Page 126 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 李拓亨，等： 远距离爆炸荷载作用下城市连续梁桥的动力响应和破坏机理 第 8 期

并结合计算精度和效率考虑，确定流体域范围，a、b 和 h 分别为结构的长、宽和高，L 、L 和 y L 分别为空气
z
x
域各方向上的尺寸。然后，根据流体域入口到爆点的距离，在 LBE 法中设置爆炸参数，将远距离爆炸荷
载加载于流体域入口边界层上，流体域入口边界通过 AMBIENT 特殊单元进行定义，这层特殊单元将爆
炸荷载传递给相邻的 ALE (arbitrary Lagrangian-Eulerian) 单元。随后，爆炸波在流体域内自由传播，由于
爆炸波是通过流体网格计算的，因此不仅能模拟超压的衰减，还可自动计算空气粒子运动产生的动压作
用。最终爆炸波到达结构时通过流固耦合算法与结构相互作用，实现高精度的结构响应计算。
1.2 数值方法验证

Syed 等 [25] 针对 RC 板开展了大型远场爆炸试验，得到了 RC 板在远距离爆炸荷载下的动力响应和
破坏特征。由于针对桥梁结构的远距离爆炸试验匮乏，以 Syed 等 [25] 开展的 RC 板爆炸试验为参考，对远
距离爆炸荷载加载方法以及爆炸流固耦合算法进行可靠性验证。
1.2.1 流固耦合数值模型
根据文献 [25]，爆炸试验中 TNT 当量为 5 000 kg，并置于距 RC 板 40 m 处的地面，RC 板的 几何尺寸
及配筋信息如图 2(a) 所示，其混凝土抗压强度为 40 MPa，钢筋屈服强度为 400 MPa。根据试验场景，
建 立 R C 板 远 距 离 爆 炸 动 力 响 应 数 值 计 算 模 型 如 图 2 ( b ) 所 示 。 对 混 凝 土 和 钢 筋 之 间 通 过
*BEAM_IN_SOLID 关键字进行耦合，并分别采用六面体单元和梁单元进行建模，经过网格收敛性分析，
确定单元特征长度为 20 mm，单元总数为 3 万。除地面和冲击波入口以外，将其余流体域边界均设置为
无反射边界。设置测点 P1 和 P2 测量混凝土板中心和流场入口处的爆炸荷载。为减少计算规模，采用
非均匀网格对流体域进行划分，核心区域单元特征长度为 20 mm，流体网格总数约为 74 万。对结构模型
和流体域通过*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 关键字进行耦合，实现流固耦合计算。

2 700
3 000
Concrete panel N16 bars

200 200 Air
A
1 000 A
Support 500
Blast Point P2
Floor waves Point P1
2 000
100 1 900
Floor N16 bars
Section A-A
z
40 000 x y
(a) Experimental specimen information (b) Finite element model
图 2 RC 板模型（单位：mm）
Fig. 2 RC slab model (unit: mm)

1.2.2 材料本构关系
数值模型中的材料包括混凝土、钢筋和支撑框架以及流体域空气，其中支撑框架可被视为刚体。对
钢筋选取常用的 Johnson-Cook 本构模型，并采用文献 [26] 中 HRB400 的本构参数进行计算；对流体域空
气采用*MAT_NULL 模型进行描述，模型参数见文献 [27]。
混凝土具有压力敏感、应变硬化和软化、罗德角效应和应变率效应等特性，采用合适的本构模型及
参数描述其复杂的力学行为，对于获取合理可靠的数值结果至关重要。Karagozian & Case (K&C) 模型中
引入了 3 个破坏面，解耦体积变形和形状变形，并考虑了材料损伤、应变速率和静水压力对屈服应力的
影响，该模型全面描述了混凝土的静态和动态行为，特别是在爆炸冲击的模拟计算中具备鲁棒性 [28] 。因
此，采用 K&C 模型描述混凝土的力学行为。K&C 模型的屈服函数表示为：

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