Page 64 - 《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

与现场试验结果吻合较好，二者的差异主要归因于模拟中混凝土材料被视为均质材料，而现场试验中混
凝土板为非均质材料。因此，采用 FEM-SPH 耦合方法建立的水下多介质爆炸模型可以较好地描述爆炸
冲击荷载作用下钢筋混凝土板的损伤演化过程及毁伤模式。

Test Simulation Test Simulation
(a) Top surface (b) Back surface

图 3 水下接触爆炸荷载作用下混凝土板损伤破坏形态的试验与数值模拟结果对比
Fig. 3 Comparison of experimental and numerical simulation results of damage and failure modes
of concrete slabs under underwater contact explosion load

1.3 钢纤维多孔混凝土防护层加固下混凝土板水下接触爆炸模型建立
考虑到防爆措施的经济性和有效性，在主结构或被保护结构前增设附属结构是当前结构物抗爆防
护设计的基本原则，其防爆效果主要取决于增设防护层结构所用材料的性能。鉴于钢纤维增强多孔混
凝土优越的消波耗能特性 [20] ，本研究拟将其用作水下混凝土结构的防爆材料，探究水下爆炸荷载作用下
增设钢纤维增强多孔混凝土防护层后被防护混凝土板结构的防护效果。

1.3.1 水下耦合有限元模型
采用 FEM-SPH 耦合方法建立 1/4“炸药-水体-防护层（钢纤维增强多孔混凝土）-混凝土板”多介质
耦合防爆模型，如图 4 所示。仿真模型中，对称面设置对称边界，水体四周设置无反射边界。钢纤维增
强多孔混凝土防护层的平面尺寸为 500 mm×500 mm，厚度为 100 mm；被防护结构（RC 板）的平面尺寸为
500 mm×500 mm，厚度为 150 mm；被防护结构中的钢筋采用双向双层布置，钢筋直径为 6 mm，间距为
200 mm。钢纤维增强多孔混凝土防护层中心区域（200 mm×200 mm×90 mm）、炸药及炸药的周边水体
（250 mm×250 mm×500 mm）采用 SPH 粒子，粒子直径为 5 mm；余下的防护层、被防护结构及远场水体部
分均采用 Lagrange 单元，钢筋采用 Beam 单元，Lagrange 与 Beam 单元的网格尺寸均为 5 mm。整个模型
共有 1 128 个 Beam 单元、281 300 个 SPH 粒子和 3 158 700 个 Lagrange 单元。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；钢纤维增强多孔混凝土防护层与钢筋混凝土被防护板之间的接触采
用关键字*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 进行设置。

Non-reflective

boundary
Water (FEM) Water (SPH)
Steel
Steel fiber reinforced 200 mm 200 mm reinforcement
porous concrete (FEM) (Beam)
500 mm 90 mm

250 mm
Concrete slab (FEM) 250 mm TNT (SPH)
Non-reflective Symmetric Steel fiber reinforced porous
boundary boundary concrete (SPH)

图 4 炸药-水体-防护层-混凝土板的防爆模型
Fig. 4 Explosion-proof model of explosive-water-protective layer-concrete slab

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