美国陆军工程兵团利用UHPC抗爆设计的创新应用

首先申明，小编不是中国间谍，窃取美国军事机密。只是将美国陆军已经在ACI上公布的信息采集，供中国相关部队借鉴而已。

你们可以在文末给小编打赏

被提供者：查尔斯·克兰，美国陆军工程兵研究开发中心（USACE-ERDC）

描述：目前的混凝土结构防爆设计的ACI报告（PRC-370-14）不包括新的钢铁和混凝土材料的信息，例如高性能钢材料（如MMFX等）和超高性能混凝土。对该文件的提议修订将引起对这些材料及其可能性的关注。本演示将介绍这些材料的种类，并突出可能提供重要优势的性质。这些性质包括高强度、高韧性和更大的剪切承载能力。演示还将强调需要研究的目前知识空白，以便这些材料在保护性设计中得到充分利用。

https://www.youtube.com/watch?v=PBg9a--5ZRg

我是Kenning Cran，我在工程研究和开发中心的美国陆军工程兵团工作。我的主题是探讨如何为爆炸设计开发新型增强材料。我将简要介绍当前的编码限制，这些新材料是什么，它们如何可能对未来设计有益，实施的障碍是什么，以及我认为向前迈进的路径。此外，我还想简要讨论UFC 3341的更新，这是关于常规武器效应硬化结构的设计和分析。

我们当前代码中的一个问题是，根据您使用的代码，您的限制在6,000到13,000 PSI之间，而且这不仅仅是代码的变化，实际上是代码的某个部分的变化。有些代码在一个区域可以使用高达13 KSI，但在另一个区域则受到更低限制。这有点问题，因为对于超高性能混凝土，我们看到的值高达30,000 PSI，即使没有专门的热固化，我们仍然看到强度高达18到20,000 PSI范围。更重要的是，没有考虑到纤维的效果，纤维允许在混凝土中产生显著的张力和相当数量的延展性。为了突出这一点，您可以在右侧看到两组测试，这些测试样本除了一个含有纤维，另一个不含纤维外，其他都相同。因此，我们现有的代码没有捕捉到任何额外的延展性，实际上会认为顶部的延展性应该比底部的显著低。

正如我提到的，这些新材料可能具有显著更高的强度，也有更高的纤维含量，其张力容量可能相当大。右上角的图表显示了一些不同的UHPC，其中一些是我们在ERTIC内部开发的，另一个是Lafarge Whome提供的商业产品Ductal。您会看到，基于直接张力测试，我们看到的强度在1到2.5 KSI之间。这是我们获得的直接张力强度接近我们认为的混凝土最低压缩强度范围。当然，这可以非常有益地纳入设计。我还想指出，在这个直接张力测试中，我们看到的应变约为0.02，这是在一个测试样本上的。

这个裂缝大约18英寸长，所以它实际上是一个聚合裂缝开口，而不是真正的应变，因为它没有完全分布。尽管如此，您可以看到一个非常有延展性的裂后行为，我相信使用这种延展性在爆炸设计中有很大的潜在好处。最后，我们也在看钢材，我们有一些钢材的屈服强度高达120,000 PSI，但关于这些材料在更高应变率下的表现，文献中的数据非常少，这限制了它们在爆炸设计中的使用。我在右边展示的是我能找到的一些唯一的数据，这对我们土木工程师来说有点问题，因为它是以真应力真应变的形式呈现的。但我想指出的是，在黄色和紫色中，我们有这些材料在每秒7,000应变和每秒3,000应变下的高应变率行为。因此，有一些初步数据显示了这些非常高抗拉能力材料的显著动态增加。潜在的问题是，我本来要说在每秒700应变下的延展性不足，但实际上是卸载的，而不是完全测试到失败。

使用超高性能混凝土的潜在好处可能是，钢材需求显著减少，您知道从Bill的演示中看到的拥挤部分以及随之而来的困难。因此，想象一下，如果您能够从设计中去除大量的剪力加固，可建造性和劳动成本将会增加。此外，这些可能会进一步增加，因为这些高强度钢材可能会减少传统钢材所需的加固比例。当然，还需要进行更多的研究，了解实际上拥有更广泛的钢材间距会产生什么影响，这些钢材的延展性是否较低。所以我并不是建议每个人明天就去规格化120 KSI的钢材，但我确实认为，特别是使用这些材料，可以显著提高抗爆设计的可建造性。

我认为，为了真正利用增加的延展性，我们将不得不重新考虑我们的一些响应限制。目前，我们许多针对混凝土结构的响应限制都是基于二战轰炸报告。我们基于我们在40年代伦敦看到的情况，来确定我们认为的设计角度上的可接受旋转。特别是对于具有更高延展性的材料，我认为这些可以显著更新，以允许从这些材料中获得更多好处。现在，如果您要用这种材料设计，您仍然会受到与其他混凝土结构相同的支撑旋转限制，您实际上会将您的方钉锤入那个特定的圆孔。因此，另一个有趣的事情可能发生在那里，当您开始拥有更大量的允许延展性时，您开始在结构中引入其他类型的动作，您不再只是看。

在这种情况下，您实际上是在您的构件中引入了完整的膜作用，这可能会对您的结构其余部分产生非常不同的效果，无论是积极的还是潜在的负面的，这取决于在爆炸环境中施加负载的方向。因此，需要进行重要的研究来真正理解这些机制以及它们如何有益或有害。

保护结构的耐久性也可能显著提高。超高性能混凝土通常具有非常低的渗透性，对盐的渗入大约是普通强度混凝土的100倍，特别是当我们看到经常位于地下并与地下水持续接触的硬化结构时。有很多硬化结构因混凝土问题而出现水侵入问题。这些都是超高性能混凝土的潜在好处，同时也减少了保护设计中允许的覆盖层。一般来说，我们不太考虑覆盖层，它主要是为了环境保护。我们真正担心的是内外钢笼之间的距离。如果我们能减少所需的覆盖层，这将为使用这些具有更高环境抗性的材料提供额外的经济激励。

目前实施的障碍之一是缺乏指导。我们有ACI 239超高性能委员会正在缺席，该委员会正在制定设计指导和材料指导。还有许多研究需求，特别是那些未知的动态加载效应和结构响应限制。

我认为向前迈进的路径真的是一种分层方法。ACI 370的角色主要是教育，因为我们有能力在一个开放的分发地点介绍这些新材料的想法。我认为通过这样做，我们可以在爆炸设计领域创造对材料应用的兴趣，从而推动行业发展。我们可以通过举办会议来传播新研究，并突出显示需要研发的领域。更新pdco 608也需要成为这个路径的一部分，现在正在进行中，正在审视这些响应限制，并探讨我们是否可以获得更大的延展性，是否可以允许这些新材料产生显著的位移，从而更有效地使用它们。

最后，我认为这一切最终可能需要进入UFC 3341的更新，这是关于常规武器效应硬化结构的设计和分析，它是美国政府拥有的限制分发文件，特别是它属于陆军工程师长的管辖范围，这是一个三军服务手册。

我和John Garinger还有其他几位同事已经工作了五六年，我们终于获得了资金，在接下来的五年里对这份文件进行重大更新。那些从事爆炸设计的人可能熟悉这份文件，并知道它最后一次更新是在1998年。我们希望能够首次包含一些实际的超高性能混凝土（UHPC）方法论。具体来说，我们已经有了数据，可以适应现有的更高强度混凝土和UHPC的突破球曲线，我们还有一些更新的材料模型，特别是应力应变曲线、峰后行为等。

在接下来的五年里，我们希望通过这次更新实现的事情是，用现代结构工程方法对这些进行现代化，这些方法是自1998年以来我们创造的，包括一个更好理解响应标准和资产脆弱性的现代设计基础。显然，美国方面的武器在过去25年里发生了显著变化，我们可以想象，我们认为可能是对手的那些国家也可能增加或改变了他们的武器能力。我们希望能够简化代码，并特别增加引用和纠正现有代码中的错误。最后，整合过去25年的研发成果。你必须记住，1998年是911事件之前，所以我们对世界的理解，以及在某些方面可能模糊的线条，之前可能被非常细分为反恐和常规武器，那条线在911事件后在很多方面真的发生了变化。这些是一些主要的更新目标。

更新的组织方式是，我们使用CR标准变更请求，与33402一样，任何人都可以提交请求，指出某个特定部分不准确或不足。这些请求可以由顾问、其他政府人员、学者等提交，任何有权访问该文件的人都可以提交请求来更改标准。这并不意味着所有请求都会被采纳。基于这些，我们希望更新内容的相关性、合理性和整个文件的一致性。然后，我们希望产出的方式是最终的UFC，但也可能是在过程中逐步发布的工程建设公告（ECB），这是我们用来发布这些部分的方法，而不必将整个UFC发送给海军、空军和陆军的负责人进行批准。我知道你们中的许多人可能对此感兴趣，因此我已经包括了……

主要的联系人是John Garinger，他隶属于位于奥马哈的美国陆军工程兵团防护设计中心。他一直在领导这个防护设计中心，该中心拥有这份文件，而ERTIC则提供了一些主要的技术支持。我们希望能够在这个过程中吸引整个社区的人们参与进来。这就是我所拥有的全部信息，希望没有让我们更加落后。我可能还有时间回答一个问题，这样可以吗，Ganesh，有人吗？好吧，要么是我讲得非常清楚，要么大家都睡着了。好的，谢谢你们。谢谢。

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