爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁毁伤判据研究

汪维，刘瑞朝，吴飚，李林，黄家蓉，王幸

（总参谋部工程兵科研三所，河南洛阳471023）

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁毁伤判据研究

汪维，刘瑞朝，吴飚，李林，黄家蓉，王幸

（总参谋部工程兵科研三所，河南洛阳471023）

为研究钢筋混凝土梁在爆炸波作用下的毁伤判据，对两种尺寸的钢筋混凝土梁在缩比条件下进行了不同爆炸距离作用和装药量下的试验研究。试验中以高层和框架结构中最常见的两种梁为研究对象，通过11次独立的爆炸试验，观测了钢筋混凝土梁在不同装药量下的破坏模式和破坏特征。研究结果表明：钢筋混凝土梁在近区爆炸荷载作用下，在同一爆高下，随着装药量的增加，梁的破坏程度逐渐增加，破坏模式由迎爆面中心两侧少量混凝土脱落和背爆面少量断裂裂纹逐渐增加为迎爆面倒三角锥形式混凝土压碎弯曲破坏，背爆面出现三角锥裂纹和背爆面少量混凝土脱落破坏，最终迎爆面和背爆面三角锥破坏区域贯通形成中心区域压碎崩塌弯曲破坏；崩塌区域的尺寸随着装药量增加而逐渐增加。近区爆炸（以爆距0.5m为例）作用下，试验钢筋混凝土梁的毁伤判据为：当比例爆高Z＞0.4m/kg1/3时，梁遭受到轻微破坏；当比例爆高0.3m/kg1/3＜Z＜0.4m/kg1/3时，梁遭受到中等破坏；当比例爆高0.28m/kg1/3＜Z＜0.3m/kg1/3时，混凝土梁遭受重度破坏；当比例爆高Z＜0.28m/kg1/3，梁遭受严重破坏。在近区爆炸作用下，钢筋混凝土梁的破坏不仅依赖于爆炸比例距离，还与爆高有关，同一比例距离下爆高越大，梁试件的破坏越严重。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。

兵器科学与技术；爆炸荷载；钢筋混凝土梁；破坏模式；毁伤判据

0 引言

在钢筋混凝土结构构件表面附近爆炸时，产生的爆炸波会对结构构件造成损伤和破坏。准确预测潜在的爆炸对结构构件造成的损伤是进行重要建筑物和防护结构抗爆设计的基础［1］。在常规武器爆炸条件下，由于超压峰值高、正压时间短，诱发的结构应变率高，钢筋混凝土结构有可能在弯曲破坏发生之前产生剪切破坏，甚至破坏过程中出现弯剪破坏模式。

国内外许多学者对钢筋混凝土梁在爆炸作用下的破坏开展了一系列研究。Krauthammer等［2-3］对爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的弯曲破坏和剪切破坏提出了基于等效单自由度体系的简化模型。在此基础上，Krauthammer等［4-5］又以Timoshenko梁理论为基础，应用差分数值分析手段进行了爆炸荷载作用下的钢筋混凝土梁的动力响应和破坏分析。Ghabossi等［6］应用有限元技术对FOAMHEST试验结果进行了数值模拟。Ross［7］通过研究获得了脉冲荷载作用下Timoshenko梁弹性动力响应的分析解，从理论上证明了在某些情况下剪切破坏可能先于弯曲破坏发生，但分析仅限于弹性结构，因而在工程应用方面受到了限制。方秦等［8-10］、柳錦春等［11］、吴平安等［12］和陈力等［13］以Timoshenko梁理论为基本框架，采用有限差分解法和非线性分层梁有限元法，在材料模型中考虑了混凝土和钢筋的非线性和应变速率效应等因素，计算分析了爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应以及不同的破坏形态，并分析了钢筋混凝土梁破坏形态的影响因素。李猛深等［14］利用爆炸压力模拟器进行钢筋混凝土简支梁爆炸冲击试验，分析了钢筋混凝土梁变形破坏特征以及钢筋作用机理和对变形破坏的影响，并利用LS-DYNA建立了钢筋混凝土梁的分离式有限元模型，得到了爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的损伤破坏特征和机理。王林林等［15］研究了爆炸荷载作用下柔性支承钢筋混凝土梁动力响应，通过钢筋混凝土梁的两端设置弹性和阻尼支承来加固钢筋混凝土梁，利用LS-DYNA有限元分析程序对柔性支承条件下的梁进行了计算，得到了设置合理的弹性支承和阻尼支承可以提高钢筋混凝土结构抗力的结论。都浩［16］应用LS-DYNA对爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应进行数值模拟，揭示了不同爆炸荷载作用下梁的非线性动力响应及其可能发生的破坏模式，分析了梁的截面尺寸、材料强度和配筋率等对钢筋混凝土梁抗爆性能的影响。张媛媛等［17］应用ANSYS对钢筋混凝土梁在爆炸荷载作用下的动力响应进行了数值模拟。一些学者也对钢板混凝土梁、钢纤维混凝土梁、钢梁、钢-混凝土组合梁进行了动力响应和破坏机理分析［18-20］。但由于问题的复杂性，对钢筋混凝土梁抵抗近场爆炸荷载作用下的破坏模式及抗爆性能研究较少，对毁伤判据的研究更缺乏。

本文对钢筋混凝土梁在近爆作用下的抗爆性能进行11次独立的爆炸试验研究，观测爆炸载荷下的动力响应和破坏特征，尝试建立相应毁伤判据，为钢筋混凝土梁的抗爆炸研究与设计提供试验结果，也为后续的钢筋混凝土建筑物整体毁伤评估奠定基础。

1 试验概况

1.1试件设计

结合工程实际应用情况，对高层和框架结构中最常见的两种梁结构进行试验，其截面尺寸分别为350mm×600mm（宽×高）和250mm×500mm（宽×高），截面配筋率均为1.2%，钢筋牌号为HRB335，混凝土强度为C35，如图1所示。本试验以这两种梁为对象。鉴于该原型梁的试验药量太大，拟对其进行缩比试验，缩比选择为1∶2.

图1　常用梁的结构截面及其配筋图Fig.1 Typical beam sections and their reinforcements

试验用的梁构件跨度均为2m，第1组（对应高层梁的缩比）截面尺寸为175mm×300mm（宽×高），第2组（对应框架梁的缩比）截面尺寸为125mm×250mm（宽×高），截面配筋率均为1.2%，混凝土强度为C35，钢筋牌号为HRB335.试验梁构件的模型如图2所示，具体截面配筋如图3所示。

图2　试验梁构件模型示意图Fig.2 Beam model for experiment

试验中钢筋的极限强度为612.5MPa，屈服强度为425MPa，伸长率为35.5%，混凝土的单轴压缩强度测试值为34.4MPa，拉伸强度为8.2MPa，杨氏模量为28.3MPa.

1.2爆炸装置

试验在野外试验靶场进行。试验时，钢筋混凝土梁固定在事先加工的混凝土支座上，梁采用两端支座固定支承方式，如图4所示。试验时，爆炸物悬挂在梁的正上方一定高度处。炸药采用块状梯恩梯（TNT）炸药，由电雷管引爆。

图3　试验梁构件的截面配筋Fig.3 Beam sections and their reinforcements for experiment

图4　钢筋混凝土梁试验装置Fig.4 Test device of RC beams under blast loading

1.3试验计划

在不同工况下对11个钢筋混凝土梁试件（两种不同梁，分别为梁A和梁B）进行试验。具体试验安排如表1所示。

2 试验现象

2.1钢筋混凝土梁A

对钢筋混凝土梁A（125mm×250mm×2000mm）进行了不同装药量和爆高作用下的抗爆性能试验。图5～图7给出了试件的试验结果。第1炮、第2炮和第5炮对梁的破坏程度都是轻微的，只出现少量表面混凝土脱落，这里只给出第5炮试验结果。第3炮对梁的破坏程度为中度破坏，第4炮对梁的破坏程度为严重破坏。

表1　钢筋混凝土梁试验计划Tab.1 Experimental plan of RC beams

图5　第5炮试验结果（轻微破坏）Fig.5 Test results of 5th experiment（minor damage）

图6　第3炮试验结果（中度破坏）Fig.6 Test results of 3rd experiment（moderate damage）

从图5～图7可以看出，在装药量为6kg、爆高为0.75m条件下，钢筋混凝土梁中部未出现较为明显的剩余位移，梁背爆面出现3条较为明显的弯曲断裂裂缝，梁迎爆面两侧出现一定混凝土脱落，纵筋露出，侧向脱落区域长度约为50cm，梁侧面出现多条三角锥裂纹，两侧梁支座处均有一条斜剪切断裂裂缝，长度贯穿约为该梁厚度的80%，梁遭受到轻微破坏，最大位移为37.2mm，此时对梁的使用影响较小。在4kgTNT装药、爆高为0.5m条件下，钢筋混凝土梁中部出现较为明显的弯曲压碎破坏，破坏区长度约为50cm，中心区域混凝土破碎，迎爆面箍筋和纵筋露出，露出的长度约为30cm，迎爆面呈三角锥压缩破坏，碎裂区域高度约15cm，侧向出现三角锥断裂裂纹，背爆面出现明显的3条弯曲断裂裂纹，未出现混凝土背爆面碎裂，梁遭受到中度破坏。此时梁的使用受到一定限制，需要较小维修才能继续使用。在6kgTNT装药、爆高为0.5m条件下，钢筋混凝土梁中部发生明显的弯曲碎裂破坏，迎爆面压碎区域呈现倒三角锥形式，破碎顶部宽约45cm，深20cm，3根箍筋裸露出来，其中一根已散开，背爆面部呈现三角锥形式的裂纹，与压碎区域倒三角锥相连，边缘三角锥裂纹在背爆面最大间距约70cm.两端距固定支承边缘20cm处顶面都出现2～3条断裂裂纹，并向下端面延伸约15cm，梁遭受到重度破坏，最大位移为120.5mm.此时梁的使用功能丧失较大，需要较大维修才能继续使用。

2.2钢筋混凝土梁B

对钢筋混凝土梁B（175mm×300mm×2000mm）进行了不同装药量和爆高作用下的抗爆性能试验。图8～图11给出试件的试验结果。其中第9炮未对梁产生明显破坏；第6炮和第10炮对梁的破坏程度是轻微的，只出现少量表面混凝土脱落，这里只给出第6炮试验结果；第8炮重度破坏，第11炮和第7炮造成严重破坏。

图7　第4炮试验结果（重度破坏）Fig.7 Test results of 4th experiment（severe damage）

图8　第6炮试验结果（轻微破坏）Fig.8 Test results of 6th experiment（minor damage）

从图8～图11可以看出，在4kgTNT装药、爆高为0.5m条件下，钢筋混凝土梁中部出现较为明显的弯曲压缩碎裂，梁顶面两侧出现一定混凝土脱落，一侧纵筋和3根箍筋顶部露出，脱落区域长度约为42cm，高度为15cm.另一侧只有少部分脱落，侧向脱落区域长度约为20cm，脱落区域下方出现三角锥断裂裂纹，中心最大位移为20.3mm，此时对梁的使用影响较小。在5kgTNT装药、爆高为0.5m条件下，钢筋混凝土梁中部同样发生明显的弯曲碎裂破坏，迎爆面压碎区域呈现倒三角锥形式，破碎区域宽约60cm，深15cm，3根箍筋裸露出来，其中两根已散开。背爆侧面呈现三角锥形式的裂纹，与压碎区域倒三角锥相连。背爆面中心区域少量混凝土表面脱落，脱落区域长约20cm，边缘三角锥裂纹在背爆面最大间距约90cm.两端距固定支承边缘20cm处顶面都出现1条断裂裂纹，并向下端面延伸约15cm，最大位移为70.6mm，此时梁遭受重度破坏，梁的使用功能受到较大丧失。在6kgTNT装药、爆高为0.5m条件下，钢筋混凝土梁中部发生明显的中部弯曲碎裂破坏，迎爆面压碎区域呈现倒三角锥形式，破碎区域宽约50cm，深20cm，4根箍筋裸露出来，其中3根已散开。背爆面呈现三角锥形式的裂纹，与压碎区域倒三角锥相连。背爆面中心区域混凝土表面脱落，脱落区域长约50cm，背爆面纵筋露出，边缘三角锥裂纹在背爆面最大间距约90cm.两端距固定支承边缘20cm处迎爆面都出现2～3条断裂裂纹，并向下端面延伸约15cm，最大位移为127.6mm，此时梁遭受严重破坏，梁的使用功能基本丧失。在9kgTNT装药、爆高为0.75m条件下，钢筋混凝土梁中部出现较为明显的弯曲压碎破坏，顶部压碎区域呈现倒三角锥形式，迎爆面压碎破坏区长度约为55cm，深20cm，5根箍筋裸露出来，其中4根已散开。背爆面呈现三角锥形式的裂纹，与压碎区域倒三角锥相连。背爆面中心区域混凝土表面脱落，脱落区域长约90cm，背爆面纵筋露出，侧面中心脱落贯穿区域长45cm.梁遭受了严重破坏，中心最大位移为148mm，此时梁遭受严重破坏，梁的使用功能基本丧失。

图9　第8炮试验结果（重度破坏）Fig.9 Test results of 8th experiment（severe damage）

图10　第7炮试验结果（严重破坏）Fig.10 Test results of 7th experiment（serious damage）

3 试验结果及分析

3.1混凝土梁破坏模式及毁伤判据分析

钢筋混凝土梁在爆炸冲击波作用下迅速弯曲，梁背爆面由于混凝土受拉迅速出现拉伸断裂破坏，迎爆面混凝土则出现压缩碎裂破坏。同时，由于压缩应力波传播至梁的背爆面形成强拉伸波，造成梁背爆面和侧面混凝土剥落和层裂破坏。混凝土层裂剥落破坏区域随着装药量的增加而不断增大。随着装药量的增大，钢筋混凝土梁的破坏模式逐渐由整体弯曲断裂破坏转变为塑性弯曲层裂破坏，最后转变为大面积混凝土保护层脱落塑性弯曲崩塌冲剪破坏。

在近爆作用下，梁中心的压力远高于梁边缘的压力，混凝土梁的破坏模式以中部局部弯曲破碎破坏为主。破坏形式主要是迎爆面倒三角锥形式压碎、背爆面三角锥形式断裂，背爆面混凝土断裂崩落破坏，梁两侧破坏较小，支座处出现部分斜剪弯曲断裂裂纹。以爆高为0.5m为例，对于本次试验用梁，当比例爆高Z＞0.4m/kg1/3时，梁遭受到轻微破坏，迎爆面出现少量混凝土脱落，如第5炮所示。当比例爆高0.3m/kg1/3＜Z＜0.4m/kg1/3时，梁遭受到中等破坏，此时混凝土梁迎爆面出现一定混凝土保护层脱落，箍筋内出现部分混凝土压碎破坏，背爆面出现混凝土弯曲断裂破坏，如第3炮所示。当比例爆高0.28m/kg1/3＜Z＜0.3m/kg1/3时，混凝土梁遭受重度破坏，钢筋混凝土梁顶部压碎区域呈现倒三角锥形式，3根箍筋裸露出来，背爆面呈现三角锥形式的裂纹，与压碎区域倒三角锥相连，背爆面中心区域少量混凝土表面脱落，如第8炮所示。当比例爆高Z＜0.28m/kg1/3时，梁遭受严重破坏，钢筋混凝土梁中部发生明显的中部弯曲碎裂破坏，破碎区域较大，顶部压碎区域呈现倒三角锥形式，背爆面呈现三角锥形式的裂纹，与压碎区域倒三角锥相连，背爆面中心区域混凝土表面较大范围脱落，背爆面纵筋露出，如第7炮所示。当爆距增加时，毁伤判据所适用的比例距离适当降低。

图11　第11炮试验结果（严重破坏）Fig.11 Test results of 11th experiment（serious damage）

表2　钢筋混凝土梁试验结果Tab.2 Test results of the experiments

3.2破坏等级划分

在试验过程中对钢筋混凝土梁中心的最大位移进行了测试，测试结果如表2所示。从表2可以看出，随着装药量增加，钢筋混凝土梁中心的最大位移、挠跨比和背爆面层裂崩塌区域直径逐渐增加，破坏等级也逐渐增加。

为了判断钢筋混凝土梁的破坏等级，本文在试验数据的基础上对钢筋混凝土梁的破坏等级进行了划分。划分的依据是梁的挠跨比a:钢筋混凝土梁的挠跨比a＜2%时，轻微破坏，破坏形式主要是背爆面出现少量裂纹，顶面中心两侧出现少量混凝土脱落，此时不影响钢筋混凝土梁的使用；当2%＜a＜3%时，中度破坏，梁中部出现较为明显的弯曲压碎破坏，侧面其他区域出现三角锥断裂裂纹，钢筋混凝土梁的承载力有所降低，稍加维修就可以继续使用；当3%＜a＜5%时，重度破坏，梁整体变形较大，顶部压碎区域呈现倒三角锥形式，背爆面中心区域少量混凝土表面脱落，钢筋混凝土梁的承载力降低较大，需要较大维修才能继续使用；当a＞5%时，严重破坏，梁弯曲断裂崩塌破坏，背爆面崩塌破碎区域与迎爆面压碎区域相连贯穿，钢筋混凝土梁的承载能力完全丧失。

4 结论

本文通过野外化爆试验，对钢筋混凝土梁在爆炸荷载作用下的毁伤判据和破坏等级进行了分析，得到以下主要结论:

1）钢筋混凝土梁在近区爆炸荷载作用下，在同一爆高下，随着装药量的增加，梁的破坏程度逐渐增加，梁的破坏形态由迎爆面中心两侧少量混凝土脱落、背爆面少量断裂裂纹逐渐增加变为迎爆面倒三角锥形式混凝土压碎弯曲破坏，背爆面出现三角锥裂纹和背爆面少量混凝土脱落破坏，最终迎爆面和背爆面三角锥破坏区域贯通形成中心区域压碎崩塌弯曲破坏。崩塌区域的尺寸随着装药量增加而逐渐增加。

2）在近区爆炸作用（以爆距0.5m为例）下，本次试验钢筋混凝土梁的毁伤判据为:当比例爆高Z＞0.4m/kg1/3时，梁遭受到轻微破坏；当比例爆高0.3m/kg1/3＜Z＜0.4m/kg1/3时，梁遭受到中等破坏；当比例爆高0.28m/kg1/3＜Z＜0.3m/kg1/3时，混凝土梁遭受重度破坏；当比例爆高Z＜0.28m/kg1/3时，梁遭受严重破坏。当爆距增加时，毁伤判据所适用的比例爆高适当降低。

3）本次试验的钢筋混凝土梁的毁伤等级划分和相应的破坏模式为:挠跨比a＜2%时，轻微破坏，破坏形式主要是背爆面出现少量裂纹，迎爆面中心两侧出现少量混凝土脱落，此时不影响钢筋混凝土梁的使用；当2%＜a＜3%时，中度破坏，梁中部出现较为明显的弯曲压碎破坏，侧面其它区域出现三角锥断裂裂纹，钢筋混凝土梁的承载力有所降低，稍加维修就可以继续使用；当3%＜a＜5%时，重度破坏，梁整体变形较大，顶部压碎区域呈现倒三角锥形式，背爆面中心区域少量混凝土表面脱落，钢筋混凝土梁的承载力降低较大，需要较大维修才能继续使用；当a＞5%时，严重破坏，梁弯曲断裂崩塌破坏，背爆面崩塌破碎区域与迎爆面压碎区域相连贯穿，钢筋混凝土梁的承载能力完全丧失。

4）在近区爆炸作用（即爆距小于等于梁长度）下，钢筋混凝土梁的破坏不仅取决于爆炸比例距离，还与爆高有关。在同一比例爆高下，爆高越大，梁试件的破坏越严重，越容易发生弯曲崩塌破坏。因而，当爆高增加时，依据比例距离确定的毁伤判据越小。

应注意的是，本文建立的毁伤判据是依据本次试验的少量试验数据建立的，建立的判据仅适用于本次试验的钢筋混凝土梁，对其他形式梁的毁伤判据需要在以后进一步研究。文中的数据可为钢筋混凝土梁的抗爆炸研究与设计提供试验结果，也为后续的钢筋混凝土建筑物整体毁伤评估奠定基础。

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Damage Criteria of Reinforced Concrete Beams under Blast Loading

WANG Wei，LIU Rui-chao，WU Biao，LI Lin，HUANG Jia-rong，WANG Xing
（Luoyang Institute of Hydraulic Engineering and Technology，the General Staff Department，Luoyang 471023，Henan，China）

In order to investigate the damage criteria of reinforced concrete（RC）beams under blast loading，the experimental study of two different dimensions of RC beams under different blast distances and charge masses is carried out.Two common RC beams designed for tall buildings and frame structures are taken as the research objects.The damage mode and characteristics of RC beams are got through 11 independent blast experiments.The results show that，when RC beams are subjected to close-in blast loading，the damage level increases with the increase in explosive mass at the same blast distance，the damage mode of RC beams changes from a few fall-off of concrete on the two sides of upper side and a few ruptures on the rear face to the compressed flexural damage of reverse triangle cone-shaped concrete on the upper side and triangle cone-shaped crack and a fall-off of concrete on the rear face，and finally the triangle cone-shaped damage areas on both upper side and rear face are perforated to result in a crushed and punched damage of concrete in the middle area.The damage area increases with the increase in ex-plosive mass.Under close-in blast loading（blast distance=0.5 m for example），the damage criteria of the RC beams used in the experiment are:the beam suffers from minor damage for scaled burst distance Z＞0.4 m/kg1/3；it suffers from moderate damage for scaled burst distance 0.3 m/kg1/3＜Z＜0.4 m/kg1/3；it suffers from high damage for scaled burst distance 0.28 m/kg1/3＜Z＜0.3 m/kg1/3；it suffers from serious damage for scaled burst distance Z＜0.28 m/kg1/3.It is also found that the damage of RC beam not only depends on the scaled burst distance under close-in blast loading，but also depends on the burst distance.At the same scaled burst distance，the more the burst distance is，the damage of RC beam is more serious.The results can be useful for engineering application and damage assessments.

ordnance science and technology；explosion load；reinforced concrete beam；damage mode；damage criterion

O383

A

1000-1093（2016）08-1421-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.012

2015-08-21

国家自然科学基金项目（11302261）；国家自然科学基金委员会与河南省联合基金项目（U1404107）

汪维（1983—），男，助理研究员，博士。E-mail:wangwei591@126.com