有限厚块石砌体钢筋混凝土结构板抗贯穿性能的实验研究＊

吴 飚，杨建超，刘瑞朝

（总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023）

块石强度高、易获取、成本低廉，是一种非常适宜做抗弹体侵彻的防护材料。选择合理的块石粒径、块石强度、砌筑密实度，并与混凝土结合使用，块石混凝土将具有良好的抗侵彻性能［1］。张伟锋等［2］利用LS－DYNA3D软件对弹体侵彻块石问题进行了数值模拟，讨论了块石尺寸对侵彻深度的影响，没有明确给出块石混凝土的抗侵彻机理，也没考虑块石防护层厚度的影响，即将其视为半无限厚介质。

关于有限厚混凝土板的侵彻贯穿问题，已取得了大量研究成果。J.A.Teland［3］对预估弹体侵彻贯穿混凝土板经验公式做了很好的总结。在理论分析模型方面，X.W.Chen等［4］基于动态空腔膨胀理论和冲塞机理，提出了三阶段模型；王明洋等［5］根据侵彻过程中介质的变形和破坏状态，通过破坏区与径向裂纹区的能量传递关系，得到了侵彻与贯穿问题的比例换算关系，描述了侵彻贯穿过程。这些研究对有限厚混凝土板侵彻贯穿问题的认识提供了帮助。

本文中拟通过有限厚块石砌体钢筋混凝土结构抗侵彻实验，研究块石尺寸、块石砌筑方式、块石钢筋混凝土结构对其抗侵彻性能的影响及其机理，以期为块石砌体钢筋混凝土结构抗贯穿设计提供参考。

1 实 验

1.1 试 样

选用的花岗岩块石抗压强度为150MPa；砌筑沙浆强度为60MPa；钢丝抗拉强度为417MPa，钢丝直径为1mm，钢丝网规格为10mm×10mm。

图1 GBRC靶结构示意图Fig.1Schematic diagram of GBRC target structure

实验靶板分为4种类型：（1）花岗岩靶板（G），尺寸为500mm×500mm×50mm；（2）C60钢丝网混凝土靶板（RC），尺寸为500mm×500mm×100mm，在靶板厚度方向均匀布置4层钢丝网；（3）花岗岩板与C60钢丝网混凝土板组合靶（GRC），总厚度为50mm，其中花岗岩板尺寸为500mm×500mm×30mm，钢丝网混凝土板尺寸为500mm×500mm×20mm，在靶板厚度方向均匀布置2层钢丝网，2块板之间由MU60水泥沙浆联结；（4）不同粒径花岗岩块石砌体钢筋混凝土结构靶（GBRC），总厚度为50 mm，花岗岩块石之间由MU60水泥沙浆联结，结构如图1所示。为了考虑块石尺寸的影响，这类靶板块石选用了4种不同的尺寸组合，如表1所示。

表1 不同GBRC靶板中花岗岩块石的尺寸Table 1Granite block sizes in different GBRC targets

1.2 实验方法

发射装置采用口径为30mm的火炮，弹体材料为优质合金钢42CrMo，为了考虑弹体材料强度对侵彻的影响，弹体加工时分别进行了调质和淬火处理。调质弹体（P1）材料强度为924MPa。淬火处理弹体（P2）材料强度为1 310MPa，弹头为卵型，曲径比为6.5；弹径为30mm，长径比为5.7，弹丸质量为0.325kg，弹丸外型见图2。本实验中预设弹丸速度为250m／s，实际弹丸速度为204～315m／s。

实验现场布置如图3所示，弹丸着靶速度用锡箔靶和电子计时仪测定，弹体入射角设定为70°，靶板置于沙箱前端，沙箱内密填细沙，用于支撑靶板和回收贯穿靶板的弹丸。

图2 实验弹丸照片Fig.2Photo of an experimental projectile

图3 实验装置布置示意图Fig.3Schematic layout of the experimental setup

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

分别用2种强度的弹体进行侵彻实验，实验主要参数及结果见表2，表中v为弹丸速度，α为弹丸入射角，β为弹丸偏转角，σb为弹体材料强度，h为弹丸侵彻深度。

为了将实验结果与混凝土、钢筋混凝土板抗贯穿极限厚度进行比较，本文中选用在抗弹体侵彻防护设计中常用的 NDRC公式［3，6］和 Birizuny公式［3，6］进行了计算，结果见表3。

表2 侵彻实验主要参数及结果Table 2Main parameters and test results of penetration experiments

图4 不同的靶板侵彻实验中弹、靶损伤情况Fig.4Damage effects of targets and projectiles in different penetration experiments

表3 侵彻实验与计算结果Table 3Experimental and computational results for projectiles penetrating targets

从表3中可发现，花岗岩板、花岗岩板与钢丝网混凝土组合靶、块石砌体钢筋混凝土结构靶具有比混凝土和钢筋混凝土板优良的抗贯穿能力，其中花岗岩板与钢丝网混凝土组合靶抗贯穿能力最强。设计良好的块石砌体钢筋混凝土结构，尽管其整体强度［6］比整块花岗岩和高强钢筋混凝土的低得多，但却具有很好的抗贯穿性能，这种能力甚至超过了整块花岗岩和高强钢筋混凝土。

2.2 靶材塑性变形分析

有限厚靶板的强度越高，其抗贯穿能力越强，反之抗贯穿能力越低，但有限厚靶板的抗贯穿能力还与其塑性变形能力密切相关。比较G2和GRC2靶板的抗侵彻实验结果可以发现，厚度相同的G2和GRC2靶抗高强弹体的贯穿能力差别很大。原因在于：G2靶是花岗岩板，尽管其强度很高，但断裂韧性差。弹体侵彻时，靶板背面迅速形成震塌剪切锥，随后弹体一方面推动剪切锥加速向后运动，另一方面弹体在剪切锥内继续侵彻。由于花岗岩板属脆性材料，剪切锥形成后迅速脱离母体，致使弹体随后的侵彻仅在剪切锥内进行。剪切锥脱离母体后失去周围介质的约束，其抗侵彻能力显著下降，弹体得以贯穿。GRC2靶是花岗岩板与钢丝网混凝土靶的组合，尽管弹体侵彻时，在花岗岩板背面也迅速形成了震塌剪切锥，但剪切锥受到背面钢丝网混凝土板的约束，仍能充分发挥其抗侵彻能力。同时钢丝网混凝土背板的塑性变形也吸收了部分侵彻动能，弹体最终未能贯穿靶板，见图5。实验结果说明高强花岗岩板与具有塑性变形能力的钢筋混凝土板组合，能充分发挥2种材料的抗侵彻特性，显著提高靶板的抗贯穿能力。

图5 GRC2靶抗贯穿的机理Fig.5Mechanism of GRC2target resistance to perforation

2.3 块石尺度效应分析

由花岗岩块石砌体钢筋混凝土结构靶的抗侵彻实验结果可以看出：其抵抗弹体的贯穿机理与花岗岩板钢丝网混凝土组合靶的十分相似，均能充分发挥花岗岩块的高强性能和钢丝网混凝土的塑性变形特性，具有优良的抗贯穿能力。但花岗岩块石砌体是由一定尺寸的花岗岩块石通过水泥沙浆联结构成，因此其抗贯穿过程又有其特殊性（见图6）：弹体侵彻花岗岩块石砌体钢筋混凝土结构靶时，花岗岩块石砌体背面迅速形成震塌剪切锥，但该剪切锥由于受块石和水泥沙浆的分割不能作为整体抵抗弹体侵彻，能抗侵彻的是与弹体接触的块石形成的剪切锥。这些剪切锥在背面钢丝网混凝土板的约束下，发挥着其抗侵彻能力。同时钢丝网混凝土背板的塑性变形吸收了部分侵彻动能，与花岗岩块石砌体共同抵抗弹体的贯穿。花岗岩块石砌体钢筋混凝土结构靶的抗贯穿特性与块石强度、块石尺寸、块石砌筑方式（包括水泥沙浆强度）、块石钢筋混凝土结构形式密切相关。

图6 GBRC靶抗贯穿机理Fig.6Mechanism of GBRC target resistance to perforation

实验中发现，花岗岩块石砌体钢筋混凝土结构靶正面弹坑尺寸比花岗岩靶、钢丝混凝土靶和花岗岩钢丝网混凝土组合靶的正面弹坑尺寸都小。其原因在于花岗岩块石砌体钢筋混凝土结构靶中的花岗岩块石之间有水泥沙浆分隔，花岗岩与水泥沙浆的波阻抗差异较大，花岗岩块石受到显著的边界效应影响。这种影响一方面使弹体在撞击靶板过程中产生的应力波受到花岗岩块石四周水泥沙浆界面的反射，削弱了其传播强度和传播范围，从而减小了正面弹坑尺寸；另一方面使有限平面尺寸花岗岩块石在弹体撞击过程中的受力状态发生改变，形成拉－压应力状态，加剧了弹体对接触区靶板的局部破坏。这种边界效应的影响与块石平面尺寸、块石厚度和弹速均有关。块石厚度和弹速一定时，其影响取决于块石平面尺寸。块石平面尺寸越小，影响越大；块石平面尺寸越大，则影响越小。此外，块石越大，块石形成的剪切锥也越大。因此在GBRC1～GBRC4靶板的抗侵彻实验中发现，随着花岗岩块石尺寸的增大，靶板的抗贯穿能力增强。

2.4 弹体强度效应分析

通过实验还发现，弹体尤其是弹头在侵彻过程中是否发生变形或破坏对其侵彻能力有重要影响。其原因主要来自3方面：首先，弹体发生变形或破坏将消耗部分侵彻动能，从而减轻了其对靶板材料的破坏；其次，弹头变形或破坏改变了弹－靶接触方式，增大了弹－靶接触面积，增强了靶板对弹体的抵抗力，不利于弹体侵彻；最后，由于弹头的变形或破坏改变了弹体侵彻方向，导致弹体偏航，减少了其有效侵彻。侵彻过程中弹体的变形破坏与弹速、靶板强度密切相关。

3 结 论

（1）有限厚靶板的强度越高，其抗贯穿能力越强，但有限厚靶板的抗贯穿能力还与其变形能力密切相关。

（2）设计良好的块石砌体钢筋混凝土结构，尽管其整体强度比整块花岗岩和高强钢筋混凝土的低，但却具有比它们更优良的抗贯穿性能。

（3）块石砌体钢筋混凝土结构的抗贯穿性能，与块石粒径、块石强度、块石砌筑方式、粘结强度、钢筋混凝土结构形式密切相关。块石粒径越大、块石强度越高、块石砌筑越密实、砌筑用水泥沙浆强度越高、钢筋混凝土背板抗塑性变形能力越强，则块石砌体钢筋混凝土结构的抗贯穿性能越好。

（4）弹体在侵彻过程中是否发生变形或破坏与弹体材料强度、弹速、靶板强度（包括靶板中主材强度）密切相关。弹体在侵彻过程中发生变形或破坏，其侵彻贯穿能力将显著降低。

［1］李晓军，张殿臣，李清献，等.常规武器破坏效应与工程防护技术［M］.洛阳：总参工程兵科研三所，2001：134－135.

［2］张伟锋，崔传安，龚华栋，等.射弹侵彻不同尺寸块石遮弹层的数值模拟［J］.淮阴工学院学报，2008，17（3）：46－49.

Zhang Wei－feng，Cui Chuan－an，Gong Hua－dong，et al.The numerical simulation on howitzer penetration rock shelter layer with different dimensions［J］.Journal of Huaiyin Institute of Technology，2008，17（3）：46－49.

［3］Teland J A.Review of empirical equations for missile impact effects on concrete［R］.PB98－170053，1998.

［4］Chen X W，Fan S C，Li Q M.Oblique and normal perforation of concrete targets by a rigid projectile［J］.International Journal of Impact Engineering，2004，30（6）：617－637.

［5］王明洋，戎晓力，钱七虎，等.弹体在岩石中的侵彻与贯穿计算原理［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1811－1816.

Wang Ming－yang，Rong Xiao－li，Qian Qi－hu，et al.Calculation principle for penetration and perforation of projectiles into rock［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（11）：1811－1816.

［6］Kennedy R P.A review of procedures for the analysis and design of concrete structures to resist missile impact effects［J］.Nuclear Engineering and Design，1976，37（2）：183－203.