Page 66 - 《爆炸与冲击》2026年第11期

第 46 卷 王帅帅，等： 数据驱动的箍筋加密钢筋混凝土柱爆炸损伤预测与评估模型 第 11 期

表 5 钢筋混凝土柱爆炸参数范围
Table 5 Range of explosion parameters for reinforced concrete columns
参数 符号 单位 选择值
炸药质量 W kg 5, 10, 15, 20, 35, 50, 100, 200, 250, 400, 500, 700, 1 000, 1 500, 2 000, 4 000
爆炸距离 S m 1，2，4，6，8，10，15，30

2.2.3 损伤评估指标
RC 柱的爆炸损伤评估需要确定一个损伤指数，采用 Shi 等 [35] 提出的基于 RC 柱剩余承载力的损伤
指数，定义为：
P r
D = 1− (5)
P n
式中：P 为爆炸后 RC 柱的剩余承载力；P 为未损伤的 RC 柱的极限轴向承载力，由数值模拟获得。基于
n
r
残余承载力的爆炸损伤评估指标适用于包括剪切破坏、弯曲破坏和弯剪破坏在内的不同破坏模式。基
于轴向剩余承载力的损伤指数被众多学者广泛使用 [30, 35-37] ，因此采取损伤指数 D 作为 RC 柱爆炸损伤评
估的依据，后续 ML 模型将以 D 作为模型的输出。基于此，参考 Shi 等 [35] 提出的损伤评估准则，将 RC 柱
的损伤程度按 D 划分为 4 类：0＜D≤0.2，轻度破坏；0.2＜D≤0.5，中度破坏；0.5＜D≤0.8，重度破坏；
0.8＜D≤1，倒塌。

2.2.4 RC 柱数值模拟
采用上述的数值模拟方法生成 RC 柱试件的数据库，建立含有柱头和柱脚的 RC 柱数值模型。为了
验证所选网格尺寸的可靠性，进行了网格敏感性分析。数值模拟结果表明，25 mm 的网格已具备较好的
计算精度。进一步细化网格仅能有限地提高精度，但计算成本会大幅增加。结合 Shi 等 [35] 和张兴站 [38]
相关研究中采用的 25 mm 网格，在兼顾计算精度和大规模数据生成可行性的前提下，最终在数值模拟补
充数据样本中采用 25 mm 作为有限元网格尺寸。
在边界条件与模型设置方面，约束柱脚的全部自由度以及柱头除轴向（z 方向）外的全部自由度。爆
炸源均距离地面 1 m，混凝土和钢筋的相关参数与上述数值模型的参数相似。侵蚀准则参考文献 [31, 39]
确定，混凝土侵蚀准则采取最大主应变为 0.1，在数值模拟过程中，当混凝土单元满足侵蚀准则时，混凝
土的相应失效单元将被删除。
RC 柱的残余承载力可以通过以下步骤 [35] 获得：首先，通过动力松弛将轴向荷载施加于柱顶，同时施
加了柱本身重力荷载，待结构达到静力平衡状态后，施加爆炸荷载；爆炸冲击结束后，当 RC 柱上所有节
点的速度衰减至 0.1 m/s 以下时，将节点速度重置为零，保留其爆炸残余变形与材料损伤状态；最后，对处
于受损状态的 RC 柱顶部施加位移，直至结构发生破坏。提取该过程中轴力的峰值，即 RC 柱的爆炸后
残余承载力 P 。获得 P 后，即可根据式 (5) 计算出每个模拟工况的损伤指数 D。
r
r
为 了 更 直 观 地 展 示 上 述 流 程 及 损 伤 指 数 ， 以 本 数 据 库 中 典 型 R C 柱 样 本 为 例 。 该 柱 的 截 面
尺寸为 500 mm×500 mm，高度为 5 000 mm，混凝土立方体的抗压强度为 45 MPa，轴压比为 0.2。在经
受 50 kg 炸药、距离 2 m 的爆炸荷载冲击并完成速度重置后，对其柱头施加轴向位移荷载。有限元模
型如图 6(a) 所示。图 6(b) 为爆炸荷载下 RC 柱的归一化损伤指标云图。鉴于 K&C 模型对裂缝等现象
的表征存在一定局限性，仅将该云图作为破坏区域的直观示意。从图 6(b) 可见，柱底及柱身中部的受
拉区数值较高，反映了该区域混凝土的力学性能发生了严重退化。图 6(c) 展示了受损柱在爆炸后位
移加载下的归一化损伤指标分布，用于呈现柱身中上部区域损伤的进一步演化。需要明确的是，对
RC 柱损伤程度的定量评估并未依赖云图数值，而是统一基于结构的轴力-位移曲线进行计算。图 7 展
示了无损柱和爆炸受损柱的轴力-位移曲线，无损柱的极限承载力 P 为 n 10 454.66 kN，而爆炸受损后柱的
剩余极限承载力 P 为 r 7 412.57 kN。基于式 (5) 计算得到的有限元模拟损伤指数为 0.291，根据评估准则，
判定为中度破坏。

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