研究背景

在现代防护工程领域，钢筋混凝土结构凭借其良好的力学性能和经济性，已成为抵御爆炸、冲击等极端荷载的关键结构形式。然而，此类结构在极端荷载下的动力响应是一个高度复杂的非线性过程，其力学行为涉及混凝土材料的动态本构关系、钢筋与混凝土界面的粘结滑移效应以及裂缝的产生与扩展等多个关键问题。此类冲击问题往往伴随显著的大变形、非连续演化及多物理场耦合效应，使得全尺寸物理实验在重现真实工况、捕捉瞬态破坏细节方面面临巨大挑战，且成本高昂。因此，发展高精度、高效率的数值计算方法，已成为深入研究钢筋混凝土结构冲击响应机理与评估其防护性能不可或缺的技术途径。

研究简介

团队基于非常规态型近场动力学（Non-ordinary State-based Peridynamics，NOSB-PD）理论，提出了一种钢筋-混凝土共节点耦合模型。该模型在节点层面实现钢筋与混凝土的自然连接与协同变形，无需引入额外界面单元，通过非局部积分直接完成力传递，避免了传统方法中界面参数难以标定的问题。同时，引入损伤相关的沙漏力模型控制零能模式，并采用点对体积接触算法处理弹体侵彻中的接触与摩擦效应，显著提升了计算稳定性与模拟精度。

基于该模型，团队模拟了刚性弹体侵彻钢筋混凝土板的全过程。如图1所示，考虑损伤的沙漏力模型在弹体残余速度预测上收敛于试验结果，而未考虑损伤的传统模型则出现沙漏力主导、系统刚度发散的问题。同样规律也体现在加速度响应中（图2），验证了在损伤问题中引入损伤相关沙漏力的必要性。点对体积接触算法则准确描述了侵彻过程中的接触与摩擦行为。

(a) 考虑损伤的沙漏力模型                                                      (b) 不考虑损伤的沙漏力模型

图1 不同沙漏力系数下的时间-残余速度曲线

(a) 考虑损伤的沙漏力模型                                                                (b) 不考虑损伤的沙漏力模型

图2 不同沙漏力系数下的时间-加速度曲线

图3-图5展示了弹体以641.5 m/s初速侵彻钢筋混凝土板的破坏演化过程。撞击瞬间，弹体前方混凝土形成局部压碎坑；随侵彻推进，径向裂纹萌生扩展，板背在应力波反射下形成圆形剥落区，钢筋逐渐暴露并弯曲（图6）。截面损伤分布（图5）清晰呈现了从局部损伤坑到背面锥形损伤区、最终板中部严重破碎的完整演化过程。

(a) 试验结果

(b) PD结果

图3 冲击初速为641.5m/s时钢筋混凝土板的破坏情况

(a) 前表面

(b) 后表面

图4 冲击初速为641.5m/s时钢筋混凝土板的破坏过程

图5 冲击初速为641.5m/s时钢筋混凝土板的截面损伤过程

图6 PD预测的钢筋变形过程

与FEM结果相比（图7），PD预测结果在整个速度范围内与试验数据吻合更好，尤其在弹道极限过渡区拟合偏差更小，充分证明了改进NOSB-PD模型及钢筋-混凝土共节点耦合方案对钢筋混凝土侵彻问题中复杂物理现象的模拟能力。

图7 不同初始速度下弹体残余速度的试验与数值模拟结果对比

本研究由河海大学计算力学与工程安全研究团队完成，将团队优势特色方向近场动力学与钢筋混凝土结构冲击破坏问题相结合，为冲击荷载下钢筋混凝土结构的动力响应与损伤评估提供了新思路。相关成果于2026年3月发表在期刊《Engineering Fracture Mechanics》上。本团队学术带头人黄丹教授为论文通讯作者，团队硕士生黄蕾为论文第一作者。论文的其他重要合作作者包括本团队博士生余泽洋和马启鹏、福州大学陈丁副教授、苏州科技大学姚学昊老师。本研究得到了国家自然科学基金项目（No. 12572226, No. 12302257）以及江苏省“青蓝工程”项目的资助。

《Engineering Fracture Mechanics》主要致力于发表与断裂、损伤及失效相关的原创性研究成果。在中科院最新分区表中，该刊分区为工程技术类2区，最新影响因子为5.3。

撰稿：黄蕾

审核：周广得