一、简介

结构建筑物在其使用寿命期间可能会受到爆炸载荷的影响，包括意外瓦斯爆炸或恐怖袭击，这可能会造成重大的人员和经济损失。在过去的几十年里，军方和其他政府机构对设计承受爆炸载荷的结构表现出了极大的兴趣。针对日益增加的意外爆炸和恐怖袭击，人们开发了多种防护技术[ 1 ][ 2 ]。

由于世界各地故意和意外爆炸事件数量的增加，涉及结构设计和施工的整个链条对现有和新的民用结构在承受爆炸载荷时的性能评估表现出了浓厚的兴趣。

爆炸事件会产生短时高强度载荷，这会极大地影响结构的爆炸响应。与传统载荷相比，爆炸载荷的频率通常要高得多。当受到爆炸爆炸时施加到结构构件上的作用是冲击冲击波的形式。定义冲击波的参数是反射压力和正相持续时间。反射压力在正相位持续时间内的时间积分称为反射脉冲。火车站、大使馆和机场等公共建筑的设计应尽可能确保居住者的安全。此外，需要采取对策来降低爆炸的严重程度；3 ][ 4 ][ 5 ]。因此，迫切需要通过采用新的结构类型或新材料来直接增强重要结构的抗爆能力。

新开发的移动轻质材料（例如泡沫铝）在许多应用中用作保护层非常有吸引力，因为它们比传统技术重量轻、更便宜并且具有更大的能量吸收能力[ 6 ][ 7 ][ 8 ][ 9 ] [ 10 ]。

金属泡沫由充满空气的铝基体组成。由于其长的塑料压缩平台，金属泡沫可以在几乎恒定的应力水平下实现高能量吸收，使其成为减轻爆炸载荷对结构系统影响的理想材料[ 11 ][ 12 ]。

金属夹层结构广泛应用于航空航天、海洋和铁路系统等各个领域，因为使用金属结构具有低密度、高强度和良好的能量吸收能力[ 13 ][ 14 ]。当泡沫覆盖钢筋混凝土构件附近发生爆炸时，泡沫层会压缩并吸收大量能量，并为构件提供抵抗爆炸载荷的保护[ 15 ]。

保护重要结构免受爆炸强烈压力影响的另一种方法是使用不同尺寸和形状的屏障来衍射爆炸周围的建筑物和人员[ 4 ][ 16 ][ 17 ]。爆炸波，留下一个复杂的流场，改变施加在目标上的载荷[ 9 ][ 10 ][ 18 ][ 19 ]。许多研究人员从理论上、数值上和实验上研究了冲击波对不同几何构型的影响[ 20 ]-[ 27 ]。

普通混凝土是最广泛使用的建筑材料之一，但众所周知，由于其能量吸收能力差、抗拉强度差和脆性，不适合用于抵抗爆炸荷载等极端荷载。许多研究人员提出了几种方法，包括添加不连续纤维[ 28 ][ 29 ][ 30 ]、使用连续织物增强材料来克服普通混凝土的缺点[ 31 ][ 32 ]。

尽管高强混凝土（HSC）和高性能混凝土（HPC）普遍用于军用和民用建筑中以承受爆炸和冲击载荷，但它们在高载荷率下仍然缺乏足够的强度。因此，对具有优越性能以承受如此极端负载条件的新型建筑材料的需求不断增长。

超高性能混凝土（UHPC）是一种新开发的有前途的建筑材料，它含有纤维、低水胶比和高微硅含量，用细骨料代替粗骨料[ 33 ]。与传统混凝土相比，UHPC以其突出的强度、韧性、耐久性、延展性、使用性和安全性而闻名[ 34 ][ 35 ][ 36 ][ 37 ][ 38 ]，因此这些特性使其能够承受高应变载荷，例如如冲击载荷和爆炸载荷。

当爆炸近距离或与混凝土结构接触时，面对爆炸的表面会受到压缩，并可能在高压缩力下破裂并产生弹坑。当压缩冲击波在结构中传播并与自由表面相互作用时，远处的面会受到拉力，它会反射并转换为拉力波。由于混凝土的抗拉强度较低，如果净应力超过混凝土动拉强度就会形成裂缝。此外，如果捕获的冲量足够大，足以克服裂纹部分周边的阻力（例如粘合力和剪切力），则裂纹部分将从结构的背面移位。

当单个孤立建筑物承受大量烈性炸药爆炸产生的爆炸波时，建筑物所经历的压力-时间历史的计算通常相对简单，特别是对于建筑物直接面对爆炸的一侧。然而，如果场景的几何形状变得更加复杂（例如，当爆炸装置在有许多建筑物的城市环境中引爆时），对特定建筑物所承受的载荷的评估就会变得更加困难。如果某些建筑物的外墙部分或完全失效，导致爆炸进入建筑物，这种评估就会变得更加复杂。

本文旨在解释爆炸过程的不同特性，总结预测爆炸载荷特别是对结构的不同影响的不同方法，并说明结构对这些载荷的响应。

2、爆炸、爆炸现象

2.1. 爆炸

爆炸被定义为在有限空间内非常快速地释放大量能量[ 39 ]。爆炸通常分为核事件、物理事件或化学事件。火山喷发、压力容器的灾难性故障或不同温度下液体的剧烈混合都被视为物理爆炸。在不同相互作用的原子核内的质子和中子重新分布期间，不同原子核的形成所释放的能量形成爆炸。大多数固态或液态的实用炸药也称为浓缩炸药[ 39 ]。

当空气中发生爆炸时，会发生以下一系列事件 [ 39 ] [ 40 ]：

· 高温高压从爆炸中心释放。

· 气体剧烈膨胀，释放的高压将周围的空气推出其所占据的体积。

· 炸药释放的大部分能量传递到被推出的空气（现在处于压缩状态），并在爆炸反应的气体前面形成爆炸波。

· 爆炸波从爆炸源向外移动，爆炸波处的气压随着距离的增加而衰减。

· 气压下降并降至大气压以下，然后返回到平衡状态，其中没有气体或空气被推离源。

2.2. 爆炸载荷

爆炸载荷可分为受限爆炸和非受限爆炸。当爆炸在结构内部发生并且爆炸引发的冲击载荷因内表面的反射而放大时，就会发生封闭爆炸。当炸药在开放源中引爆并且冲击波从源传播到结构时，这被认为是无限制爆炸。无约束爆炸可分为自由空气爆裂爆炸、空气爆裂爆炸和表面爆裂爆炸三种类型。这种分类是基于它们相对于周围表面的位置[ 41 ]。

2.3. 爆破参数预测

自由空气爆破中的冲击波参数对于表征用于设计结构的载荷非常重要。图 1说明了自由空气爆发波前。Brode [ 43 ] 的数值分析得出了峰值侧向超压P so和缩放距离Z之间的关系（即方程（1.2）和（1.3）） 。

图形方法可以方便地确定上述冲击波参数。一些参考文献，例如 TM-5 [ 44 ]，提供了自由空气爆发的不同参数（Y 轴）与缩放距离（X 轴）的关系图，如图3所示，其中该图可用于确定正相位期间自由空气中的不同爆炸波参数仅使用缩放距离。

反射压力 ( P r ) 和脉冲 ( i r )的幅度将大于过峰值压力和脉冲。之所以会出现这种增强，是因为除了在冲击波中以压差形式存储的势能之外，构成冲击波的空气颗粒也具有速度，因此也具有动能。在这种情况下，当波遇到无限大的刚性壁时，颗粒会静止并在表面被压缩，导致压力增加[ 47 ]。理想化的压力-时间历史

2.4. 爆炸效应预测方法

以下方法可用于预测爆炸对建筑结构的影响：

1）经验方法与实验数据有关。这些方法大多数都受到基础实验数据库范围的限制。随着爆炸事件变得越来越近场，所有经验方程的准确性都会降低[ 48 ]。

2）半经验方法基于物理现象的简化模型。尝试以简化的方式对潜在的重要物理过程进行建模。这些方法比经验方法依赖更广泛的数据和案例研究。因此，预测精度通常优于经验方法[ 48 ]。

3) 数值（或第一原理）方法基于描述控制问题的物理基本定律的数学方程。这些原理包括质量守恒、动量守恒和能量守恒。此外，材料的物理行为是通过本构关系来描述的。这些模型通常称为计算流体动力学（CFD）模型[ 48 ]。

还有其他尝试来预测爆炸效应，其中 Khadid [ 49 ] 研究了爆炸载荷作用下的完全固定加筋板，以确定具有不同加劲肋配置的板的动态响应。这项研究包括网格密度、持续时间和应变率敏感性的影响。作者利用有限元法和中心差分法对非线性运动方程进行时间积分，得到数值解。

布兰斯等人。[ 50 ]提出了一种针对结构外部爆炸荷载的经验方法。作者使用基于 TM5-1300 的模型以纯拉格朗日方法进行爆炸评估，从而获得更精确和守恒的载荷。

Pandey [ 51 ]研究了外部爆炸对典型核安全壳结构的钢筋混凝土外壳的影响。使用非线性材料模型进行分析直至最终阶段。采用所用模型进行非线性分析的分析程序已在有限元代码 DYNAIB 中实现。

恩戈等人。[ 52 ]概述了承受爆炸荷载的结构的分析和设计，以了解爆炸荷载和各种结构元件的动态响应。

3. 空气喷射建模

当周围大气受到从爆炸中心向外产生的极端压缩脉冲时，就会产生爆炸波的冲击波。大于环境压力的瞬态压力被定义为过压。峰值超压 Ps+ 是给定位置处超压的最大值[ 53 ]。

3.1. 爆炸缩放定律

爆炸中产生的冲击波的特性取决于爆炸能量的释放和爆炸传播介质的性质。这些特性是在实验的受控条件下测量的（提供爆炸数据的参考集），可用于使用比例定律获取其他爆炸的数据。根据参考文献，最常见的爆炸缩放形式是霍普金森。[ 39 ]或立方根缩放定律。该定律指出，当两种具有相同炸药和几何形状但尺寸不同的装药在同一大气中引爆时，在相同比例距离下产生的冲击波本质上是相似的。

3.2. 爆炸波反射

当冲击波撞击与其传播方向不平行的表面时，会发生冲击波的反射。反射可以是正反射或斜反射。斜反射有两种类型，即正反射或马赫反射；反射类型取决于入射角和冲击强度[ 53 ][ 54 ]。

3.2.1. 法线反射

当冲击波垂直于表面时会发生法向反射，如图5所示。在入射冲击波U s通过介质之前，介质具有粒子速度U x。

当冲击波撞击刚性表面时，方向将迅速改变，因此，表面上的颗粒相对于距离表面较远但仍在运动的颗粒具有一定的速度。该相对速度与原始粒子速度大小相等、方向相反，并产生新的激波前沿穿过空气向后移动的效果；反射冲击，U r。然而，由于空气条件发生了变化，反射的冲击波将具有不同的特性。反射超压增加到P r，温度增加到T r，声速将为α r。

对于冲击波，通常将速度描述为马赫数，马赫数定义为介质中（冲击波前沿）的实际速度除以未受干扰介质的声速。例如，激波前沿在空气中的速度为马赫数M r ，而在入射激波时，激波前沿的速度为M x 。反射冲击波的特性可以用反射系数来描述，反射系数定义为反射超压与入射冲击波中的超压之比。

3.2.2. 定期反思

在规则反射中，爆炸波在M x处以β角入射冲击并发生反射。M r处的反射激波的角度为δ ，如图6所示。反射角一般不等于入射角。事件冲击前的空气状况（区域 1）仍处于压力P x和温度T x。在事件冲击之后（区域 2），空气条件与自由空气冲击相同，压力为P y，温度为T y。反射冲击波（区域 3）的空气状况具有压力P r和温度T r。

3.2.3. 马赫干形成

存在一个取决于冲击强度的临界角，在该临界角处不会发生斜反射。根据贝克[ 54 ]的说法，恩斯特·马赫表明，事件激波和反射激波合并形成第三个激波锋。所产生的激波锋被称为马赫干或马赫锋，其大致平行于地面移动，如图7所示，并且激波锋的高度不断增加。三个激波锋面的交汇点称为三相点。

3.3. 爆炸波特性的预测

3.3.1. 峰值超压预测

爆炸波最具破坏性的影响通常以峰值超压为特征。峰值超压的大小主要是武器当量、爆发高度和爆发距离的函数。使用数值和实验技术开发了多组超压方程[ 56 ]。

布罗德方程与中场和远场中的实验峰值超压结果具有良好的对应性，但在近场中则不然。Henrych 方程在近场和远场中给出了良好的对应关系，但在中场中则不然。

3.3.2. 动态超压预测

在许多情况下，根据结构的几何形状，冲击锋后面的强瞬变风可能具有更大的意义。这些阻力是结构的尺寸和形状[ 55 ]以及激波锋面后面的风产生的动压力峰值的函数。为了预测动态压力的峰值，需要几个波前参数。这些是由 Rankine 和 Hugoniot 于 1870 年首次发现的[ 55 ]，包括P S，峰值超压；ρ s，静态密度；和我们​，爆炸波前速度。

3.3.3. 反射超压预测

反射超压与入射超压之比称为反射系数，它是入射波峰值超压和波撞击表面角度的函数。当爆炸以直角或接近直角到达物体时，产生的反射会产生峰值反射超压P r ，

4. 爆炸荷载的结构响应

研究爆炸载荷结构的响应涉及非线性非弹性材料行为、高应变率和随时间变化的变形的影响。这种研究在分析结构的动力响应时非常复杂[ 48 ]。

因此，为了简化分析，假设了许多与结构响应和载荷相关的假设[ 48 ]。结构被理想化为单自由度（SDOF）系统，以实现该分析的原理[ 61 ]。弹性单自由度系统和弹塑性单自由度系统将在以下小节中介绍。

4.1. 弹性单自由度系统

瞬态问题最简单的离散化是通过使用 SDOF 方法实现的。实际结构被由一个集中质量和一个代表结构抗变形能力的失重弹簧组成的等效系统所取代[ 48 ]。图 8展示了理想化的弹簧质量系统。结构质量（M）受到外力（F（t））的作用，结构阻力（Rm）以垂直位移（y）和弹簧常数（k）表示。

4.2. 弹塑性单自由度系统

预计结构元件在爆炸载荷或高速冲击下会经历较大的非弹性变形[ 48 ]。因此，只有使用需要非线性动态有限元软件的逐步数值分析才能对动态响应进行精确分析。

最大位移以图表形式 TM 5-1300 [ 44 ]呈现，作为R u / F m选定值的一系列曲线，显示所需的延展性μ作为t d / T的函数，其中Ru是最终值或结构的最大阻力，T是自然周期。弹塑性单自由度系统在三角载荷作用下的最大响应如图9所示。

5. 高应变率下的材料行为

理想情况下，爆炸载荷会产生 10 2 - 10 4 s -1范围内的非常高的应变率。该速率将改变目标结构的动态机械特性，并相应地改变不同结构元件的推测损伤机制。对于遭受爆炸影响的钢筋混凝土结构，由于应变率效应，混凝土和钢筋的强度可以显着增加。不同载荷条件下预期应变率的大致范围[ 63 ]如图10所示。可以观察到，准静态（普通）应变率位于以下范围： 10 -6 - 10 -5 s -1，而爆炸载荷与 10 2 - 10 4 s -1范围内的应变率相关。以下小节描述了混凝土和钢筋的动态特性和行为。

5.1. 高应变率下混凝土的动态性能

动载混凝土的力学性能与静载混凝土的力学性能有很大不同。虽然动态刚度与静态刚度变化不大，但在动态条件下保留一定时间的应力可能会获得明显高于静态抗压强度的值，如图11 [ 52 ] 所示。

5.2. 高应变率下钢筋的动态性能

承受动态载荷的金属材料具有弹性和非弹性响应，由于其各向同性特性，可以轻松监测和评估。诺里斯等人。[ 66 ]测试了在应变速率范围为10 -5至0.1 s -1的拉伸下具有330和278 MPa两种不同静态屈服强度的钢。据报道，两种钢的强度分别提高了 9% - 21% 和 10% - 23%。Dowling 和 Harding [ 67 ] 使用 Split Hopkinton 压力棒 (SHPB) 的拉伸版本在低碳钢上进行拉伸实验，应变速率在 10 -3 s -1和 2000 s -1之间变化。他们的实验得出结论，体心立方（BCC）结构的材料（例如低碳钢）表现出最大的应变率敏感性。还发现低碳钢的较低屈服强度几乎可以提高一倍；极限抗拉强度可提高50%左右；并且上屈服强度可以相当高。相反，极限拉伸应变随着应变速率的增加而减小。Malvar[ 68 ]研究了在高应变率的作用下增强钢筋的强度。

六，结论

军事杀伤性武器的不断发展要求改进建筑材料和技术，以提高防御结构的抗爆能力。因此，随着恐怖袭击的增加和发展，特别是使用爆炸载荷的恐怖袭击，保护重要结构免受恐怖袭击是一个非常重要的课题。因此，本研究旨在涵盖历史背景和对现有研究工作的广泛文献回顾，重点关注爆炸环境特征、爆炸载荷的基本原理以及用于预测爆炸载荷的方法的描述。此外，该研究还涵盖了考虑高应变率的结构在爆炸载荷下的响应和材料行为的文献综述。接下来是探索用于保护承受爆炸载荷的钢筋混凝土结构的材料。结论是，研究爆炸现象、参数和预测方法对于设计各种类型应用的爆炸和爆炸载荷缓解系统非常重要。