钢管约束混凝土抗侵彻性能研究

第1章基本概念与基本方法 1.1引言 矛者攻，盾者守，从冷兵器战争到信息化战争，二者就一直相互较量、共同发展。在“矛”方面，随着钻地武器的发展，国防工程面临的挑战日趋严峻[1]；新型钻地弹的侵彻性能不断提高，打击精度和杀伤威力越来越高[2，3]。同时，近年来世界各地局部战争频发，城市作战成为主要形式，各种枪弹和炸弹/航弹破片对人员、装备及各种重要建筑物构成威胁。因此，如何提高军用装备、国防工程和重要民用建筑物的防护能力已成为防护领域的重要课题。在“盾”方面，随着防护技术的发展，侵彻/穿甲问题也由*初的军事领域，如装甲设计、工事设计、地面与地下国防工程建设等[4]，逐渐向能源、建筑、交通和航空航天等民用领域发展，如核反应堆的安全壳、发电站的冷却塔、石油射孔、高大建筑的防撞击、高速行驶车辆与乘客的安全防护[5-9]，以及飞机、卫星和空间站等防飞鸟、陨石和破片撞击等[10，11]。此外，近几十年来，全球范围内恐怖袭击事件数量不断攀升[12]，其中汽车炸弹和箱包炸弹等恐怖爆炸袭击产生的冲击波和碎片不仅可能对建筑结构造成整体破坏，也可能因局部侵彻而导致人员设备损伤。因此，如何应对恐怖袭击，提高民用结构的防护能力也是结构工程师和防护专家亟待解决的问题。 混凝土在防护结构中应用广泛，提高混凝土的强度和韧性是提高混凝土抗弹性能的有效途径。对于混凝土抗侵彻问题，如何提高遮弹结构和防弹墙等防护结构抗一次和多次打击能力成为研究热点。混凝土是典型的脆性材料，且脆性随着强度的提高而增大，断裂韧性的增加远不及强度的提高[13]；一次打击下容易产生大范围的裂纹，且损伤范围随打击次数的增加不断扩大，对整个防护结构的防护能力产生十分不利的影响。本书研究的钢管约束混凝土利用钢管对混凝土的侧向约束，使混凝土在侵彻过程中处于三向受压状态，从而提高混凝土的抗压强度和变形能力[14，15]，限制裂纹的产生和发展，使混凝土的破坏由脆性模式转变为延性模式[16]，进而提高其抗侵彻性能。蜂窝钢管约束混凝土结构与普通混凝土结构相比，具有以下优势：①利用蜂窝钢管的阻裂、阻波作用，减小冲击侵彻作用对相邻单元的损伤；②可充分发挥高强混凝土的优势，降低其脆性，并提高韧性，便于高强混凝土的工程应用；③便于规模化预制生产，方便现场拼装组合及修复、更换，在军事应用方面具有广阔的前景。 1.2混凝土防护结构抗侵彻技术 设置遮弹层是提高防护工程生存能力的有效方法[17]。早期遮弹结构主要采用块石、砂和土等传统材料与混凝土组成的层式结构，随着新材料、新结构和新技术的发展，混凝土防护结构抗侵彻性能不断提高[18-21]，但应用新材料成本较高且抗多发打击的效果不够理想[22]，而应用新结构可以充分发挥不同材料（结构）的性能，且成本较低。现有新结构主要有表面异形结构、非均匀结构和组合结构三种。 （1）表面异形结构[23，24]，通常是指设置在遮弹结构基本层之上的偏转层，其原理是使弹丸在着靶时产生偏航角，使弹体产生偏航甚至跳弹，进而减小侵彻深度，如表面异形偏航板、球面柱异形表面技术[1，25-28]等。 （2）非均匀结构，通常是指利用材料或结构的非均匀性，使弹体在侵彻过程中受到非对称阻力作用的结构，如混凝土栅板结构[29]和泡沫混凝土结构[30，31]。在材料或结构中加入芯体或块体也是非均匀结构经常采用的方法，该类结构能够使弹丸在侵彻过程中发生偏转或使弹丸产生破坏，从而达到减小侵彻深度的目的，如钢纤维混凝土加钢球[32]、刚玉块石混凝土[33，34]等。 （3）组合结构，通常利用不同性能的结构进行组合，充分发挥各种结构自身性能，进而达到提高整体结构抗侵彻性能的目的，如分层结构[35-37]、钢板-混凝土-钢板复合结构[38]和钢管约束混凝土结构[39-41]。但是，分层效应可能对其抗侵彻性能产生削弱或不利影响[42，43]；而钢管约束混凝土利用钢管的侧向约束作用使混凝土处于三向受压状态，从而提高了混凝土的抗侵彻性能[44]。 1.3混凝土抗侵彻研究方法 目前，混凝土侵彻问题的研究多针对半无限混凝土靶，采用的主要研究方法包括侵彻试验、数值模拟和工程模型三种[45，46]。 1.3.1侵彻试验 侵彻试验是*基本、*可靠的方法，相关研究可以追溯到18世纪前Euler开展的弹丸侵彻试验研究[4]。20世纪40年代以来，随着混凝土应用的逐步推广，混凝土结构的抗侵彻性能研究受到大批学者的关注。学者们提出了大量的半无限混凝土靶侵彻深度预测经验公式，如别列赞公式、修正Petty公式、美国陆军工程兵ACE公式、Kar公式、NDRC公式、Whiffen公式和Forrestal公式等[47]。20世纪70年代，Backmann等[48]对穿甲力学领域的发展进行了全面总结。现有试验研究多以缩比试验替代原型试验，缩比模型虽然可以降低试验费用和周期，但依据缩比试验得到的经验公式外延性差，适用范围有限。 侵彻试验表明，弹丸的着靶速度、弹体形状和弹丸材质是影响弹丸侵彻能力的主要因素。弹丸着靶速度不同，弹丸的损伤特性差异较大。当弹丸着靶速度较低时，即在常规弹丸着靶速度范围内（小于约1000m/s），侵彻后弹丸变形较小，弹体可视为刚体[49，50]；当弹丸着靶速度超过一定范围时，弹靶撞击过程中弹丸变形严重，弹头发生严重磨蚀和质量损失，甚至在侵彻过程中发生失稳现象[51，52]，表现出一定的流体性质；随着弹丸着靶速度的进一步提高，弹头的流体性质越来越明显[53，54]，可能出现侵彻深度随着靶速度增大而减小的现象。Frew等[55]、Forrestal等[56]和孙传杰等[57]进行了不同形状弹丸侵彻半无限混凝土靶试验，分析了弹体形状和弹丸着靶速度等对侵彻深度的影响。混凝土靶体损伤机理与弹丸着靶姿态、弹着点和着靶速度等因素密切相关[58，59]。 常规弹丸着靶速度下，半无限混凝土靶侵彻过程可分为开坑和隧道侵彻两个阶段。对于隧道侵彻阶段，当弹丸着靶速度较低时，响应模式为弹性-裂纹-粉碎；随着弹丸着靶速度的提高，裂纹区消失，响应模式转变为弹性-粉碎。此外，混凝土靶的平面尺寸对其抗侵彻性能也有影响，Frew等[60]进行的侵彻试验结果表明，当弹丸着靶速度小于340m/s时，模拟半无限混凝土靶的合理尺寸应不小于12倍弹丸直径。 混凝土是典型的脆性材料，侵彻过程中可能产生大面积的破坏，通过改善混凝土性能可提高其抗侵彻能力。改善混凝土性能主要是提高混凝土材料的强度和韧性，增加弹丸与混凝土之间的作用时间，耗散弹丸侵彻过程中的能量。提高混凝土性能的方法主要包括以下几个方面：一是提高混凝土强度[61-63]，但提高混凝土强度的同时，混凝土的脆性增大，效费比也有所下降；二是设置钢筋[64，65]，整体上增加含钢率可以提高混凝土的抗侵彻能力，并可以在一定程度上减小混凝土的破坏范围，但当钢筋网布置较稀疏时，其增强效应不明显[38，66]；三是采用高性能混凝土和超高性能混凝土[67-69]，通过增加纤维提高混凝土的韧性，改善混凝土的抗裂性能，从而减小混凝土的破坏区域[70-75]和提高混凝土抗多发打击的性能，但抗首发打击的性能并无明显提高[76-78]。此外，在活性粉末混凝土中掺入钢丝网，不仅能改善混凝土的韧性[79]，还具有较高的效费比。 提高混凝土粗骨料的硬度或增大粗骨料粒径可以提高其抗侵彻性能，混凝土粗骨料的硬度、粒径对有限厚度靶贯穿极限速度和破坏程度影响较为显著[67]，粗骨料对混凝土抗侵彻能力有重要贡献。现有试验表明，随着靶体粗骨料粒径的增大，靶体可以吸收更多弹体动能，靶的抗侵彻能力提高[63，80，81]；粗骨料的硬度对弹体的磨蚀效应有一定影响，粗骨料硬度提高，将增加侵彻过程中弹体质量损失[55，59]；而对于钢纤维混凝土，粗骨料粒径与钢纤维掺量存在较优匹配[82]。 1.3.2数值模拟 侵彻试验研究周期长、费用高，随着计算机技术的发展，数值模拟已成为研究侵彻问题的重要手段。数值模拟可以再现弹丸侵彻靶体的动态过程，模拟整体与局部的损伤，为侵彻机理的研究提供可视化平台。数值模拟结果的有效性和精度主要取决于采用的计算方法、材料模型以及网格划分等因素，但需要侵彻试验的检验。 1）材料模型 弹丸材料多为金属，大量试验表明，弹丸在侵彻混凝土过程中所表现出的材料性能与弹丸的着靶速度密切相关，着靶速度不同，弹丸的力学性能也不同[83-85]。当着靶速度较低时，弹丸变形可忽略，材料模型可采用刚体模型；随着着靶速度的提高，弹丸会发生塑性变形和磨蚀等现象，通常可采用Johnson-Cook模型或弹塑性硬化模型[86]模拟弹丸在高应变率、大变形和高温等作用下的强度特性及变形特点。 混凝土作为典型的脆性材料，在侵彻过程中表现出拉伸断裂、剪胀、刚度退化和应变率效应等现象。常用的模型有CSCM（continuous surface cap model）、HJC（Holmquist-Johnson-Cook）模型、TCK（Taylor-Chen-Kuszmul）模型和RHT（Riedel-Hiermaier-Thoma）模型等。CSCM考虑了高压软化效应，能够较好地反映混凝土大应变时的非弹性响应，可用于描述微裂纹和空穴等非弹性体积变化引起的变形，适用于模拟混凝土在冲击荷载作用下的动态响应[87]，但该模型主要适用于低围压混凝土，对高围压、高应变率和高强、高性能混凝土不适用。TCK模型考虑了含裂纹体的等效体积模量、裂纹密度和碎片尺寸等因素，能够模拟混凝土的拉伸损伤，模拟混凝土剥落现象的效果较好[88，89]。RHT模型考虑了应变硬化、失效面、压缩损伤和应变率效应等动态响应影响因素，适用于处理混凝土的压缩损伤，能较好地描述侵彻过程中混凝土的损伤变化。HJC模型考虑了混凝土在冲击载荷作用下的动态本构模型，能够模拟大应变、高应变率和高压等情况，能较好地描述混凝土在冲击载荷作用下的压缩损伤动态行为[90，91]，但该模型是一个塑性模型，对于描述弹丸侵彻混凝土初期的剥落与开坑不够理想。 2）求解算法 混凝土侵彻问题的求解方法主要有有限元法（finite element method，FEM）和光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics，SPH）法等，常用软件主要有LS-DYNA和AUTODYN等。 有限元的求解算法主要有Lagrange算法、Euler算法和ALE算法[92]。Lagrange算法将坐标固定在变形体上，坐标网格随变形体的变形而改变；该算法便于处理材料间的界面和自由面，计算效率高，但容易产生网格畸变。Euler算法是将坐标固定在空间上，分析给定空间上质点的运动规律；该算法有效避免了网格畸变的问题，处理大变形问题较为理想，但在处理不同材料间界面时不够理想，计算耗时长。ALE算法综合了Lagrange算法和Euler算法的优点，先将网格固定在变形体上，间隔一定的时间步长后再按一定的规则重新构造网格；该算法既避免了较大的畸变，又比Euler算法提高了计算效率和计算精度，适用于处理超高速碰撞问题。 SPH法[93]是一种无网格粒子法，采用一系列可以传递核函数的粒子来等效连续材料。该方法和有限元法一样可以追踪物质场变量信息和材料变形过程中的瞬态特性；该方法克服了传统网格的缺陷，避免了网格畸变等问题[86]，适用于研究高速碰撞等大变形问题[93-96]，但计算效率不高。FEM-SPH耦合法既避免了网格畸变、方便处理边界条件和自由面，又提高了计算效率，成为研究脆性材料侵彻问题的有效途径。该方法用SPH法描述局部作用大变形区域，以避免大变形区域Lagrange网格所造成的畸变问题，且符合脆性材料的变形状态特征；用FEM描述核心大变形区域以外的小变形区域，可大幅提高计算效率。因此，FEM-SPH耦合法