《Journal of Building Engineering》：Hybrid Modeling-Based Reinforcement Learning for Boiler Control in Data-Scarce Buildings Using a Simulation-Informed Digital Twin
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爆炸作用下钢筋混凝土板损伤机制与高保真有限元模型研究揭示后表面开裂、前表面开裂、剥离和碎裂四类损伤模式顺序发展规律，建立缩放距离与结构变形量化关系，为抗爆设计提供新准则。
作者：Dawon Park, Tae Hee Lee, Yena Lee, Jung-Wuk Hong
韩国科学技术院土木与环境工程系，大田市儒城区大鹤路291号，邮编34141，大韩民国
摘要
尽管钢筋混凝土（RC）板对爆炸的响应已经得到了广泛研究并有详细的记录，但现有研究往往忽略了在不同爆炸强度下破坏模式和裂纹发展的顺序过程。为了解决这一不足，本研究开发了一个高保真的有限元（FE）模型，并通过现场测试数据进行了验证，该模型针对三种不同的TNT炸药量进行了测试。该模型能够以前所未有的细节捕捉损伤发展过程，识别出诸如背面裂纹、正面裂纹、剥落和碎裂等关键模式。研究进一步定义了与这些破坏模式相对应的四个损伤极限（DL1–DL4），建立了缩放距离与结构变形之间的明确关系。这些结果为预测损伤发展提供了一个物理上一致的框架，并为抗爆RC设计提供了实用的参考标准。
引言
钢筋混凝土（RC）由于其耐久性和在多种应力条件下的适应性，是关键基础设施的重要组成部分。例如核电站等设施严重依赖RC材料，因为其具有出色的坚固性，这突显了理解RC在极端载荷下（尤其是爆炸载荷下）行为的重要性[1][2][3]。RC板在爆炸研究中起着关键作用，因为它们是大多数RC系统中的关键结构部件。许多研究考察了炸药量、爆炸距离、钢筋比率和材料强度等因素对RC板爆炸响应的影响，通常依赖于使用预制试样的现场实验[4][5][6]。然而，大规模的实验研究成本高昂且存在安全风险，这促使人们转向数值方法。有限元（FE）建模的进步大大增强了模拟各种结构在爆炸载荷下的能力，提供了比实验更安全、更灵活的替代方案[7][8][9]。此外，计算能力和人工智能（AI）的最新发展促进了机器学习（ML）技术（如深度神经网络（DNN）的应用，从而能够更准确地预测结构响应[10][11]。
在爆炸响应研究的各个方面中，RC板的损伤机制研究至关重要。初始表面裂纹、碎裂、剥落和穿孔等损伤会显著影响RC板的结构完整性和可用性[12][13]。Yue等人[14]提出了混凝土板在接触爆炸下的损伤模式（如碎裂和穿孔）的解析公式，强调了计算方法在确定损伤阈值方面的实用性。同样，Goel等人[15]研究了弹丸撞击下的穿透深度、剥落和穿孔深度，指出了经验公式与实验数据之间的差异。Holgado等人[16]使用DNN模型预测了近接触爆炸下RC板的破裂直径，强调了在数据稀缺情况下基于ML的工具的潜力。Abebe和Mohammed[17]进一步指出，爆炸引起的冲击波和碎片穿透可能协同作用加剧损伤，强调了制定稳健缓解策略的必要性。
尽管取得了这些进展，但仍存在一些研究空白。虽然RC板的典型损伤模式（如碎裂、剥落和穿孔）已有详细记录[14][15][16][17]，但这些模式的顺序发展过程尚未得到充分探索。早期裂纹作为即将发生严重损伤的关键指标，常常被忽视，对其发展及其触发后续破坏模式的作用存在不确定性。此外，许多研究基于导弹撞击的范式，假设损伤从正面开始并向后传播[18][19][20]（图1）。然而，我们的分析表明，爆炸引起的应力波主要导致背面产生拉伸破坏，从而形成了从背面到正面的损伤发展顺序（图2），而不是通常假设的从正面到背面的情况。这种差异从根本上改变了损伤模式的顺序，需要重新评估当前用于爆炸载荷下RC板的建模和分析方法。
捕捉这种详细的损伤发展过程面临多重挑战。在特定条件下，主导的损伤模式可能会掩盖其他模式或无法显现，使得数据收集和分析变得复杂。实验工作虽然非常宝贵，但受到安全风险、高成本和有限爆炸场景覆盖范围的限制。相比之下，数值方法需要能够精确模拟裂纹增长的高保真模型，同时不牺牲计算效率。优化这些模型并非易事，需要进一步的研究。
认识到这些挑战，本研究开发了一个计算效率高且精度高的数值模型，能够分析各种爆炸场景下的RC板响应。所得到的高保真3D爆炸模拟结果通过三种TNT炸药量（0.2、0.4和0.6公斤）的实验数据进行了验证。除了验证之外，该模型还探讨了超出实验范围的扩展爆炸场景，为极端条件下的损伤发展和关键阈值提供了新的见解。通过明确识别四种关键损伤模式——背面裂纹、正面裂纹、剥落和碎裂——这项工作为理解不同爆炸强度下的RC板行为提供了新的框架。这些发现确定了关键的损伤极限，可以作为设计和分析抗爆RC结构的实用指南，推动了理论理解和实际应用的进步。
部分摘录
文献中的现场爆炸测试
本研究开发的有限元模型基于从现场爆炸测试中获得的详细数据，这些数据在[21]中有引用。测试使用了钢筋加固的混凝土板，分别承受了0.2公斤、0.4公斤和0.6公斤三种不同TNT炸药量的爆炸载荷。测试系统如图3所示，提供了实验设置的快照和示意图。每块板的尺寸为宽1000毫米、长1100毫米、高40毫米。
定量响应的比较
为了验证FE模型的可靠性，首先检查了图7中显示的定量结果。图7a比较了在板边缘测量的爆炸超压的时间历史，包括数值结果、实验结果[21]和经验公式（ConWep [48]）的结果。数值结果与实验数据非常吻合，特别是在峰值压力大小方面，证明了模型在再现爆炸引起的超压方面的准确性。然而，在
随时间变化的顺序损伤
本研究使用开发的3D高保真有限元模型研究了钢筋混凝土（RC）板在爆炸载荷下的顺序损伤行为。爆炸测试通常涉及极端载荷条件，这可能会损坏或损坏观测设备，使得通过近距离照片或视频难以捕捉结构的顺序行为。在这种情况下，数值方法在分析顺序损伤方面具有显著优势
结论
本研究详细探讨了钢筋混凝土板在爆炸作用下的破坏机制，并提出了一个改进的框架，用于解释不同爆炸强度下的损伤发展过程。使用针对0.2公斤、0.4公斤和0.6公斤TNT炸药量的实验案例进行验证的高保真有限元模拟，再现了钢筋混凝土板在爆炸载荷下的结构响应。分析捕捉了基本响应
作者贡献声明
Dawon Park：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据整理、概念化。Tae Hee Lee：可视化、软件、方法论、正式分析。Yena Lee：可视化、验证、软件、调查。Jung-Wuk Hong：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了韩国核安全委员会（NSSC）资助的韩国核安全基金会（KoFONS）的核安全研究计划的支持（编号：00242257）。此外，本工作还得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的资助（编号：NRF-2022R1A2C2091533）。
