精確制導武器對特大型公路斜拉橋橋塔毀傷分析

龐 彧， 李海超， 管 曄， 崔子鑫

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

特大型斜拉橋可以有效的提升部隊的輸送能力、縮短運輸時間、節(jié)約運輸成本，但同時由于目標大、搶修防護難、結構復雜，在精確制導武器已經比較成熟的當代，很容易成為敵人的打擊目標，而且搶修非常困難。本文利用ANSYS有限元仿真軟件對精確制導武器產生的爆炸荷載對特大型公路斜拉橋橋塔的毀傷進行模擬仿真分析，為特大型斜拉橋橋塔的搶修和防護提供數據支撐。

1 有限元模型的建立

1.1 背景資料

本文選取美軍聯合防區(qū)外空地導彈JASSM[1]對北盤江大橋橋塔進行毀傷打擊模擬分析。

JASSM項目是美軍攻擊高價值、嚴密設防的地下、水面固定和機動目標的常用武器之一。JASSM有精確的制導能力和隱身抗干擾功能，在2013年完成美國空軍初始操作試驗與鑒定，取得21發(fā)20中的成績，并可以在美國現役的B-1B、B-2、B-52、F-16、F-15E等戰(zhàn)機上進行掛載，目前存儲量在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)斗部的質量為450 kg，TNT當量為750 kg。

北盤江大橋為花瓶型的雙塔斜拉橋，主塔總高269 m(貴州岸)/246.5 m(云南岸)，全橋長1 341.4 m，主跨長720 m，橋塔總共分為上塔、中塔、下塔、橋墩、承臺五個部分。由于地理環(huán)境影響，兩側橋塔的高度不一樣，但是從橋塔的下塔部分開始，兩側橋塔的高度相等，因此可以將全橋看作軸對稱圖形，為簡化計算，截取全橋模型的1/4進行研究。下塔和中塔為變截面空心結構，上塔為等截面空心結構，主塔的受力筋主要為縱向鋼筋，外層鋼筋保護層厚度為92 mm，內層鋼筋保護層的厚度為50 mm。

1.2 爆炸荷載有限元模型建立

本文選取CONWEP[2]經驗算法來模擬JASSM產生的爆炸荷載對斜拉橋橋塔的毀傷。這種算法適合于對結構較大、較復雜的幾何體進行爆炸試驗的模擬，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本構模型和SOLID164單元,使用關鍵字*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3來定義，RHT模型考慮了應變軟化等影響，更好地描述了混凝土材料在壓縮狀態(tài)下的力學行為，適合用于鋼筋混凝土在爆炸荷載下的毀傷仿真試驗。鋼筋選用MAT_03 本構模型和BEAM188單元；混凝土的失效利用*MAT_ADD_EROSION來定義；考慮到鋼筋混凝土結構的粘合和滑移，采用分離式建模的方法對鋼筋混凝土模型進行建模，利用關鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID來定義。

分別對混凝土部分和鋼筋部分進行網格劃分，鋼筋和混凝土均采用六面體網格的劃分方式，混凝土部分網格尺寸為0.2 m，總共劃分1 782 725個單元，2 062 944個節(jié)點；鋼筋部分的網格尺寸為1 m，總共劃分216 176個單元，434 534個節(jié)點。在對稱面上添加對稱約束，在模型的承臺底部添加固定約束，混凝土部分之間的接觸設定為綁定接觸。

1.4 有限元模型的驗證

針對于特大型斜拉橋橋塔的爆炸試驗難以實施，利用典型鋼筋混凝土板空爆毀傷試驗[3]對鋼筋混凝土結構毀傷模型的可靠性進行驗證。

編號P2-3 爆炸試驗中板試件尺寸為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，試驗測得極限強度為501 MPa，屈服強度為395 MPa。試驗測得混凝土抗壓強度為40.45 MPa，對應軸心抗壓強度為26.8 MPa。試驗爆炸當量460 g，爆炸點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P2-3的試驗數據，有限元模型尺寸選取1 100 mm×1 000 mm×40 mm。將邊長為1 000 mm的面設置為固支邊界。為更好的體現出鋼筋混凝土的相互作用和力學性能，考慮到混凝土和鋼筋之間的粘結和滑移，采用分離式建模的方法，利用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關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。混凝土的失效利用*MAT_ADD_EROSION來定義。爆炸荷載的模擬使用CONWEP 經驗算法來定義。網格尺寸選取8 mm，混凝土單元和鋼筋單元分別有86 250個和8 111個。

P2-3 鋼筋混凝土板爆炸試驗的結果如圖1所示。鋼筋混凝土板空爆試驗中，炸藥在板正上方400 mm處爆炸，產生爆炸沖擊波，沖擊波到達板的上表面(即迎爆面)處，混凝土產生壓縮破壞，出現爆坑，應力波傳遞至背爆面，形成反射拉伸波，從而導致背爆面的混凝土產生層裂和崩塌現象。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一定數量的環(huán)形裂紋和徑向裂紋。鋼筋混凝土板毀傷數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裂、裂紋擴展、雙向彎曲、背面層裂崩塌等毀傷過程，見圖2。數值仿真試驗和爆炸試驗對比分析結果如表1所示。

圖1 鋼筋混凝土板P2-3爆炸試驗的結果

圖2 數值仿真塑性變形云圖

表1 試驗數據對比

從表1可以看出爆炸試驗與模擬試驗結果較接近，誤差在10%以內。在中心點的成坑形式、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中受約束的邊不能像仿真試驗那樣完全固定，因此在仿真試驗邊緣會產生較大的裂紋，但是總體試驗結果較為接近，誤差較小，因此此模型可以近似的模擬出爆炸荷載對鋼筋混凝土結構的毀傷效應。

2 爆炸荷載對斜拉橋橋塔的毀傷分析

2.1 試驗模擬

根據斜拉橋橋塔的結構，斜拉索的錨固區(qū)在上塔部分，上塔部分損壞會導致斜拉索的損壞，從而導致全橋受力的改變，屬于嚴重損傷，超出本文的研究內容。在選取被打擊位置時，要符合實戰(zhàn)需求，因此選擇橋塔的外側面為打擊面，選取中塔、下塔側面中心線上的7個位置進行打擊模擬；選取炸藥當量為750 kg，爆炸距離0.5 m，爆點工況位置如圖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 不同工況的毀傷數據

對打擊過后的橋塔進行剩余承載力的靜力試驗，得出各個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 結果分析

(1)當爆炸荷載到達橋塔迎爆面的時候，部分鋼筋混凝土結構瞬間損壞，毀傷區(qū)域近似于圓形，當能量在鋼筋混凝土結構中傳遞后，鋼筋混凝土結構為抵抗外部能量而相互作用，最后形成近似長方形的毀傷區(qū)域。由于在橋塔的外部表面和橋塔內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構先從內遭到破壞，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，對存在空心截面的橋塔部分均產生了貫穿毀傷，毀傷寬度大約為空心部分的寬度；實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。在中塔部1/4毀傷，承載力下降大，之后呈上升趨勢；在下塔部1/2處承載力下降最大，之后呈上升趨勢。

(5)對于橋梁的防護，應集中于對中塔1/2以上部位加強防護。中塔1/2的高程較高，達到70 m以上，不易搶修。

3 結束語

本文通過對特大型斜拉橋橋塔進行毀傷分析，為其戰(zhàn)時防護和搶修提供了一定的數據支撐，為其搶修防護研究奠定了基礎。