巡航導(dǎo)彈打擊某大橋毀傷特性數(shù)值仿真

孫　奇，李聚軒，龔　亮，王　洋，劉　昊

(1.軍事交通學(xué)院 國(guó)防交通系,天津 300161; 2. 75660部隊(duì)， 廣西 桂林 541002;3.西安科技大學(xué) 國(guó)防生大隊(duì)，西安 710054)

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巡航導(dǎo)彈打擊某大橋毀傷特性數(shù)值仿真

孫奇1，李聚軒1，龔亮2，王洋2，劉昊3

(1.軍事交通學(xué)院 國(guó)防交通系,天津 300161; 2. 75660部隊(duì)， 廣西 桂林 541002;3.西安科技大學(xué) 國(guó)防生大隊(duì)，西安 710054)

為提高戰(zhàn)時(shí)橋梁抗毀傷能力并為制定加固方案提供參考，以數(shù)值仿真方法對(duì)某大橋進(jìn)行毀傷特性分析，在前處理軟件中建立巡航導(dǎo)彈模型，并對(duì)某大橋的實(shí)際主體橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，設(shè)置兩種導(dǎo)彈到達(dá)橋梁時(shí)的速度實(shí)現(xiàn)接觸爆和侵徹爆兩種攻擊方式，調(diào)整導(dǎo)彈的攻擊位置和攜帶的TNT當(dāng)量，使用LS-DYNA軟件進(jìn)行求解計(jì)算，得到了該橋3個(gè)位置在受到攻擊時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和不同程度的毀傷效果。

大跨度橋梁；LS-DYNA；爆炸載荷；數(shù)值仿真

近幾十年來，我國(guó)已建成一批具有世界先進(jìn)水平的大跨度橋梁[1]，這些橋梁對(duì)我國(guó)的交通運(yùn)輸發(fā)揮著不可替代的作用。然而橋梁施工圖設(shè)計(jì)原則中有抗風(fēng)、抗震、橋墩防撞[2]等明文規(guī)范，卻沒有考慮結(jié)構(gòu)抗爆方面的設(shè)計(jì)要求[3]，橋梁抗爆分析是個(gè)新的課題和挑戰(zhàn)[4-6]。橋梁較其他地面目標(biāo)有其特殊性，一旦破壞短期不易恢復(fù)[7]，在整個(gè)交通系統(tǒng)中具有關(guān)聯(lián)性，突擊破壞少量關(guān)鍵橋梁即可使整個(gè)交通系統(tǒng)癱瘓。因此，研究爆炸沖擊下橋梁的毀傷效應(yīng)，為整座橋梁的安全評(píng)估以及綜合防護(hù)提供參考。

近幾年，一些學(xué)者對(duì)橋梁受到爆炸載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析進(jìn)行了數(shù)值模擬，但這些研究都是基于橋梁的簡(jiǎn)化模型。本文基于LS-DYNA軟件以實(shí)際的某大橋?yàn)樵瓦M(jìn)行詳細(xì)建模，使用巡航導(dǎo)彈進(jìn)行攻擊加載，且考慮不同攻擊位置對(duì)某大橋的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及毀傷程度，使數(shù)值仿真更貼近實(shí)際。

1　有限元模型建立

大橋橋梁總長(zhǎng)2 529 m，主橋?yàn)?86 m+4×136 m+86 m)六孔單箱單室大懸臂直腹式預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，長(zhǎng)716 m，橋?qū)?2 m，箱寬10 m，兩側(cè)懸臂各6 m，梁高為3～8 m，底板厚為1.0～0.3 m，采用縱向、豎向及橫向三向預(yù)應(yīng)力體系，墩身為薄壁空心鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

1.1網(wǎng)格模型

1.1.1橋梁混凝土網(wǎng)格模型

有限元模型對(duì)長(zhǎng)為716 m的主橋進(jìn)行詳細(xì)建模，對(duì)引橋進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。橋梁及橋墩使用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，僅在網(wǎng)格過渡處使用四面體單元，網(wǎng)格數(shù)為142萬，單元使用單點(diǎn)積分算法。

1.1.2鋼筋網(wǎng)格模型

某大橋的鋼筋由普通鋼筋和預(yù)緊力筋組成，其中預(yù)緊力筋在受到爆炸載荷時(shí)，可以在混凝土中滑動(dòng)(筋的兩端固定)。在LS-DYNA中預(yù)緊力筋需要使用9號(hào)spotweld單元進(jìn)行創(chuàng)建，并通過關(guān)鍵字*INITIAL_AXIAL_FORCE_BEAM進(jìn)行預(yù)緊力施加。鋼筋的布置包括三向普通鋼筋和三向預(yù)緊力筋。創(chuàng)建完成的鋼筋有限元模型如圖1所示，圖2為圖1中黑框部分的放大圖，圖3為橋墩鋼筋有限元模型。

圖1　鋼筋有限元模型

圖2　部分放大鋼筋有限元模型

圖3　橋墩鋼筋有限元模型

1.1.3巡航導(dǎo)彈網(wǎng)格模型

巡航導(dǎo)彈有限元模型是基于美國(guó)AGM86C巡航導(dǎo)彈進(jìn)行建模(如圖4所示)，彈頭內(nèi)容積為0.291 1 m3，內(nèi)裝TNT炸藥質(zhì)量為497.8 kg。

圖4　巡航導(dǎo)彈有限元模型

1.2材料模型及參數(shù)

鋼筋的材料模型采用可考慮應(yīng)變率硬化的LS-DYNA中的隨動(dòng)硬化模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，混凝土材料模型使用LS-DYNA中的*MAT_CSCM_CONCRETE，該混凝土模型同樣可考慮應(yīng)變率硬化效應(yīng)。鋼筋和混凝土材料參數(shù)見表1。

表1　鋼筋和混凝土材料參數(shù)

由于在模擬過程中，TNT和空氣變形非常劇烈，所以TNT和空氣采用ALE單元進(jìn)行建模。TNT炸藥材料模型采用LS-DYNA中的MAT-HIGH-EXPLOSLVE-BURN材料模型，爆轟壓力和單位體積內(nèi)能及相對(duì)體積的關(guān)系采用JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述?？諝獠捎肕AT_NULL材料模型和線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程EOS_LNIEAR_POLYNOMIAL進(jìn)行描述。對(duì)于炸藥的不同等級(jí)，可以通過調(diào)節(jié)JWL狀態(tài)方程中的初始內(nèi)能，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)炸藥的不同等級(jí)。TNT炸藥材料參數(shù)見表2。

表2　TNT材料參數(shù)

1.3其他設(shè)置

炸藥與橋梁和鋼筋的耦合作用使用LS-DYNA提供的專用耦合關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID，其中耦合類型CTYPE設(shè)置為5，這樣可以實(shí)現(xiàn)侵徹耦合。對(duì)ALE單元的外邊界設(shè)置無反射邊界，以模擬無限域的空氣場(chǎng)。

2　仿真結(jié)果

通過設(shè)置導(dǎo)彈的初始速度為零實(shí)現(xiàn)對(duì)大橋的接觸爆，對(duì)導(dǎo)彈設(shè)置初始速度為300 m/s實(shí)現(xiàn)侵徹爆。由于炸藥在0.015 s左右時(shí)其后續(xù)破壞威力可以忽略，所以將求解時(shí)間設(shè)置為0.02 s，可充分觀察到大橋受到的破壞。

2.1主跨中部受到巡航導(dǎo)彈的攻擊

2.1.1接觸爆(普通等級(jí))

將巡航導(dǎo)彈放置為主跨的中間位置，設(shè)置初始速度為零，實(shí)現(xiàn)接觸爆。橋梁受到接觸爆后，中部出現(xiàn)了直徑9 m左右的洞口，洞口的鋼筋出現(xiàn)斷裂和掉落現(xiàn)象。且在腹板處出現(xiàn)裂紋，腹板的豎向裂紋長(zhǎng)約1.6 m，水平向裂紋長(zhǎng)2.1 m，底板的兩條裂縫均約15.6 m。由于沖擊波的振動(dòng)影響橋的頂板的邊緣出現(xiàn)了破壞(如圖5、6所示)。

圖5　普通等級(jí)接觸爆0.02 s時(shí)橋梁破壞剖面

圖6　橋梁頂板直徑9 m左右洞口毀傷

2.1.2接觸爆(提高一個(gè)等級(jí))

將炸藥狀態(tài)方程中的初始內(nèi)能改變?yōu)槠胀ǖ燃?jí)的9.2倍。如圖7、8所示，橋梁頂板出現(xiàn)了直徑約12.5 m的洞口，且頂板破壞的面積更大，底板的裂縫更寬更多，腹板的豎向裂紋長(zhǎng)約2.1 m，水平向裂紋長(zhǎng)3.3 m，底板的兩條裂縫均約18.1 m。

2.1.3接觸爆(提高兩個(gè)等級(jí))

將炸藥狀態(tài)方程中的初始內(nèi)能改變?yōu)槠胀ǖ燃?jí)的31.8倍。如圖9、10所示，橋梁中部出現(xiàn)了長(zhǎng)52 m、寬22 m(橋?qū)?2 m)的粉碎性破壞，且腹板和底板也出現(xiàn)了粉碎性破壞。

圖7　提高一個(gè)等級(jí)接觸爆0.02 s時(shí)橋梁破壞剖面

圖8　橋梁頂板直徑12.5 m左右洞口毀傷

圖9　提高兩個(gè)等級(jí)接觸爆0.02 s時(shí)橋梁破壞剖面

圖10　橋梁頂板粉碎性毀傷

2.2主跨端部受到巡航導(dǎo)彈的攻擊

將巡航導(dǎo)彈放置于主跨端部的位置處(如圖11所示)，為普通等級(jí)接觸爆工況。如圖12、13所示，主跨端部沒有出現(xiàn)主跨中部那樣大的洞。其破壞形式主要為裂紋：頂板出現(xiàn)橫向貫通裂紋，縱向一條長(zhǎng)約37 m的裂紋；腹板出現(xiàn)貫通頂板和底板的裂紋；底板出現(xiàn)長(zhǎng)約9 m的多條裂紋；內(nèi)板出現(xiàn)約6.8 m貫通裂紋。沒有出現(xiàn)洞口的原因?yàn)槎瞬績(jī)?nèi)部里有兩面加強(qiáng)的混凝土墻，致使其強(qiáng)度增加。

2.3橋墩受到巡航導(dǎo)彈的攻擊

將巡航導(dǎo)彈放置于靠近橋梁的橋墩處(如圖14所示)。攜帶炸藥為普通TNT，初始侵徹速度為300 m/s。爆炸為侵徹爆，定義導(dǎo)彈侵徹到橋墩的中部時(shí)開始起爆，求解時(shí)間為0.05 s。

如圖15所示，橋墩處出現(xiàn)豎直方向上的16 m的完全破壞，橋梁出現(xiàn)裂紋：底板出現(xiàn)X形裂紋，X的寬約為14.8 m；腹板和頂板的裂紋環(huán)向貫通。由于計(jì)算資源的限制，設(shè)定求解時(shí)間為0.05 s，隨著求解時(shí)間的繼續(xù)，橋梁會(huì)發(fā)生斷裂。

圖11　主跨端部受到巡航導(dǎo)彈攻擊局部模型

圖12　0.02 s時(shí)橋梁破壞剖面

圖13　0.02 s時(shí)橋梁破壞剖面

圖14　橋墩受到巡航導(dǎo)彈攻擊局部模型

圖15　0.05 s時(shí)橋梁破壞剖面

以上以某大橋原型進(jìn)行建模，模擬巡航導(dǎo)彈炸橋梁時(shí)的各種工況，獲得了不同位置處的毀傷形式：攻擊主跨中部時(shí)，毀傷形式以空洞為主；當(dāng)提高炸藥的等級(jí)時(shí)，洞口的形狀變大、裂紋變長(zhǎng)，符合預(yù)期的判斷；攻擊主跨端部時(shí)，由于橋梁的設(shè)計(jì)會(huì)在端部進(jìn)行加強(qiáng)，其毀傷形式以裂紋為主；攻擊橋墩時(shí)，進(jìn)行了侵徹爆分析，在炸藥為普通等級(jí)時(shí)，已將橋墩完全破壞。具體毀傷對(duì)比見表3。

表3　不同攻擊工況下的毀傷情況

2.4提高橋梁抗爆能力的措施

根據(jù)仿真模擬結(jié)果分析可知，提高橋梁戰(zhàn)場(chǎng)生存能力可采用的途徑：一是提高橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)承載能力，使橋梁具備承受制導(dǎo)武器的打擊而不失效的能力；二是根據(jù)仿真分析得到的橋梁破壞形態(tài)，針對(duì)性地確定所需搶修技術(shù)、搶修器材的種類數(shù)量，制訂搶修方案；三是盡可能把梁體部分設(shè)計(jì)成超靜定的連續(xù)梁，這樣既使中間墩遭打擊梁體也不會(huì)坍塌，部分構(gòu)件退出工作依然能夠承載，從而給搶修留出時(shí)間等。

3　結(jié)　語(yǔ)

相比先前發(fā)表過的研究工作[10]，本文建模更加真實(shí)，符合仿真精細(xì)化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)戰(zhàn)時(shí)類似的橋梁受到巡航導(dǎo)彈攻擊的破壞形式有可參考的預(yù)判。文中的相關(guān)參數(shù)采用的是常規(guī)的參數(shù)，沒有經(jīng)過試驗(yàn)標(biāo)定，下一步工作，需進(jìn)行一次爆炸打靶標(biāo)定試驗(yàn)，對(duì)文中模型的相關(guān)參數(shù)作標(biāo)定，從而可進(jìn)一步提高模型的精確性。

[1]王凱,李海超,王曉安.精確制導(dǎo)武器威脅下的深水大跨度橋梁戰(zhàn)時(shí)保障對(duì)策研究[J].國(guó)防交通工程與技術(shù),2010(1):11-13.

[2]劉建成,顧永寧.橋墩塑性防撞裝置的力學(xué)機(jī)理[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,37(7):990-994.

[3]鄧榮兵,金先龍,陳向東,等.爆炸沖擊波作用下橋梁損傷效應(yīng)的數(shù)值仿真[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,42(11):1927-1930.

[4]WINGET D G, MARCHAND K A, WILLIAMSON E B. Analysis and design of critical bridges subjected to blast loads[J].ASCE Journal of Structural Engineering, 2005,131(8):1243-1255.

[5]ANWARUL Islam A K M, YAZDANI N.Blast capacity and protection of AASHTO girder bridges [J].Forensic Engineering, 2006,217(4):311-326.

[6]Federal Highway Administration.Recom-mendations for bridge and tunnel security [R].Washington DC: Blue Ribbon Panel on Bridge and Tunnel Security,2003.

[7]張景鵬,游建新,廖新華.精確制導(dǎo)彈藥突擊橋梁目標(biāo)作戰(zhàn)研究[J].空軍裝備,2012(7):25-28.

[8]尚曉江,蘇建宇,王化峰.基于LS-DYNA動(dòng)力分析方法與工程實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008:1-3.

[9]陸慧蓮.基于LS-DYNA和HyperMesh的某型飛機(jī)垂尾前緣鳥撞分析[J].航空工程進(jìn)展,2013,4(4):498-502.

[10]劉林.精確武器打擊下橋梁毀傷研究[D].天津:軍事交通學(xué)院,2005.

(編輯：張峰)

Numerical Simulation of Damage Characteristics of a Bridge Under Cruise Missile Attack

SUN Qi1, LI Juxuan1, GONG Liang2, WANG Yang2, LIU Hao3

(1. National Defense Traffic Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2. Unit 75660, Guilin 541002, China;3. National Defence Student Brigade, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

To improve the anti-damage ability of bridge in wartime and provide reference for formulating strengthening scheme, the paper analyzes the damage characteristics of a bridge with numerical simulation method, and establishes cruise missile model in pre-processing software and models the actual main structure of the bridge. It sets up contact explosion and penetration explosion attack modes and adjusts the attack position and TNT equivalent, and solves the model with software LS-DYNA. From the result, we obtained dynamic response and different degree damage effect from three positions of the bridge under attack.

long-span bridges; LS-DYNA; explosion load; numerical simulation

2015-10-21；

2015-11-24．

天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(14ZCZDSF00024).

孫奇(1984—)，男，碩士，助教.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.02.020

U441

A

1674-2192(2016)02- 0084- 05