Page 84 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 吴 平，等： 接触爆炸荷载作用下钢筋混凝土板细观数值模拟及应力波的传播机理 第 9 期

针对接触爆炸瞬时强压缩作用下混凝土靶板的破坏机理模拟，本研究采用了一种简化的细观建模

策略。由于爆炸冲击波引发的极端压缩效应显著弱化了骨料-砂浆界面过渡区（interfacial transition zone,
ITZ) 对材料整体力学响应的贡献，该区域力学性能较弱，其在高速动态载荷下的失效过程对破坏模式演
化影响甚微。基于计算效率优化考量，本模型摒弃了传统 ITZ 离散化建模方法，采用骨料与砂浆基体的
理想化界面连接方式，通过节点直接耦合实现了材料界面的力学连续性。这种建模方法在保证破坏形
态仿真精度的同时，显著提升了大规模三维细观有限元模型的计算效能。图 5 直观展示了基于该建模
策略构建的混凝土多相复合结构三维数值模型。

Coarse aggregate

Matrix Rebars

图 5 钢筋混凝土板细观模型图
Fig. 5 Mesoscopic model of the reinforced concrete slab
本文提出的细观建模方法具备高度的几何适配性与工程扩展性，该方法可灵活生成任意尺寸的矩形
截面三维细观模型，突破了固定构型建模的局限。从组分建模层面，能够精准实现钢筋的参数化建模，可
完整复现柱、梁、板等典型钢筋混凝土结构的细观特征。在算力条件满足的前提下，该建模方法可适配
钢筋混凝土柱、梁、板构件的细观建模需求，且建模流程简单、参数化程度高，能够为不同尺度钢筋混凝
土构件的抗爆、抗震等动力响应分析提供统一的细观建模框架，具备良好的工程适配性与应用扩展性。
2.2 单元类型及失效准则
为提升数值模拟的可靠性与计算精度，本模型引入沙漏控制参数，设置沙漏黏性阻尼系数为 0.1 以
抑制非物理数值振荡。针对爆炸流固耦合问题，空气与炸药介质采用 ALE 多物质单元，而钢筋则选用梁
（beam）单元。根据 Yi 等 [37] 的试验观测结果可知，混凝土主要以迎爆面剪切压缩破坏、背爆面拉伸断裂
破坏为主导。为模拟宏观破坏中的裂纹分布和局部破坏，需为砂浆基体、钢筋和骨料添加失效准则，通
过 LS-DYNA 的*MAT_ADD_EROSION 关键字设定最大主应变为混凝土基体的失效判据。当单元主应
变超过限值时删除以模拟局部破坏，本文取最大主应变 0.01 为砂浆失效判据，该值是根据文献 [38] 中概
述的侵蚀标准通过一系列试验测试确定的。对于钢筋材料，主要以钢筋的断裂为主导破坏模式 [39] ，在钢
筋（塑性应变阈值 0.2）的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型中定义失效应变判据。此外，通过*
CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 关键字实现钢筋与砂浆基体间的力学耦合，以此来模拟界面间
的相互作用，而骨料与混凝土砂浆间则采用共节点连接，假设粗骨料和砂浆基体之间存在理想的结合 [40] 。
该建模体系在保证精准再现破坏形态的同时，兼顾了大规模动态显式分析的计算效率。
2.3 材料本构模型及爆炸有限元模型
在本文中，砂浆选用 K&C 损伤本构模型 [41-42] ，该模型能够准确预测混凝土结构在爆炸荷载下的动态
响应特征，该模型中的大多数参数与状态方程均可基于简单的材料输入参数自动生成。此外本文采用
了 Hao 等 [40] 所提出的混凝土强度动态增强因子公式，以考虑在爆炸荷载作用下混凝土的应变率效应。
砂浆基体与均质混凝土存在明显的材料性能差异，Qi 等 [21] 通过大量试验数据，从水灰比推导出一套经
验公式用以计算混凝土中砂浆组分的性能参数，具体公式如下：
m c /m w −0.5
f cm = (3)
0.047

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