 mm 縱筋斜向下外張；表面未破壞區域左側剩余4網格，右側剩余3網格。背爆面混凝土震塌，大量碎塊崩落，但兩層2根22 mm 縱筋托住部分碎裂混凝土；6根縱筋全暴露，兩側2根22 mm 鋼筋暴露長約1 450 mm。

16 kg TNT 裝藥作用時，見圖7，梁被沖斷，整體彎曲倒塌。迎爆面兩側混凝土破壞區域最長達1 900 mm；兩側2根22 mm 縱筋嚴重變形向下扭曲，鋼筋外露長1 900 mm，中央4根20 mm 縱筋向下外彎曲且斷裂呈“八”字形狀；箍筋暴露8根，6根完全斷裂落地。側面混凝土嚴重剝落，腰筋和底部第二層2根22 mm 鋼筋外張，底層所有縱筋向下彎曲；表面未破壞區域左側剩余4網格，右側剩余1網格。背爆面梁底完全貫穿混凝土崩落區域長1 150 mm，崩落混凝土塊最大直徑220 mm。

圖6 8 kg 裝藥接觸爆炸下梁3# 破壞形態Fig.6 Failure patterns of beam 3#under contact explosion of 8 kg charge

綜合分析破壞形態發現，接觸爆炸荷載作用下RC梁發生了以下4種破壞模式：（1）正面成坑破壞，即裝藥爆炸高壓使得迎爆面混凝土壓碎破壞，縱向鋼筋彎曲（圖4(a)、圖5(a)）或斷裂（圖6(a)、圖7(a)），產生爆炸坑。當藥量較小時，主要是混凝土破碎，鋼筋變形較小；（2）側面崩落破壞，主要是因為爆炸壓縮波在側面反射拉伸作用，使梁側面出現超出爆炸坑深度的側面混凝土崩落（圖4(c)、圖5(c)）；（3）背面震塌破壞，爆炸壓縮波在背面反射拉伸波使得背爆面混凝土產生層裂震塌（如圖6(b)），當藥量較小且底部配筋較強時，破壞現象不太顯著（圖4(b)）；（4）截面沖切破壞，裝藥量較大，使得爆坑深度與震塌厚度之和超過梁高度，發生迎、背爆面的內縱筋斷裂、外縱筋大變形或斷裂，全截面混凝土破碎脫落的破壞情況（如圖7）。

2.2 毀傷效應

2.2.1爆坑深度

圖8為根據爆點附近梁側面混凝土網格損傷繪制的爆坑圖（對應圖1灰色網格區域），由于各次試驗的TNT藥塊未能完全綁扎成相同底面積規則形狀且放置位置略有偏差，爆坑表現為非對稱形態，其中第4#炮由于發生沖切破壞，無爆坑特征。

圖8 爆坑形狀Fig.8 Crater shape

結果顯示，試驗梁1#～3#產生的爆坑深度h分別為155、210和255 mm。采用下式擬合：

式中：Q為裝藥量，kg；Ka為介質抗爆系數，m/kg1/3；a為裝藥相關系數。

根據試驗結果擬合得到Ka=0.242 m/kg1/3，a=0.229 m，R2=0.99，即試驗梁介質抗爆系數為0.242 m/kg1/3，外推出爆坑4#深度h=380 mm。

常規武器防護設計原理[21]指出，接觸爆炸作用下防護結構迎爆面爆坑深度為結構1/3厚時，結構易發生貫穿破壞，而試驗梁2#的爆坑深度已遠大于H/3，并沒發生局部貫通現象。這主要是因為試驗梁采用了腰筋和受拉區雙層縱筋加強，控制了層裂碎塊的震塌（圖4～7），說明腰筋和側面底筋對RC梁抗貫穿破壞具有增強作用。

2.2.2震塌效應

測得試驗梁1#～4#的震塌長度Lz分別為1 000、1 200、1 450和1 670 mm。由此得到震塌投影（震塌長度與梁跨之比Lz/L）分別為0.15、0.18、0.22和0.25，發現與比例高度（定義為梁高與裝藥量立方根之比H/Q1/3）近似呈線性關系，如圖9所示，擬合結果符合下式：

圖9 震塌投影變化Fig.9 Change tendency of L z/L

式中：Lz為震塌長度，mm。當Lz/L=0時，H/Q1/3=0.48 m/kg1/3，說明發生震塌破壞的臨界比例高度為0.48 m/kg1/3。

根據圖4(c)和圖5(c)所示破壞圖像，測得試驗梁1#和2#的震塌厚度為220 mm 和245 mm，且震塌剝裂角α 為20°～23°。為推算試驗梁3#和4#的震塌厚度，假設震塌破壞區符合Prandtl滑移線場[13,22]，得到震塌厚度計算公式為：

式中：φ=90°-α/2；L0為滑移主動區長度，mm。

取φ=21°計算，得到試驗梁1#和2#震塌厚度理論值分別為220和265 mm，與試驗值吻合很好，并推得試驗梁3#和4#震塌厚度值約為320和360 mm。據此，假設震塌厚度與裝藥量立方根成線性關系：

式中：Q為裝藥量，kg；Kz和b為擬合參數，其中Kz定義為構件抗震塌系數，m/kg1/3。

擬合得到Kz=0.148 m/kg1/3，b=0.002 m，R2=0.91，即試驗梁抗震塌系數為0.148 m/kg1/3。

當h+hz=H時，全截面混凝土將被毀傷，通常會發生貫穿破壞。結合式（1）和式（5）可以得到發生臨界貫穿破壞時H/Q1/3=0.27 m/kg1/3。臨界貫穿線和臨界震塌線見圖9，結果顯示，試驗梁3#和4#已超過臨界貫穿破壞線，應發生了貫穿破壞；試驗梁1#和2#仍在臨界貫穿線以內，不會出現貫穿破壞，這些與試驗現象一致。但試驗梁2#已處于貫穿線的邊緣，應該有較大的震塌破壞反應，而試驗梁采用了腰筋和二層底筋加強，沒有出現預期的破壞效果。

Morishita 等[23]根據RC板接觸爆炸試驗研究，給出板震塌和貫穿臨界條件分別為H/Q1/3=0.36 m/kg1/3和H/Q1/3=0.20 m/kg1/3，顯然都比試驗中梁的震塌和貫穿臨界H/Q1/3小，表明相比同等厚度的板，梁發生同類局部破壞需要的裝藥量要小。雖然一維梁相對二維板存在承受的爆炸荷載減少情況，但由于接觸爆炸的沖擊能量高度集中特性，梁的約束弱化效應將使得其抗接觸爆炸性能小于同厚度的板。

2.2.3表面毀傷

接觸爆炸下，RC梁表面局部毀傷面積的大小也能反映其局部破壞程度，可采用橫截面破壞面積比W=A/BH來表征[19]，其中A為某表面的毀傷面積，B和H為梁截面寬及高。一般情況下，迎爆面、背爆面和側面的毀傷面積具有相關性，可取某個面或多個面進行評估，但由于背面毀傷只在H/Q1/3≤0.48才會產生層裂震塌，這里主要分析迎爆面和側面的毀傷。試驗結果表明，迎爆面和側面毀傷形狀近似如圖10所示（括號內數據表示對稱面），相應毀傷特征參數測量值如表1所示。根據圖10所示特征參數關系可計算得到迎爆面橫截面破壞面積比Wy和側面破壞面積比Wc隨Q1/3/H的關系如圖11所示，其中Wc擬合線為兩側面值。結果顯示，本試驗條件下，迎爆面Wy在1.63～2.48變化，側面Wc1在2.98～3.97變化，側面Wc2值在3.05～4.38變化，且破壞面積比與比例裝藥量（裝藥量立方根與梁高之比Q1/3/H）呈線性關系。

圖10 表面毀傷形狀示意圖Fig.10 Schematic diagram of surface damage shape

表1 表面毀傷特征參數（單位：mm）Table1 Surface damage characteristic parameters (unit: mm)

2.2.4鋼筋變形

圖11 橫截面破壞面積比Fig.11 Ratios of damagearea to cross-section

圖12 迎爆面X1、、X2 隨裝藥變化Fig.12 Changes of X1, and X2 with charge

3 毀傷等級

根據以上矩形截面RC梁的破壞模式和毀傷效應研究結果，基于本文試驗數據，可將RC梁在接觸爆炸作用下局部毀傷程度劃分為輕度毀傷、中度毀傷、重度毀傷和嚴重毀傷4個等級，采用比例裝藥量Q1/3/H作為毀傷判據判別，毀傷判據劃分標準與板[16,24]試驗結果驗證亦符合較好。具體分級的毀傷主要特征及判據指標見表2所示。

表2 RC梁接觸爆炸局部毀傷等級Table 2 Local damage grades of RCbeam under contact explosion

4 結論

進行了接觸爆炸RC原型梁試驗研究，考察了梁的毀傷破壞現象，系統分析了梁接觸爆炸破壞模式和局部毀傷效應，研究了接觸爆炸局部毀傷等級，得到以下主要結論：

（1）接觸爆炸荷載作用下RC梁將會發生正面成坑、側面崩落、背面震塌和截面沖切等4種局部破壞模式，正面成坑和側面崩落模式總會產生，背面震塌模式僅當H/Q1/3＜0.48時出現，當H/Q1/3＜0.27時可能呈現沖切破壞模式。

（2）接觸爆炸下RC梁的局部毀傷表征參量包括爆坑深度、震塌厚度、震塌投影、表面毀傷面積和縱向鋼筋變形等，它們都與裝藥量的立方根近似呈線性關系。

（3）接觸爆炸下RC梁的局部毀傷程度可分為輕度、中度、重度和嚴重破壞4 個等級，采用比例裝藥量判據進行評估。

（4）加配腰筋及受拉區采用雙層縱筋對于混凝土的層裂及震塌脫落有抑制作用，加固配筋對梁混凝土的開裂和裂縫發展以及結構抗爆性能的影響值得進一步試驗對比研究。