Page 183 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 朱 擎，等： 细长薄壁弹冲击下高强钢-混凝土复合结构的厚度极限计算模型 第 7 期

strength steel and the thickness limit. In conclusion, though the proposed model offers a new theoretical approach, it has
limitations such as empirical parameters and conservative results. Further research is necessary to refine and enhance the
model. The study's findings provide a theoretical basis for the design and application of high-strength steel-concrete composite
structures in protective engineering.
Keywords: slender thin-walled projectile; high-strength steel; concrete; composite structure; thickness limit

随着现代武器技术的迅猛发展，钻地武器的侵彻能力与带药当量持续提升，传统钢筋混凝土结构愈
发难以抵御钻地弹侵彻爆炸所造成的毁伤。在此背景下，亟需研究具有更高防护能力的结构以对抗钻
地武器的打击 [1-2] 。当前，众多研究聚焦于对水泥基材料的改良。通过在混凝土内部掺入活性粉末、减水
剂、纤维和高强度骨料等方式来增强其强度与韧性，试验也证实超高性能水泥基材料的确能显著减小弹
体的侵彻深度和开坑直径 [3-5] 。然而，相较于弹体材料高达 1 400 MPa 的屈服强度，超高性能水泥材料强
度仍显不足，且脆性缺陷未得到克服，弹体冲击下，依然会产生侵彻隧道和侵彻开坑，而侵彻埋深所导致
的填塞效应还会增加爆炸威力 [6-9] 。
理想的防护效果是阻止弹体对结构的侵彻，减少爆炸能量向防护结构内部的耦合。基于此，有学者
提出在钢筋混凝土表面覆盖一层钢板，构成钢-混凝土复合结构。对该复合结构的抗冲击性能的实验和
数值模拟研究 [10-18] 表明，前覆钢板可有效增强结构局部强度，降低乃至消除弹体局部冲击引发的侵彻效
应。Bruhl 等 [10] 依据 130 组冲击试验数据，提出了适用于冲击速度 100～200 m/s 的低速冲击（钢材强度
为 300～600 MPa）钢-混凝土复合结构厚度三步设计方法。Cheng 等 [19-21] 和 Zhai 等 [22] 则考虑在混凝土表
面 覆 盖 强 度 更 高 （ 1 200 MPa） 的 装 甲 钢 ， 形 成 高 强 钢 - 混 凝 土 复 合 结 构 ， 以 应 对 更 高 速 度 下 的 冲 击
（300～600 m/s）。与普通强度钢材相比，高强度钢能够显著降低弹体对混凝土的侵彻深度，甚至抑制弹
体的塑性扩孔效应，实现无侵彻坑的防护状态，具有卓越的防护性能。但需要注意的是，上述研究针对
的是在半无限厚混凝土表面覆盖高强钢所组成的复合结构，其衡量复合结构抗侵彻能力的方式是通过
测定弹体穿透高强钢后对混凝土的侵彻深度。但在实际工程中，混凝土背板是有限厚度的，因此需要综
合考虑高强钢和混凝土背板的厚度极限问题。
针对实际工程中高强钢-混凝土复合结构的厚度极限计算问题，文献 [23] 中以冲击试验为依据，对
复合结构的穿甲模式进行了探究，并初步提出了高强钢-混凝土复合结构厚度极限计算模型，结果表明，
弹体无法对高强钢形成局部侵入，复合结构依靠高强钢环向剪力和混凝土背板支撑力抵御弹体冲击。
不过需要注意的是，文献 [23] 所提出的厚度极限计算模型是依据实心弹冲击试验构建的。而在防护工
程研究领域，战斗部的设计特征与结构响应特性对防护结构优化设计具有关键影响。实际战斗部出于
内部装药与引信集成需求，多采用细长薄壁结构设计。此类结构因材料分布与几何约束，其结构强度存
在固有极限阈值。在冲击高强钢等硬质靶材过程中，当弹体动态应力超过其结构强度极限时，弹体将发
生结构性破坏。弹体结构的失效破碎行为将显著改变细长薄壁弹与复合结构的弹靶作用机制。相较于
传统完整弹体冲击模式，结构失效后的冲击过程呈现出动态质量损失、冲击荷载下降等复杂特征。这使
得原有厚度极限计算模型难以准确描述实际冲击过程，其理论预测结果与工程实际间存在显著偏差，因
此需构建考虑弹体结构响应的新型分析模型。
本文以细长薄壁弹冲击复合靶试验为基础，深入探究复合结构的破坏模式和防护机理，分析弹体结
构承载力，并结合弹体结构强度对原有计算模型进行修正，进而构建细长薄壁弹冲击下复合结构厚度极
限计算模型。

1 复合结构和弹体的破坏模式

1.1 细长薄壁弹冲击复合结构试验
为研究细长薄壁结构弹体冲击下高强钢-混凝土复合结构的抵抗和失效模式，本文开展了 2 发弹体
冲击高强钢（high-strength steel, HSS）-混凝土复合靶试验。图 1 给出了试验弹体和复合靶的结构尺寸。

074201-2