導彈打擊位置對箱梁侵爆毀傷的影響規律分析

李海超， 梅 迪， 張艷萍， 常 健

(1.陸軍軍事交通學院國防交通系，天津 300161；2.陸軍軍事交通學院五大隊研究生隊,天津 300161；3.陸軍軍事交通學院軍事交通運輸研究所,天津 300161)

隨著現代武器技術不斷的發展進步，大批先進的武器被投入到戰爭中。其中，精確制導武器憑借其命中概率高等優勢實現對地面結構精確打擊，橋梁安全問題面臨威脅。橋梁結構復雜，種類繁多，對于橋梁上部結構，主梁是主要的受力構件，由于其體積大，目標明顯，相對橋墩來說很容易實現精確打擊，并且通過打擊梁部結構可以直接摧毀橋梁阻斷交通運輸。箱梁具有抗彎、抗扭方面的優勢，目前越來越多的橋梁采用箱梁作為橋跨結構的截面形式，尤其廣泛應用于大跨度橋梁，但是由于其內部是空心，屬于薄壁結構，更容易被導彈打擊破壞。導彈內部裝有制導系統，可以實現導彈在結構的不同位置進行打擊，導彈的打擊位置直接影響著箱梁的侵爆毀傷程度，因此本文探究導彈在不同位置下打擊對箱梁侵爆毀傷程度的影響。

1 有限元模型建立

1.1 箱梁模型

取某地鋼筋混凝土連續箱梁橋為研究對象，橋跨總體布置立面圖如圖1所示。其主梁為單箱單室箱梁，橋梁跨度為30 m，其箱梁截面尺寸如圖2所示。箱梁頂板主筋選取80?18 mm，底板主筋選取40?18 mm，腹板箍筋選取75?12 mm。混凝土采用C50，對混凝土采用SPH算法進行建模，混凝土粒子直徑為100 mm，鋼筋采用beam算法建模，粒子總數為168 500，鋼筋與混凝土完全耦合。箱梁數值模型如圖3所示。

圖1 橋跨總體布置立面圖(單位：m)

圖2 鋼筋混凝土箱梁截面尺寸(單位：cm)

圖3 箱梁數值模型

1.2 導彈模型

在彈體侵徹箱梁毀傷的基礎上，建立彈體侵徹與爆炸聯合作用的數值模型。該模型考慮了彈體的侵徹毀傷，在侵徹箱梁的基礎上研究分析炸藥爆炸對箱梁毀傷的影響，能夠有效的模擬在彈體打擊下的箱梁的毀傷效應。本文選取某打擊橋梁的精確制導武器，采用Lagrange算法建立了導彈的有限元模型，與實際尺寸比例為1∶1，導彈實物與數值模型如圖4所示。該導彈的部分參數為：彈徑273 mm，彈長1 560 mm，速度340 m/s,裝藥量87 kg，質量227 kg，戰斗部毀傷為爆炸毀傷，起爆方式為延時起爆。武器彈片毀傷能量占比小于爆炸總能量的1%。為方便研究，導彈到達指定位置刪去彈體，換成等量的TNT炸藥量，裝藥半徑122.5 mm，裝藥長度1 133 mm[1-2]。

圖4 導彈實物與數值模型示意圖

1.3 其他計算模型及參數

混凝土采用P—α狀態方程、RHT Concrete強度模型和RHT Concrete失效模型，鋼筋采用Linear狀態方程、von—Mises強度模型和Plastic Strain侵蝕模型，導彈采用Linear狀態方程和Johnson—Cook強度模型，材料模型及部分參數如表1所示，其他相關參數均取自于AUTODYN[3]。

表1 計算材料模型及部分參數

本文實驗模型的可靠性已經通過文獻[4]驗證，說明本文采用的材料參數與建模方法數值模擬導彈對鋼筋混凝土箱梁的侵爆毀傷是可靠的。

1.4 導彈打擊位置

精確制導武器通過制導技術對目標實施精確打擊，考慮到導彈打擊箱梁的難易程度與箱梁可能存在的薄弱位置，設置5組工況：工況一，打擊箱梁翼緣；工況二，打擊箱梁頂板與腹板交界處；工況三，打擊箱梁頂板中心；工況四，打擊箱梁腹板中心；工況五，打擊箱梁底板與腹板交界處。根據資料可知，當炸藥布置在三跨連續梁中跨跨中時，對橋梁造成的毀傷程度最為嚴重，即三跨連續梁中跨跨中處抗爆性能最差[5]，因此本文選擇導彈打擊橋梁中跨。只改變導彈打擊箱梁的位置，導彈與箱梁接觸開始計時，延時起爆時間均為4.5 ms。

2 箱梁毀傷特征分析

不同工況下受損梁段頂板、底板與腹板的侵爆毀傷云圖如圖5～圖9所示。由圖可知：

工況一毀傷區域主要集中在箱梁翼緣與腹板處，在翼緣處形成一個橢圓形彈坑，在腹板處的混凝土小面積脫落且出現縱向裂紋。

圖5 工況一侵爆毀傷云圖

圖6 工況二侵爆毀傷云圖

圖7 工況三侵爆毀傷云圖

圖8 工況四侵爆毀傷云圖

圖9 工況五侵爆毀傷云圖

工況二毀傷區域主要集中在頂板、底板與腹板處，相對導彈打擊箱梁翼緣處，毀傷面積進一步加大，在頂板、底板與腹板處各形成較大彈坑，且腹板處的彈坑面積相對較大。

工況三毀傷區域主要集中在箱梁頂板與底板處，在頂板與底板處形成一個橢圓形彈坑，伴隨混凝土大面積脫落且彈坑處形成許多縱向延伸的裂紋，底板毀傷面積相對頂板毀傷面積大，腹板的混凝土小面積脫落，裂紋縱向延伸范圍相對較大。

工況四毀傷區域主要集中在箱梁頂板、底板與腹板處，破壞模式與工況二相似，但箱梁毀傷面積進一步加大，在頂板、底板與腹板三處形成巨大彈坑，彈坑處裂紋沿四周延伸，且翼緣也受到嚴重毀傷。

工況五毀傷區域主要集中在箱梁頂板、底板與腹板處，在頂板、底板與腹板三處形成較大彈坑，彈坑處裂紋延伸范圍較小，且翼緣也受到輕度毀傷。

3 毀傷評估指標確定

選取跨中彎矩作為主要承載力指標，其承載力損傷指標定義如下[6]：D=1-Mc/Mo。式中：D為箱梁的承載力損傷指標，為無量綱數，作為構件的量化毀傷判據；Mc為跨中受彎剩余承載力，即梁在損傷狀態下的受彎承載力，單位為kN·m；Mo為跨中基準受彎承載力，即無損傷狀態下的箱梁極限受彎承載力。

承載力損傷指標D可以作為箱梁毀傷的判定標準，承載力損傷指標D越大說明承載力損失越多，箱梁毀傷程度越嚴重。跨中彎矩是箱梁所受內力，不能直觀獲取而需要進行受力分析才能得到具體數值。箱梁在受彎狀態下，截面慣性矩與箱梁跨中彎矩成正比，即箱梁殘余慣性矩越大，箱梁的受彎剩余承載力越大，并且箱梁的殘余截面慣性矩可以在戰后通過紅外影像等技術獲得箱梁受損部位的損傷情況、利用CAD等技術可以直接獲取。因此，箱梁承載力損傷指標也可以定義為：D=1-Ic/Io。式中：Ic為箱梁在損傷狀態下箱梁截面殘余慣性矩；Io為箱梁在無損傷狀態下的箱梁截面慣性矩，本文箱梁無損傷狀態下的箱梁截面慣性矩Io=9.15 m4。

4 毀傷規律分析

不同工況下箱梁最不利截面的侵爆毀傷云圖如圖10所示。

根據圖10箱梁最不利截面的侵爆毀傷云圖可以求出毀傷狀態下箱梁截面的殘余慣性矩。不同工況下箱梁最不利截面殘余慣性矩、箱梁承載力損傷指標如表2所示。

圖10 不同工況下箱梁跨中最不利截面的侵爆毀傷云圖

表2 不同工況下箱梁承載力損傷指標

從結果可以發現：導彈打擊位置不同，箱梁侵爆毀傷程度差異較大。工況三與工況四箱梁侵爆毀傷程度最重，工況二與工況五次之，工況一侵爆毀傷程度最輕。

工況一箱梁承載力損傷指標D為0.08，承載力損失較少，箱梁侵爆毀傷程度相對較輕。在箱梁最不利截面中，毀傷區域主要集中在翼緣部位，當導彈打擊箱梁翼緣時對箱梁未造成致命破壞，說明箱梁翼緣的破壞對箱梁承載力的損失影響程度不大。

工況二與工況五箱梁承載力損傷指標D分別為0.36與0.34，箱梁承載力損失較多，箱梁侵爆毀傷程度相對較高。在箱梁最不利截面中，毀傷區域主要集中在箱梁部分頂板與底板、腹板部位，當導彈打擊腹板與頂板交界處、腹板與底板交界處時，對箱梁的結構造成一定程度的破壞，說明箱梁頂板與腹板交界處、箱梁底板與腹板交界處的破壞對箱梁承載力的損失影響程度較大。

工況三與工況四箱梁承載力損傷指標D為0.54與0.55，箱梁承載力損失了一半，箱梁侵爆毀傷程度嚴重。在箱梁最不利截面中，工況三毀傷區域主要集中在箱梁頂板與底板，其中底板幾乎完全毀傷。工況五毀傷區域主要集中在箱梁左側頂板、底板與腹板處，當導彈打擊箱梁頂板中心與腹板中心時，對箱梁的結構造成嚴重破壞，說明箱梁頂板中心與腹板中心的破壞對箱梁承載力的損失影響程度很大。

5 結論

箱梁橋中跨跨中截面的不同位置抗爆能力不同，導致箱梁侵爆毀傷程度不同。當導彈打擊箱梁腹板與頂板時，箱梁破壞嚴重，這是因為當導彈擊穿箱梁頂板與腹板進入箱梁內部起爆，爆炸產生的能量在箱室內難以耗散，爆炸沖擊波在封閉的箱室內反射疊加使得爆炸沖擊力加大，從而導致箱梁侵爆毀傷程度加重。這說明腹板與頂板是箱梁的薄弱部位，抗爆能力較差。

因此，為提高箱梁抗打擊能力，建議在橋梁設計中，可采用增大截面、粘貼鋼板、粘貼纖維復合材料等方法重點對箱梁的腹板與頂板進行加固，減小導彈侵徹進入箱梁內部的深度，能夠在一定程度上減小箱梁的侵爆毀傷程度。