精確制導(dǎo)武器對(duì)特大型公路斜拉橋橋塔毀傷分析

龐 彧， 李海超， 管 曄， 崔子鑫

(1.陸軍軍事交通學(xué)院五大隊(duì)，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院國(guó)防交通系，天津 300161)

特大型斜拉橋可以有效的提升部隊(duì)的輸送能力、縮短運(yùn)輸時(shí)間、節(jié)約運(yùn)輸成本，但同時(shí)由于目標(biāo)大、搶修防護(hù)難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在精確制導(dǎo)武器已經(jīng)比較成熟的當(dāng)代，很容易成為敵人的打擊目標(biāo)，而且搶修非常困難。本文利用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)精確制導(dǎo)武器產(chǎn)生的爆炸荷載對(duì)特大型公路斜拉橋橋塔的毀傷進(jìn)行模擬仿真分析，為特大型斜拉橋橋塔的搶修和防護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 有限元模型的建立

1.1 背景資料

本文選取美軍聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈JASSM[1]對(duì)北盤(pán)江大橋橋塔進(jìn)行毀傷打擊模擬分析。

JASSM項(xiàng)目是美軍攻擊高價(jià)值、嚴(yán)密設(shè)防的地下、水面固定和機(jī)動(dòng)目標(biāo)的常用武器之一。JASSM有精確的制導(dǎo)能力和隱身抗干擾功能，在2013年完成美國(guó)空軍初始操作試驗(yàn)與鑒定，取得21發(fā)20中的成績(jī)，并可以在美國(guó)現(xiàn)役的B-1B、B-2、B-52、F-16、F-15E等戰(zhàn)機(jī)上進(jìn)行掛載，目前存儲(chǔ)量在2 100枚以上，已知的打擊距離大于925 km，具有侵徹和破片雙重功能的戰(zhàn)斗部，戰(zhàn)斗部的質(zhì)量為450 kg，TNT當(dāng)量為750 kg。

北盤(pán)江大橋?yàn)榛ㄆ啃偷碾p塔斜拉橋，主塔總高269 m(貴州岸)/246.5 m(云南岸)，全橋長(zhǎng)1 341.4 m，主跨長(zhǎng)720 m，橋塔總共分為上塔、中塔、下塔、橋墩、承臺(tái)五個(gè)部分。由于地理環(huán)境影響，兩側(cè)橋塔的高度不一樣，但是從橋塔的下塔部分開(kāi)始，兩側(cè)橋塔的高度相等，因此可以將全橋看作軸對(duì)稱(chēng)圖形，為簡(jiǎn)化計(jì)算，截取全橋模型的1/4進(jìn)行研究。下塔和中塔為變截面空心結(jié)構(gòu)，上塔為等截面空心結(jié)構(gòu)，主塔的受力筋主要為縱向鋼筋，外層鋼筋保護(hù)層厚度為92 mm，內(nèi)層鋼筋保護(hù)層的厚度為50 mm。

1.2 爆炸荷載有限元模型建立

本文選取CONWEP[2]經(jīng)驗(yàn)算法來(lái)模擬JASSM產(chǎn)生的爆炸荷載對(duì)斜拉橋橋塔的毀傷。這種算法適合于對(duì)結(jié)構(gòu)較大、較復(fù)雜的幾何體進(jìn)行爆炸試驗(yàn)的模擬，且不用考慮到空氣域和炸藥的建立。

1.3 橋塔有限元模型建立

橋塔混凝土采用強(qiáng)度為C50的混凝土，主筋材料為IHRB500E高性能鋼筋。混凝土選用RHT本構(gòu)模型和SOLID164單元,使用關(guān)鍵字*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3來(lái)定義，RHT模型考慮了應(yīng)變軟化等影響，更好地描述了混凝土材料在壓縮狀態(tài)下的力學(xué)行為，適合用于鋼筋混凝土在爆炸荷載下的毀傷仿真試驗(yàn)。鋼筋選用MAT_03 本構(gòu)模型和BEAM188單元；混凝土的失效利用*MAT_ADD_EROSION來(lái)定義；考慮到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘合和滑移，采用分離式建模的方法對(duì)鋼筋混凝土模型進(jìn)行建模，利用關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID來(lái)定義。

分別對(duì)混凝土部分和鋼筋部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鋼筋和混凝土均采用六面體網(wǎng)格的劃分方式，混凝土部分網(wǎng)格尺寸為0.2 m，總共劃分1 782 725個(gè)單元，2 062 944個(gè)節(jié)點(diǎn)；鋼筋部分的網(wǎng)格尺寸為1 m，總共劃分216 176個(gè)單元，434 534個(gè)節(jié)點(diǎn)。在對(duì)稱(chēng)面上添加對(duì)稱(chēng)約束，在模型的承臺(tái)底部添加固定約束，混凝土部分之間的接觸設(shè)定為綁定接觸。

1.4 有限元模型的驗(yàn)證

針對(duì)于特大型斜拉橋橋塔的爆炸試驗(yàn)難以實(shí)施，利用典型鋼筋混凝土板空爆毀傷試驗(yàn)[3]對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)毀傷模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

編號(hào)P2-3 爆炸試驗(yàn)中板試件尺寸為1 100 mm×1 000 mm×40 mm[4]，雙向單層配筋，鋼筋為I6HPB235，間距為75 mm；鋼筋直徑6 mm，試驗(yàn)測(cè)得極限強(qiáng)度為501 MPa，屈服強(qiáng)度為395 MPa。試驗(yàn)測(cè)得混凝土抗壓強(qiáng)度為40.45 MPa，對(duì)應(yīng)軸心抗壓強(qiáng)度為26.8 MPa。試驗(yàn)爆炸當(dāng)量460 g，爆炸點(diǎn)位于迎爆面中心正上方40 mm 處，比例距離為0.518 m/kg1/3。

依據(jù)P2-3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有限元模型尺寸選取1 100 mm×1 000 mm×40 mm。將邊長(zhǎng)為1 000 mm的面設(shè)置為固支邊界。為更好的體現(xiàn)出鋼筋混凝土的相互作用和力學(xué)性能，考慮到混凝土和鋼筋之間的粘結(jié)和滑移，采用分離式建模的方法，利用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字定義鋼筋混凝土的相互作用。鋼筋選用MAT_03 材料模型，混凝土選用 RHT材料模型?；炷恋氖Ю?MAT_ADD_EROSION來(lái)定義。爆炸荷載的模擬使用CONWEP 經(jīng)驗(yàn)算法來(lái)定義。網(wǎng)格尺寸選取8 mm，混凝土單元和鋼筋單元分別有86 250個(gè)和8 111個(gè)。

P2-3 鋼筋混凝土板爆炸試驗(yàn)的結(jié)果如圖1所示。鋼筋混凝土板空爆試驗(yàn)中，炸藥在板正上方400 mm處爆炸，產(chǎn)生爆炸沖擊波，沖擊波到達(dá)板的上表面(即迎爆面)處，混凝土產(chǎn)生壓縮破壞，出現(xiàn)爆坑，應(yīng)力波傳遞至背爆面，形成反射拉伸波，從而導(dǎo)致背爆面的混凝土產(chǎn)生層裂和崩塌現(xiàn)象。鋼筋混凝土板沿中心線發(fā)生明顯彎曲斷裂破壞，迎爆面和背爆面均出現(xiàn)一定數(shù)量的環(huán)形裂紋和徑向裂紋。鋼筋混凝土板毀傷數(shù)值仿真模型完整模擬了爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的開(kāi)裂、裂紋擴(kuò)展、雙向彎曲、背面層裂崩塌等毀傷過(guò)程，見(jiàn)圖2。數(shù)值仿真試驗(yàn)和爆炸試驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。

圖1 鋼筋混凝土板P2-3爆炸試驗(yàn)的結(jié)果

圖2 數(shù)值仿真塑性變形云圖

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1可以看出爆炸試驗(yàn)與模擬試驗(yàn)結(jié)果較接近，誤差在10%以?xún)?nèi)。在中心點(diǎn)的成坑形式、迎爆面和背爆面的裂紋走向、背爆面的層裂形式都非常的接近，但是由于在爆炸試驗(yàn)中受約束的邊不能像仿真試驗(yàn)?zāi)菢油耆潭?，因此在仿真試?yàn)邊緣會(huì)產(chǎn)生較大的裂紋，但是總體試驗(yàn)結(jié)果較為接近，誤差較小，因此此模型可以近似的模擬出爆炸荷載對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)。

2 爆炸荷載對(duì)斜拉橋橋塔的毀傷分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)M

根據(jù)斜拉橋橋塔的結(jié)構(gòu)，斜拉索的錨固區(qū)在上塔部分，上塔部分損壞會(huì)導(dǎo)致斜拉索的損壞，從而導(dǎo)致全橋受力的改變，屬于嚴(yán)重?fù)p傷，超出本文的研究?jī)?nèi)容。在選取被打擊位置時(shí)，要符合實(shí)戰(zhàn)需求，因此選擇橋塔的外側(cè)面為打擊面，選取中塔、下塔側(cè)面中心線上的7個(gè)位置進(jìn)行打擊模擬；選取炸藥當(dāng)量為750 kg，爆炸距離0.5 m，爆點(diǎn)工況位置如圖3所示。

以工況7為例，毀傷狀況如圖4、表2所示。

圖3 工況位置示意圖

圖4 工況7毀傷云圖

表2 不同工況的毀傷數(shù)據(jù)

對(duì)打擊過(guò)后的橋塔進(jìn)行剩余承載力的靜力試驗(yàn)，得出各個(gè)工況下的剩余承載力如表3所示。

表3 不同工況剩余承載力 kN

2.2 結(jié)果分析

(1)當(dāng)爆炸荷載到達(dá)橋塔迎爆面的時(shí)候，部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)瞬間損壞，毀傷區(qū)域近似于圓形，當(dāng)能量在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中傳遞后，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為抵抗外部能量而相互作用，最后形成近似長(zhǎng)方形的毀傷區(qū)域。由于在橋塔的外部表面和橋塔內(nèi)部空心表面均有鋼筋支撐，在爆炸荷載作用下，外層鋼筋混凝土部受到毀傷，之后能量繼續(xù)傳遞給中間素混凝土部分；由于素混凝土部分的抗拉強(qiáng)度較弱，所以素混凝土部分要比空心截面附近的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)先從內(nèi)遭到破壞，最后空心截面附近的鋼筋混凝土部分遭到破壞。

(2)在此爆炸荷載作用下，對(duì)存在空心截面的橋塔部分均產(chǎn)生了貫穿毀傷，毀傷寬度大約為空心部分的寬度；實(shí)心截面毀傷程度要小于空心截面。

(3)在相同爆炸荷載作用下，對(duì)中塔的1/2處即在工況3的情況下打擊毀傷的面積最大；但是毀傷面積最大的位置并不是對(duì)承載力影響最大的位置， 工況3的剩余承載力要高于工況2(中塔的1/4)的剩余承載力；工況2相比于無(wú)損狀態(tài)下的承載力下降最為明顯，下降比例約為20%。

(4)上塔和中塔、中塔和下塔的連接部位并非是最薄弱的部位，并且隨著打擊位置的下移，承載力變化呈先下降再上升的趨勢(shì)。在中塔部1/4毀傷，承載力下降大，之后呈上升趨勢(shì)；在下塔部1/2處承載力下降最大，之后呈上升趨勢(shì)。

(5)對(duì)于橋梁的防護(hù)，應(yīng)集中于對(duì)中塔1/2以上部位加強(qiáng)防護(hù)。中塔1/2的高程較高，達(dá)到70 m以上，不易搶修。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)特大型斜拉橋橋塔進(jìn)行毀傷分析，為其戰(zhàn)時(shí)防護(hù)和搶修提供了一定的數(shù)據(jù)支撐，為其搶修防護(hù)研究奠定了基礎(chǔ)。