Page 171 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 杨石刚，等： 柱形装药接触爆炸作用下钢纤维混凝土靶成坑效应预测模型 第 9 期

increasing effective charge mass, while the crater diameter D and depth H show a power-law growth. For a given effective
charge mass Qₑ, the cratering effect is more concentrated on the expansion of the crater diameter. The developed predictive
model allows for rapid and reasonably accurate calculation of crater dimensions in SFRC with different strength grades and
effective charge mass, providing a theoretical basis for the blast-resistant design of SFRC structures.
Keywords: steel fiber reinforced concrete; cylinder charge; contact explosion; crater depth; crater diameter

钢纤维钢筋混凝土（steel fiber reinforced concrete，SFRC）作为土木工程领域的重要建筑材料，因钢纤
维的掺入显著提高了混凝土韧性、阻裂能力及应变能密度，可有效衰减冲击波在材料内部的传播能量，
被广泛应用于指挥所、飞机掩蔽库等高抗力防护工程中 [1-3] 。俄乌冲突中，无人机、钻地弹和攻坚弹等先
进武器对防护工程的打击频发，因此有必要开展爆炸冲击荷载作用下 SFRC 的破坏模式研究。
目前，对于接触爆炸作用下 SFRC 结构的成坑效应已进行了一些研究。郑全平等 [4] 和李晓军等 [5] 通
过 94 组 SFRC 板接触爆炸实验发现，随着装药量的增大，SFRC 板依次呈现爆炸成坑、临界震塌、爆炸震
塌、临界贯穿和爆炸贯穿等典型破坏模式。Zhao 等 [6] 开展了 SFRC 板接触爆炸试验，发现当柱形装药装
药量从 80 g 提高至 150 g 时，SFRC 板迎爆面爆坑直径增大了约 24%。魏久淇等 [7] 实验研究了不同装药
量和混凝土强度条件下 UHPC（ultra-high performance concrete）板的局部破坏特征（爆坑深度、爆坑直
径），并通过接触爆炸爆坑直径和深度经验公式，给出了不同装药量条件下 UHPC 的压缩系数和成坑系
数 。 Li 等 [8] 通 过 数 值 模 拟 研 究 了 不 同 板 厚 和 装 药 量 对 UHPC 板 成 坑 效 应 的 影 响 ， 得 出 当 装 药 量 从
0.1 kg 增大至 1 kg 时，UHPC 发生贯穿破坏；当板厚从 100 mm 增大至 150 mm 时，迎爆面爆坑直径和背爆
[9]
面爆坑直径分别降低约 18.5% 和 12.8%。Zhao 等 、 Luccioni 等 [10] 、Yang 等 [11] 、张永亮 [12] 、卢康道等 [13]
通过接触爆炸实验和数值模拟研究了钢纤维体积掺量（0%～6%）对 SFRC 损伤的影响。结果表明，随着
钢纤维掺量的增加，迎爆面和背爆面爆坑直径有所减小；但钢纤维掺量存在阈值，超过该阈值 SFRC 迎爆
面破坏程度趋于稳定。Luccioni 等 [10, 14] 进一步研究了钢纤维体积掺量（0.5% 和 1%）与长度（30 和 60 mm）
联合作用对 SFRC 靶体损伤特性的影响，指出当钢纤维掺量为 1%、长度为 30 mm 时，SFRC 靶破坏程度
最小。Lin 等 [15] 基于大量三轴压缩试验，对 K＆C（Karagozian & Case）、HJC（Holmquist Johnson Cook）和
CSC（continuous surface cap）模型中强度面参数进行修正，发现接触爆炸作用下，与 HJC 模型相比，
[18]
[17]
[16]
K＆C 模型和 CSC 模型对于 UHPC 板的爆坑深度和直径预测更为精确。Gan 等 、郝礼楷等 、王琰等 、
张强等 [19] 、方秦等 [20] 研究表明，柱状装药在混凝土靶体表面垂直爆炸时，装药长径比对靶体破坏程度具
有显著影响。具体表现为：装药质量一定时，靶体破坏程度随长径比增大而减小；装药直径固定时，靶体
破坏程度随长径比增大而增大，并在长径比大于 1.8 后逐渐趋于稳定。
综上所述，目前对于接触爆炸作用下 SFRC 的成坑效应的研究多集中于靶体厚度、钢纤维体积含
量 、 装 药 量 等 因 素 联 合 作 用 或 单 独 作 用 ， 少 量 涉 及 药 柱 装 药 量 和 长 径 比 联 合 作 用 的 研 究 也 未 建 立
SFRC 结构破坏特征量（如爆坑直径和爆坑深度等）的计算模型。为了弥补当前研究工作的不足，本文拟
开展柱形装药接触爆炸作用下 SFRC 靶的成坑效应研究，采用光滑粒子伽辽金与结构化任意拉格朗日-
欧拉（smooth particle Galerkin and structured- arbitrary Lagrange-Euler，SPG-S-ALE）流固耦合算法建立
SFRC 靶体数值模型，综合分析不同长径比 l/d 和装药量 Q 对靶体的破坏模式的影响，结合接触爆炸理论
与量纲分析，引入爆坑系数 K 与 1 K 构建爆坑直径 D 与深度 H 随有效装药量 Q 变化的预测模型，以期
2
e
为 SFRC 结构的局部抗暴设计提供理论参考。
1 数值模型

基于杨石刚等 [21] 开展的某型杀伤爆破弹毁伤 CF60 SFRC 结构试验结果，通过 LS-DYNA 软件进一
步研究柱形装药接触爆炸作用下 SFRC 靶的成坑效应。在爆炸载荷作用下，混凝土易发生大变形，导致
拉格朗日网格出现严重畸变。因此，朗格朗日方法常引入基于最大主应变或有效塑性应变的单元删除
准则以判定材料失效并删除畸变单元，这不可避免地造成爆轰能量的非物理耗散。光滑粒子伽辽金作

095201-2