Page 63 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 汤长兴，等： 钢纤维增强多孔混凝土板水下接触爆炸防爆机理及损伤等级预测 第 5 期

耗能效果和韧性，可将其用作混凝土结构的防爆材料，但增设钢纤维增强多孔混凝土防护层对结构防爆
效果的改善研究较少，有待进一步深入探讨。
为了更好探究水下接触爆炸荷载作用下钢纤维增强多孔混凝土的抗爆性能，采用光滑粒子流体动

力学与有限元（smoothed particle hydrodynamics and finite element method，FEM-SPH）耦合算法建立“水体-
炸药-防护体-混凝土板”多介质耦合三维精细化仿真模型，研究不同炸药当量和不同配比钢纤维增强多
孔混凝土层对被防护钢筋混凝土板结构抗爆性能的影响，揭示钢纤维增强多孔混凝土的水下防爆机理，
以期为钢纤维增强多孔混凝土在涉水混凝土结构抗爆防护领域的应用提供理论参考。

1 试 验

1.1 水下接触爆炸试验及装置

以文献 [1] 中水下接触爆炸荷载作用下钢
筋混凝土板的现场爆炸试验为基础，建立三维精 Ø6@100
Water depth: 0.5 m
细化钢筋混凝土板爆炸试验的仿真模型并重现
爆炸过程，以验证水下多介质耦合爆炸模拟方法 TNT
Detonators Ø6@100
的有效性和准确性。水下接触爆炸试验及钢筋 500
布置分别如图 1(a) 和图 1(b) 所示，试验中炸药质
量为 6 g，试验装置放置于水下 0.5 m 处。钢筋混
凝土板的横截面尺寸为 500 mm×500 mm，厚度 100
500
为 100 mm；钢筋直径为 6 mm，其在纵向和横向 (a) Test model (b) Layout of concrete slab
上的布置间距均为 100 mm；混凝土的抗压强度 reinforcement (unit: mm)
为 28.2 MPa，钢筋的弹性模量为 200 GPa。 图 1 水下接触爆炸试验及钢筋布置
1.2 水下多介质耦合仿真试验 Fig. 1 Underwater contact explosion experiment

and reinforcement arrangement
1.2.1 仿真数值模型建立
采用 FEM-SPH 方法建立水下接触爆炸下 Non-reflective boundary
Steel reinforcement
钢筋混凝土板的全耦合仿真模型，如图 2 所示。
Symmetric boundary
考 虑 到 模 型 的 对 称 性 ， 仅 建 立 1/4 模 型 进 行 计
算分析，在水体和混凝土板的对称面处设置对称 Water 60 mm 60 mm
Non-reflective
边界。模型中，TNT 炸药、混凝土板中心区域 boundary 30 mm
（ 60 mm×60 mm×30 mm） 和 炸 药 周 边 水 体 域 TNT
Concrete (SPH)
Water (SPH) Concrete slab
（100 mm×100 mm×180 mm）采用 SPH 粒子模拟，
余下的钢筋混凝土板及远域水体采用 Lagrange 图 2 水下接触爆炸下钢筋混凝土板的数值模型
单元模拟，钢筋采用 Beam 单元模拟。Lagrange Fig. 2 Numerical model of reinforced concrete slab
subjected to underwater contact explosion
单元与 Beam 单元的尺寸均为 5 mm，SPH 粒子
的直径和间距均为 5 mm。为避免水体截面处反射波对计算结果产生影响，在水体四周截面添加无反射

边界。仿真计算中，SPH 粒子与 FEM 单元之间采用 TIED_NODES_TO_SURFACE_OFFSET 进行耦合，钢
筋与混凝土之间采用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLD 进行耦合。仿真模型中，钢筋由 60 个
Beam 单元组成，混凝土板由 29 136 个 Lagrange 实体单元和 864 个 SPH 粒子组成，6 g 炸药由 16 个
SPH 粒子组成，水体由 3 556 314 个 Lagrange 实体单元和 14 564 个 SPH 粒子组成。

1.2.2 FEM-SPH 方法有效性验证
水下接触爆炸荷载作用下混凝土板的试验 和数值模拟结果对比如图 3 所示。由图 3 可以看出：模
[1]
拟的钢筋混凝土板的正爆面出现一条贯穿裂纹，且局部伴有微小裂纹；背爆面中心出现震塌剥落区，且
剥落区四周出现多道向板边缘延伸的裂纹。钢筋混凝土板正爆面和背爆面的损伤破坏形态的模拟结果

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