Page 58 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 周 鑫，等： 混凝土中柱形装药的爆炸破坏分区及应力波衰减规律 第 9 期

an increase in the aspect ratio of the cylindrical charge leads to an acceleration in the attenuation of the normal peak stress.

Moreover, the established formula for calculating the peak stress of blast-induced stress waves enables accurate and rapid
determination of the normal peak stress generated by cylindrical charges with varying geometries and burial depths, which can
be served as a valuable reference for blast-resistant design of concrete structures.
Keywords: concrete; cylindrical charges; failure zones; explosion stress waves; peak stress
钢筋混凝土结构是抗爆结构中最主要的结构类型，混凝土材料广泛应用于各类民用建筑、防护工事
及遮弹层等防护屏障。以往针对常规武器的抗爆结构设计中，对固体介质中爆炸应力波的研究多针对
土壤和岩石介质（即地冲击问题），对混凝土中爆炸应力波的传播与衰减规律研究较少。一方面是因为
以往常规武器的精度较低，很难直接命中结构目标，地面结构的防护设计研究多基于结构外部爆炸场
景；另一方面，对地下结构来说，以往常规武器的侵彻能力一般难以突破上方的覆土层和遮弹层而直接

[1]
命中结构，因此地下结构抗爆通常仅考虑武器在结构外围介质中爆炸的情况 。然而，随着精确制导技
术、深钻地战斗部、超高音速武器等先进技术的发展，战斗部直接命中结构的概率大大增加。此外，当
前对结构类目标毁伤评估的需求日增，相对于仅需考虑一般偏保守情况的结构设计计算，毁伤评估计算
更需要明确各类极端加载情况下结构的破坏机理和毁伤程度。因此，对混凝土介质中常规武器爆炸应
力波效应的研究在当今显得尤为重要。
常规武器战斗部的装药形状多为圆柱形，因此，待研究问题可转化为柱形装药在混凝土介质中的爆
炸应力波问题。目前主要的研究手段为试验和数值模拟。早期试验研究方面，以柱形装药在空气自由
场中的爆炸试验居多，重点研究了不同长径比、不同起爆方式以及不同方位处爆炸波的荷载（超压峰值
和冲量）特征。Plooster 等 [2] 开展了一系列柱形装药空气自由场爆炸试验，测得了不同装药长径比、方位
角和比例距离处的爆炸荷载。Ismail 等 [3] 发现柱形装药产生的爆炸波非常复杂，超压时程曲线存在多重
峰值。Wu 等 [4] 通过开展空气自由场爆炸试验，对比了球型装药和柱形装药作用于钢筋混凝土板上的爆
炸荷载，试验结果表明，柱形装药正下方处的反射超压和冲量远大于相同质量的球型装药。Shi 等 [5] 通
过爆炸试验对比分析了装药形状对爆炸荷载的影响，结果表明，装药形状对爆炸近区的爆炸荷载影响较
大，当比例距离大于 5.0 m/kg 1/3 时，其影响可以忽略不计。对混凝土介质中柱形装药爆炸试验的研究相
对较少，黄家蓉等 [6] 测量了混凝土介质中柱形装药的爆炸应力波，并对试验工况进行了数值模拟，模拟
结果与试验结果吻合较好。Gebbeken 等 [7] 通过开展柱形装药接触爆炸试验，获取了混凝土状态方程
参数。
随着数值计算方法的发展与计算效率的提升，数值模拟已成为研究爆炸应力波问题的重要工具。
Sherkar 等 [8] 通过数值模拟分析了柱形装药形状和起爆点对空气自由场中爆炸应力波的影响，并认为装
药形状对入射超压峰值和冲量产生影响的临界比例距离分别为 3.69、2.74 m/kg ，而起爆点对爆炸荷载
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产生影响的临界比例距离为 3 m/kg ，超过该距离时，可忽略其对爆炸荷载的影响。Xiao 等 [9] 同样也开
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展了相关的研究工作，结果表明，柱形装药一端起爆产生的超压峰值和冲量最大，分别是等当量中心起
爆的球型装药的约 4.5 倍（超压峰值）和约 4.0 倍（最大冲量）。Gao 等 [10] 基于数值模拟研究了长径比和方
位对中心起爆柱形装药产生的空气自由场爆炸荷载的影响，并建立了爆炸超压峰值和冲量的实用化计
算公式。在此基础上，王明涛等 [11] 进一步开展了柱形装药空中爆炸数值模拟研究，提出了柱形装药空中

爆炸入射和反射冲击波荷载的计算方法。Gao 等 [12] 开展了混凝土中柱形装药爆炸试验，并结合数值模
拟，在先前提出的混凝土中球形装药爆炸应力波的峰值应力计算公式 [13] 基础上，建立了混凝土中柱形装
药爆炸应力波峰值应力的实用化计算公式，但其并未考虑爆炸应力波峰值应力衰减速度随传播距离的
变化。杨耀宗等 [14] 开展了混凝土中带壳柱形装药爆炸应力波衰减规律的数值模拟研究，建立了带壳柱
形装药峰值应力的计算公式，其适用比例爆距为 0.30～1.0 m/kg 。
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对于柱形装药爆炸应力波问题的已有研究以空气介质中爆炸荷载的分布特征居多，对混凝土介质

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