Page 68 - 《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

增强多孔混凝土防护层中钢纤维体积分数的变化会对被防护结构的损伤特性产生较为显著的影响：被
防护结构的损伤程度随着防护层中钢纤维体积分数的增加呈先增大后减小的趋势，与曹克磊 [20] 开展的
钢纤维增强多孔混凝土的动态冲击试验结果相一致，说明钢纤维增强多孔混凝土中的纤维含量在一定
程度上能提高其防爆性能，进一步明晰了钢纤维增强多孔混凝土的防爆机制。为更好地揭示钢纤维增
强多孔混凝土防护层的水下防爆效能，开展了水下接触爆炸荷载下钢纤维增强多孔混凝土防爆毁伤机
理研究，如图 6 所示。由图 6 可知，钢纤维增强多孔混凝土的防爆机理主要可归结为：在接触爆炸作用
下，爆炸冲击波瞬间作用于钢纤维增强多孔混凝土防护层的上表面，由于钢纤维增强多孔混凝土自身的
波阻抗较大，其反射的冲击波能量也较多，因此，透射进防护层内的冲击波能量相对较少；当冲击波在防
护层内传播时，钢纤维增强多孔混凝土自身具有较好的消波吸能效果，因此能够大幅削弱冲击波，减少
作用于被防护混凝土结构的能量；随着冲击波传播至被防护混凝土板的上表面，由于钢纤维增强多孔混
凝土防护层与被防护混凝土结构二者波阻抗的差异，一部分冲击波在材料交界面处以反射的形式回到
防护层中，最终透射进被防护混凝土结构中的冲击波能量被进一步削减，从而大大降低被防护结构的损
伤特性与破坏模式，即增设钢纤维增强多孔混凝土能够起到良好的抗爆防护效果。在炸药起爆瞬间，巨
大的压应力直接作用于防护层的迎爆面造成压碎破坏并形成爆坑；随着冲击波在结构内继续传递，结构
迎爆面的受压损伤区进一步扩大，且结构背爆面开始出现剥落损伤；随着冲击波传播至结构底部，一部
分冲击波反射形成拉伸波，其产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度，致使结构背爆面将出现大面积震塌
破坏；同样，结构侧面也因受拉应力作用而出现剥落损伤裂缝。此外，爆轰产物与结构的上表面相互作
用，在水体与结构的交界面处形成了空化现象。

Shock wave Steel fiber reinforced

Steel fiber reinforced porous concrete Shock wave
porous concrete Incident wave Reflected wave
Reinforced
Reinforced Tensile concrete slab
concrete slab wave
Transmitted wave Crushed
Incident Reflected zone
wave z wave
α α
x
Cavitation
Transmitted wave Spalling zone Spalling zone
Transmitted wave
Tensile
wave
Spalling zone
图 6 钢纤维增强多孔混凝土的结构毁伤机理
Fig. 6 Structural damage mechanism of steel fiber reinforced cellular concrete

2.2 失效模式
为了更好地分析防护层材料配比和炸药量对 RC 板损伤程度的影响，损伤程度主要以正爆面爆坑直
径、背爆面最大裂缝长度、板中心剥落损伤深度与宽度为主要度量指标进行分析。RC 板在无防护方案
下的破坏模式如图 7 所示。由图 7 可知：RC 板严重受损，正爆面爆坑直径为 305 mm，边缘处出现径向和
环向裂纹；背爆面出现多条向四周扩展的裂缝，最长裂缝长度达 705.2 mm；板中心剥落损伤区宽度为
361.1 mm，剥落深度与爆坑深度相接，形成了贯穿性破坏。此外，在侧面还观察到了多条竖向裂缝。
不同配比钢纤维增强多孔混凝土防护层加固（工况 1～4）下 RC 板的破坏模式如图 8(a) 所示。可以

看出，在不同配比防护层加固下，RC 板的损伤特征相似：正爆面损伤表现为爆坑与环向裂纹，背爆面损

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