活性粉末混凝土抗爆炸冲击的研究进展

简超， 谢微

（中建不二幕墙装饰有限公司，湖南 长沙 410004）

摘要：针对当今世界恐怖爆炸袭击频频发生，化学药品、燃油气爆炸等偶然爆炸事件也时有发生，从建筑结构防灾要求和人类健康出发，系统地介绍了活性粉末混凝土在结构防灾工程中的良好应用前景，分别综述了活性粉末混凝土抗爆炸冲击的研究发展现状，根据其存在的问题，指出了未来抗爆炸冲击材料研究的主要发展方向。

关键词：活性粉末混凝土；研究现状；发展趋势；爆炸冲击

Research progress of explosive impact resistance of reactive powder concrete

Jian Chao，Xie Wei

（CSCEC Fujisash Curtain Wall ＆ Decoration Co． ，Ltd． ，Changsha，Hunan 410004，China）

Abstract: In view of the frequent occurrence of terrorist explosion attacks in the world today, accidental explosions such as chemical drugs and fuel gas explosions also occur from time to time. From the perspective of building structure disaster prevention requirements and human health, the good performance of active powder concrete in structural disaster prevention engineering is systematically introduced the application prospects summarize the research and development status of reactive powder concrete anti-explosive impact, and point out the main development direction of future anti-explosive impact material research according to its existing problems.

Key words: Reactive powder concrete; research status; development trend; explosion shock

0 引言

随着我国社会经济的高速发展，社会矛盾依旧存在，同样也面临恐怖袭击的威胁，偶然爆炸发生概率也逐渐增多。如：2015年的天津港爆炸事件，造成165人遇难，304幢建筑物受损。另外2013年12月泸州市江阳区摩尔商场天然气爆炸，2012年月5月云南省昭通市的背包炸弹袭击事件，也都造成了人员的伤亡与建筑物的损坏。
因此，对于建材行业来说，加大对新型建筑结构防灾的研究和开发，具有重大战略意义和深远的社会意义。本研究系统介绍了活性粉末混凝土在结构防灾工程中的良好应用前景，分别综述了活性粉末混凝土抗爆炸冲击的研究发展现状，根据其存在的问题，指出了未来抗爆炸冲击材料研究的主要发展方向。

1 混凝土材料动力响应与损伤机理研究

美国佛罗里达大学Larry C Muszynski（2003）^[1]对粘结有复合增强材料的混凝土结构在TNT炸药作用下进行了爆炸试验。试验表明：把复合材料和混凝土基层用环氧胶粘剂相粘接，这对改善现有结构提供了一种有效的方法。

德国弗莱贝格工业大学H Konietzky（2009）^[2]利用LS-DYNA 软件对SFRC的抗爆性能进行了数值仿真。仿真结果表明：模型的选取及高压状态方程能较好地再现SFRC在爆炸荷载下的特征及破坏过程。

东南大学孙伟和戎志丹等（2010）^[3]对超高性能水泥基复合材料(ultra high performance cement components，UHPCC)进行了接触爆炸试验。试验结果表明：该材料抗震塌性能较好。通过对不同强度等级UHPCC的压缩系数进行拟合，并提出UHPCC材料爆炸漏斗坑深度的计算公式，为防护工程材料的设计提供了一定的参考价值。

南京理工大学赖建中和朱耀勇等（2016）^[4]研究了不同配合比与炸药埋深下UHPCC的动态力学性能和损伤规律，得到了不同试验条件下的破坏数据。研究结果表明：UHPCC具有良好的抗爆性能，炸药埋深对混凝土的抗爆性能有显著影响。

上述研究中，虽然试验结果不尽相同，但无一例外的表明不同混凝土材料具有良好的抗爆炸冲击性能。然而对于混凝土材料的动力响应与损伤机理研究尚不明确，在有限次的试验条件下无法进行有效的抗爆炸冲击性能预测。

2 混凝土结构构件动力响应及损伤破坏机理研究

2.1 混凝土梁动力响应及损伤破坏机理研究

爆炸荷载作用下混凝土梁可能发生弯曲、直剪和局部破坏。美国佛罗里达大学 Theodor Krauthammer（1990）^[5-6]、印度理工学院Srinivasan Chandrasekaran（2015）^[7]建立了RC梁弯曲和剪切破坏单自由度体系分析模型，之后学者在此基础上建立了大量的改进模型。

解放军理工大学方秦（2001）^[8-9]利用Timoshenko 梁理论和数值差分方法，计算了爆炸荷载作用下RC梁动态响应和不同的破坏形态，还研究了爆炸和火灾共同作用下RC梁的极限承载能力。

同济大学匡志平与杨秋华等（2009）^[10]利用爆炸模拟器进行了RC简支梁在爆炸荷载作用下的试验研究。国防科技大学张铎与刘方云等（2013）^[11-12]进行了RC梁野外化爆试验，得到了RC梁在近距离爆炸荷载作用下的破坏模态。

2.2 混凝土框架结构破坏研究

爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架(以下简称RC 框架)结构可能发生局部构件破坏、局部侧塌破坏以及连续侧塌破坏。在试验研究方面，美国陆军工程兵团Woodson（1999）^[13]进行了一系列的2层RC框架野外爆炸试验，得到RC 结构及构件破坏效应。

美国911恐怖袭击事件之后，结构连续倒塌问题成为国内外研究关键问题。目前国际上通用RC框架连续倒塌设计方法包括GSA方法和DOD方法。阿根廷图库曼国立大学Luccioni B M 与Ambrosini R D 等（2004）^[14]使用离散有限元法对以色列一幢遭受恐怖爆炸袭击多层建筑进行了连续倒塌模拟。

清华大学陆新征与张炎圣等（2007）^[15]利用纤维模型对爆炸荷载作用下的RC框架进行了数值计算，提高了计算速度，并对模型适用性进行了讨论。天津大学王浩（2012）^[16]利用数值方法对爆炸荷载作用下RC框架的破坏及连续倒塌问题进行了研究，发展了多尺度建模等简化计算方法。

综上所述，从国内外材料与结构抗爆研究成果来看，研究对象主要是普通钢筋混凝土的动力响应及损伤破坏机理研究，然而对超高强度RPC的抗爆研究较少，本研究拟对RPC材料与结构的抗爆性能进行系统探索，为爆炸作用后RPC建筑结构的灾害评估与RPC建筑结构性能化抗爆设计理论与方法研究提供参考。

3 发展趋势

关于RPC 结构抗爆设计理论与关键问题研究，有以下几个方面的问题亟待解决：

（1）高温作用后，建立RPC材料高温损伤耦合本构模型

在爆炸作用后建筑物可能引发火灾，如美国“911 事件”，楼层的跨塌多半是由于灼烧高温下构件中钢筋的软化引起的整体塌陷，多数文献表示钢纤维可以延缓RPC发生高温爆裂，但不能减轻爆裂。爆炸作用下的荷载是瞬间产生的，其爆炸后构件的破坏形态对于后续引发的高温爆裂影响与残余力学性能的影响是研究的关键问题。
（2）爆炸荷载作用下RPC梁构件的动力响应及损伤破坏机理

在爆炸与高温研究领域，较多文献涉及中、低强度的混凝土构件的动力响应与损伤机理研究，对于超高强度RPC构件的动力响应与损伤机理研究应用非常少。爆炸冲击荷载作用下RPC梁由于有钢纤维作用，其裂缝出现位置与钢筋混凝土梁存在较大区别，特别是梁的节点处是应力集中处，在高应变率下，这类区别会更加明显。

参考文献

[1] Muszynski L C , Purcell M R . Composite Reinforcement to Strengthen Existing Concrete Structures against Air Blast[J]. Journal of Composites for Construction,2003, 7(2): 93-97.

[2] Wang Z L, Konietzky H, Huang R Y. Elastic--plastic-hydrodynamic analysis of crater blasting in steel fiber reinforced concrete[J]. Theoretical & Applied Fracture Mechanics, 2009, 52(2):111-116.

[3] 戎志丹，孙伟，张云升等. 超高性能水泥基复合材料的抗爆炸性能[J].爆炸与冲击，2010, 30(3): 232-238.

[4] 赖建中，朱耀勇，谭剑敏.超高性能混凝土在埋置炸药下的抗爆试验及数值模拟[J].工程
力学,2016,33(5): 193-199.

[5] Krauthammer T, Bazeos N, Holmquist T J. Modified SDOF Analysis of RC Box‐Type Structures[J]. Journal of Structural Engineering, 1986, 112(4): 726-744.

[6] Krauthammer T , Shahriar S , Shanaa H M . Response of Reinforced Concrete Elements to Severe Impulsive Loads[J]. Journal of Structural Engineering, 1990,116(4): 1061-1079.

[7] Introduction to Structural Dynamics[M]// Dynamic Analysis and Design of Offshore Structures. 2015.

[8] 方秦，柳锦春.爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态有限元分析[J].工程力学，2001(2): 1-8.
[9] 柳锦春，方秦，龚自明.爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析[J].爆炸与冲击，2003(1): 25-30.
[10] 匡志平,杨秋华,崔满.爆炸荷载下钢筋混凝土梁的试验研究和破坏形态[J].同济大学学报(自然科学版), 2009, 37(9):1153-1156.
[11] Lu F , Lin Y , Zhang D , et al. Experimental study on scaling of RC beams under close-in blast loading[J]. Engineering Failure Analysis, 2013, 33(5): 497-504.
[12] Yao S J, Zhang D, Lu F Y, et al. Damage features and dynamic response of RC beams under blast[J]. Engineering Failure Analysis, 2016, 62(4): 103-111.

[13] Stanley C. Woodson, James T. Baylot. Structure Collaspe: Quarter-Scale Model Experiments. US Army Corps of Engineers, technical report SL99-8, 1999.
[14] Luccioni B M , Ambrosini R D , Danesi R F . Analysis of building collapse under blast loads[J]. Engineering Structures, 2004, 26(1): 63-71.

[15] 陆新征,张炎圣,江见鲸.基于纤维模型的钢筋混凝土框架结构爆破倒塌破坏模拟[J].爆破，2007(2):1-6.

[16] 王浩. 锅筋混凝土结构在其地下室内保炸冲击下的摄伤机理及连续倒塌研究[D].天津大
学，2012.