无论是由于工业事故还是蓄意的恐怖袭击引发的爆炸事件，都对建筑物结构、关键基础设施和公共安全构成严重威胁[[1], [2], [3]]。在土木工程中，由于圆柱壳体具有良好的机械性能和独特的建筑美学，在军事防护工程和大型公共建筑（如交通枢纽、体育场、会议中心和歌剧院）中得到广泛应用[[4], [5], [6], [7]]。这些标志性结构通常用于聚集人群或保护重要设施，因此成为恐怖袭击或军事打击的潜在主要目标，如图1所示。爆炸的后果可能包括巨大的经济损失、人员伤亡以及重大的社会和政治影响。因此，提高圆柱壳体的抗爆性能具有重要的工程价值和社会意义。
图2
抗爆设计中的主要挑战在于准确预测结构表面的爆炸载荷并建立适当的载荷模型[8]。大多数现有的研究和设计规范仍然依赖于确定性载荷模型，通常使用一组保守的参数来预测爆炸效应[9]。然而，实际的爆炸事件具有高度不确定性，包括源条件、传播路径以及测量或模型偏差的变化[10]。在这种情况下，单一的确定性分析无法量化这些不确定性带来的风险，可能导致设计过于保守或低估低概率、高后果事件的风险。因此，开发能够系统表征这些不确定性的概率载荷模型已成为抗爆设计中的关键需求。
现有研究表明，不同学者提出的经验公式对爆炸超压的预测结果可能存在数量级的差异[11,12]。这种显著差异主要归因于爆炸波传播和相互作用过程的固有变异性[13]。与自由场爆炸波参数相比，结构表面（尤其是圆柱壳体这样的曲面）上的爆炸载荷表现出更大的分散性。曲率效应导致反射波的叠加和散射更加复杂，挑战了基于平面反射理论的传统模型的适用性。最近，一些研究人员开始关注爆炸载荷的随机性质。例如，Qi[14,15]对圆顶结构进行了多次爆炸试验，观察到冲击力、反射超压和波衰减系数的显著变化，而传统的CONWEP模型未能准确捕捉到这些变化。Stewart[7], [8], [9]通过可重复的现场试验，统计得出了峰值超压和冲击力模型的变异系数（COV），这些系数可以用对数正态分布来描述，为可靠性设计提供了定量支持。随后，Stewart[16]提出了一种基于回归方程的简化方法，直接计算空气冲击载荷的变异性和基于可靠性的载荷系数。同时，Yang[17]系统分析了不同距离下爆炸超压的分布模式。
然而，上述研究大多仅停留在对总体变异性的初步量化阶段，缺乏对关键变异源（如装药方向误差和重复性随机误差）的系统分离和定量贡献分析。此外，尚未建立能够表征复杂曲面上载荷空间变异性的概率模型。明确识别和区分不同来源的变异性对于理解爆炸物理机制、开发高精度概率模型以及指导有针对性的安全设计至关重要。
为此，本文旨在构建一个适用于实际场景的概率爆炸载荷设计框架。通过结合重复的爆炸试验和数值模拟，首次量化了重复性随机误差和装药方向系统偏差对载荷变异性的独立贡献。第2节描述了圆柱壳体外部爆炸的实验方法及数值模拟验证。第3节分析了爆炸载荷变异性的特征，确定了不同载荷参数的最佳概率分布，并展示了载荷变异系数在壳体表面的空间分布。第4节建立了一个基于特定分位数的概率载荷模型，该模型可以直接与现有的可靠性设计规范集成，为圆柱壳体的概率抗爆设计和安全性评估提供了实用工具。
