导弹打击位置对箱梁侵爆毁伤的影响规律分析

李海超， 梅 迪， 张艳萍， 常 健

(1.陆军军事交通学院国防交通系，天津 300161；2.陆军军事交通学院五大队研究生队,天津 300161；3.陆军军事交通学院军事交通运输研究所,天津 300161)

随着现代武器技术不断的发展进步，大批先进的武器被投入到战争中。其中，精确制导武器凭借其命中概率高等优势实现对地面结构精确打击，桥梁安全问题面临威胁。桥梁结构复杂，种类繁多，对于桥梁上部结构，主梁是主要的受力构件，由于其体积大，目标明显，相对桥墩来说很容易实现精确打击，并且通过打击梁部结构可以直接摧毁桥梁阻断交通运输。箱梁具有抗弯、抗扭方面的优势，目前越来越多的桥梁采用箱梁作为桥跨结构的截面形式，尤其广泛应用于大跨度桥梁，但是由于其内部是空心，属于薄壁结构，更容易被导弹打击破坏。导弹内部装有制导系统，可以实现导弹在结构的不同位置进行打击，导弹的打击位置直接影响着箱梁的侵爆毁伤程度，因此本文探究导弹在不同位置下打击对箱梁侵爆毁伤程度的影响。

1 有限元模型建立

1.1 箱梁模型

取某地钢筋混凝土连续箱梁桥为研究对象，桥跨总体布置立面图如图1所示。其主梁为单箱单室箱梁，桥梁跨度为30 m，其箱梁截面尺寸如图2所示。箱梁顶板主筋选取80∅18 mm，底板主筋选取40∅18 mm，腹板箍筋选取75∅12 mm。混凝土采用C50，对混凝土采用SPH算法进行建模，混凝土粒子直径为100 mm，钢筋采用beam算法建模，粒子总数为168 500，钢筋与混凝土完全耦合。箱梁数值模型如图3所示。

图1 桥跨总体布置立面图(单位：m)

图2 钢筋混凝土箱梁截面尺寸(单位：cm)

图3 箱梁数值模型

1.2 导弹模型

在弹体侵彻箱梁毁伤的基础上，建立弹体侵彻与爆炸联合作用的数值模型。该模型考虑了弹体的侵彻毁伤，在侵彻箱梁的基础上研究分析炸药爆炸对箱梁毁伤的影响，能够有效的模拟在弹体打击下的箱梁的毁伤效应。本文选取某打击桥梁的精确制导武器，采用Lagrange算法建立了导弹的有限元模型，与实际尺寸比例为1∶1，导弹实物与数值模型如图4所示。该导弹的部分参数为：弹径273 mm，弹长1 560 mm，速度340 m/s,装药量87 kg，质量227 kg，战斗部毁伤为爆炸毁伤，起爆方式为延时起爆。武器弹片毁伤能量占比小于爆炸总能量的1%。为方便研究，导弹到达指定位置删去弹体，换成等量的TNT炸药量，装药半径122.5 mm，装药长度1 133 mm[1-2]。

图4 导弹实物与数值模型示意图

1.3 其他计算模型及参数

混凝土采用P—α状态方程、RHT Concrete强度模型和RHT Concrete失效模型，钢筋采用Linear状态方程、von—Mises强度模型和Plastic Strain侵蚀模型，导弹采用Linear状态方程和Johnson—Cook强度模型，材料模型及部分参数如表1所示，其他相关参数均取自于AUTODYN[3]。

表1 计算材料模型及部分参数

本文实验模型的可靠性已经通过文献[4]验证，说明本文采用的材料参数与建模方法数值模拟导弹对钢筋混凝土箱梁的侵爆毁伤是可靠的。

1.4 导弹打击位置

精确制导武器通过制导技术对目标实施精确打击，考虑到导弹打击箱梁的难易程度与箱梁可能存在的薄弱位置，设置5组工况：工况一，打击箱梁翼缘；工况二，打击箱梁顶板与腹板交界处；工况三，打击箱梁顶板中心；工况四，打击箱梁腹板中心；工况五，打击箱梁底板与腹板交界处。根据资料可知，当炸药布置在三跨连续梁中跨跨中时，对桥梁造成的毁伤程度最为严重，即三跨连续梁中跨跨中处抗爆性能最差[5]，因此本文选择导弹打击桥梁中跨。只改变导弹打击箱梁的位置，导弹与箱梁接触开始计时，延时起爆时间均为4.5 ms。

2 箱梁毁伤特征分析

不同工况下受损梁段顶板、底板与腹板的侵爆毁伤云图如图5～图9所示。由图可知：

工况一毁伤区域主要集中在箱梁翼缘与腹板处，在翼缘处形成一个椭圆形弹坑，在腹板处的混凝土小面积脱落且出现纵向裂纹。

图5 工况一侵爆毁伤云图

图6 工况二侵爆毁伤云图

图7 工况三侵爆毁伤云图

图8 工况四侵爆毁伤云图

图9 工况五侵爆毁伤云图

工况二毁伤区域主要集中在顶板、底板与腹板处，相对导弹打击箱梁翼缘处，毁伤面积进一步加大，在顶板、底板与腹板处各形成较大弹坑，且腹板处的弹坑面积相对较大。

工况三毁伤区域主要集中在箱梁顶板与底板处，在顶板与底板处形成一个椭圆形弹坑，伴随混凝土大面积脱落且弹坑处形成许多纵向延伸的裂纹，底板毁伤面积相对顶板毁伤面积大，腹板的混凝土小面积脱落，裂纹纵向延伸范围相对较大。

工况四毁伤区域主要集中在箱梁顶板、底板与腹板处，破坏模式与工况二相似，但箱梁毁伤面积进一步加大，在顶板、底板与腹板三处形成巨大弹坑，弹坑处裂纹沿四周延伸，且翼缘也受到严重毁伤。

工况五毁伤区域主要集中在箱梁顶板、底板与腹板处，在顶板、底板与腹板三处形成较大弹坑，弹坑处裂纹延伸范围较小，且翼缘也受到轻度毁伤。

3 毁伤评估指标确定

选取跨中弯矩作为主要承载力指标，其承载力损伤指标定义如下[6]：D=1-Mc/Mo。式中：D为箱梁的承载力损伤指标，为无量纲数，作为构件的量化毁伤判据；Mc为跨中受弯剩余承载力，即梁在损伤状态下的受弯承载力，单位为kN·m；Mo为跨中基准受弯承载力，即无损伤状态下的箱梁极限受弯承载力。

承载力损伤指标D可以作为箱梁毁伤的判定标准，承载力损伤指标D越大说明承载力损失越多，箱梁毁伤程度越严重。跨中弯矩是箱梁所受内力，不能直观获取而需要进行受力分析才能得到具体数值。箱梁在受弯状态下，截面惯性矩与箱梁跨中弯矩成正比，即箱梁残余惯性矩越大，箱梁的受弯剩余承载力越大，并且箱梁的残余截面惯性矩可以在战后通过红外影像等技术获得箱梁受损部位的损伤情况、利用CAD等技术可以直接获取。因此，箱梁承载力损伤指标也可以定义为：D=1-Ic/Io。式中：Ic为箱梁在损伤状态下箱梁截面残余惯性矩；Io为箱梁在无损伤状态下的箱梁截面惯性矩，本文箱梁无损伤状态下的箱梁截面惯性矩Io=9.15 m4。

4 毁伤规律分析

不同工况下箱梁最不利截面的侵爆毁伤云图如图10所示。

根据图10箱梁最不利截面的侵爆毁伤云图可以求出毁伤状态下箱梁截面的残余惯性矩。不同工况下箱梁最不利截面残余惯性矩、箱梁承载力损伤指标如表2所示。

图10 不同工况下箱梁跨中最不利截面的侵爆毁伤云图

表2 不同工况下箱梁承载力损伤指标

从结果可以发现：导弹打击位置不同，箱梁侵爆毁伤程度差异较大。工况三与工况四箱梁侵爆毁伤程度最重，工况二与工况五次之，工况一侵爆毁伤程度最轻。

工况一箱梁承载力损伤指标D为0.08，承载力损失较少，箱梁侵爆毁伤程度相对较轻。在箱梁最不利截面中，毁伤区域主要集中在翼缘部位，当导弹打击箱梁翼缘时对箱梁未造成致命破坏，说明箱梁翼缘的破坏对箱梁承载力的损失影响程度不大。

工况二与工况五箱梁承载力损伤指标D分别为0.36与0.34，箱梁承载力损失较多，箱梁侵爆毁伤程度相对较高。在箱梁最不利截面中，毁伤区域主要集中在箱梁部分顶板与底板、腹板部位，当导弹打击腹板与顶板交界处、腹板与底板交界处时，对箱梁的结构造成一定程度的破坏，说明箱梁顶板与腹板交界处、箱梁底板与腹板交界处的破坏对箱梁承载力的损失影响程度较大。

工况三与工况四箱梁承载力损伤指标D为0.54与0.55，箱梁承载力损失了一半，箱梁侵爆毁伤程度严重。在箱梁最不利截面中，工况三毁伤区域主要集中在箱梁顶板与底板，其中底板几乎完全毁伤。工况五毁伤区域主要集中在箱梁左侧顶板、底板与腹板处，当导弹打击箱梁顶板中心与腹板中心时，对箱梁的结构造成严重破坏，说明箱梁顶板中心与腹板中心的破坏对箱梁承载力的损失影响程度很大。

5 结论

箱梁桥中跨跨中截面的不同位置抗爆能力不同，导致箱梁侵爆毁伤程度不同。当导弹打击箱梁腹板与顶板时，箱梁破坏严重，这是因为当导弹击穿箱梁顶板与腹板进入箱梁内部起爆，爆炸产生的能量在箱室内难以耗散，爆炸冲击波在封闭的箱室内反射叠加使得爆炸冲击力加大，从而导致箱梁侵爆毁伤程度加重。这说明腹板与顶板是箱梁的薄弱部位，抗爆能力较差。

因此，为提高箱梁抗打击能力，建议在桥梁设计中，可采用增大截面、粘贴钢板、粘贴纤维复合材料等方法重点对箱梁的腹板与顶板进行加固，减小导弹侵彻进入箱梁内部的深度，能够在一定程度上减小箱梁的侵爆毁伤程度。