孙　奇，李聚轩，龚　亮，王　洋，刘　昊

(1.军事交通学院 国防交通系,天津 300161; 2. 75660部队， 广西 桂林 541002;3.西安科技大学 国防生大队，西安 710054)



巡航导弹打击某大桥毁伤特性数值仿真

孙奇1，李聚轩1，龚亮2，王洋2，刘昊3

(1.军事交通学院 国防交通系,天津 300161; 2. 75660部队， 广西 桂林 541002;3.西安科技大学 国防生大队，西安 710054)

为提高战时桥梁抗毁伤能力并为制定加固方案提供参考，以数值仿真方法对某大桥进行毁伤特性分析，在前处理软件中建立巡航导弹模型，并对某大桥的实际主体桥梁结构进行建模，设置两种导弹到达桥梁时的速度实现接触爆和侵彻爆两种攻击方式，调整导弹的攻击位置和携带的TNT当量，使用LS-DYNA软件进行求解计算，得到了该桥3个位置在受到攻击时的动态响应和不同程度的毁伤效果。

大跨度桥梁；LS-DYNA；爆炸载荷；数值仿真

近几十年来，我国已建成一批具有世界先进水平的大跨度桥梁[1]，这些桥梁对我国的交通运输发挥着不可替代的作用。然而桥梁施工图设计原则中有抗风、抗震、桥墩防撞[2]等明文规范，却没有考虑结构抗爆方面的设计要求[3]，桥梁抗爆分析是个新的课题和挑战[4-6]。桥梁较其他地面目标有其特殊性，一旦破坏短期不易恢复[7]，在整个交通系统中具有关联性，突击破坏少量关键桥梁即可使整个交通系统瘫痪。因此，研究爆炸冲击下桥梁的毁伤效应，为整座桥梁的安全评估以及综合防护提供参考。

近几年，一些学者对桥梁受到爆炸载荷的动态响应分析进行了数值模拟，但这些研究都是基于桥梁的简化模型。本文基于LS-DYNA软件以实际的某大桥为原型进行详细建模，使用巡航导弹进行攻击加载，且考虑不同攻击位置对某大桥的动态响应及毁伤程度，使数值仿真更贴近实际。

1　有限元模型建立

大桥桥梁总长2 529 m，主桥为(86 m+4×136 m+86 m)六孔单箱单室大悬臂直腹式预应力砼连续箱梁，长716 m，桥宽22 m，箱宽10 m，两侧悬臂各6 m，梁高为3～8 m，底板厚为1.0～0.3 m，采用纵向、竖向及横向三向预应力体系，墩身为薄壁空心钢筋砼结构。

1.1网格模型

1.1.1桥梁混凝土网格模型

有限元模型对长为716 m的主桥进行详细建模，对引桥进行简化建模。桥梁及桥墩使用六面体网格进行划分，仅在网格过渡处使用四面体单元，网格数为142万，单元使用单点积分算法。

1.1.2钢筋网格模型

某大桥的钢筋由普通钢筋和预紧力筋组成，其中预紧力筋在受到爆炸载荷时，可以在混凝土中滑动(筋的两端固定)。在LS-DYNA中预紧力筋需要使用9号spotweld单元进行创建，并通过关键字*INITIAL_AXIAL_FORCE_BEAM进行预紧力施加。钢筋的布置包括三向普通钢筋和三向预紧力筋。创建完成的钢筋有限元模型如图1所示，图2为图1中黑框部分的放大图，图3为桥墩钢筋有限元模型。

图1　钢筋有限元模型

图2　部分放大钢筋有限元模型

图3　桥墩钢筋有限元模型

1.1.3巡航导弹网格模型

巡航导弹有限元模型是基于美国AGM86C巡航导弹进行建模(如图4所示)，弹头内容积为0.291 1 m3，内装TNT炸药质量为497.8 kg。

图4　巡航导弹有限元模型

1.2材料模型及参数

钢筋的材料模型采用可考虑应变率硬化的LS-DYNA中的随动硬化模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，混凝土材料模型使用LS-DYNA中的*MAT_CSCM_CONCRETE，该混凝土模型同样可考虑应变率硬化效应。钢筋和混凝土材料参数见表1。

表1　钢筋和混凝土材料参数

由于在模拟过程中，TNT和空气变形非常剧烈，所以TNT和空气采用ALE单元进行建模。TNT炸药材料模型采用LS-DYNA中的MAT-HIGH-EXPLOSLVE-BURN材料模型，爆轰压力和单位体积内能及相对体积的关系采用JWL状态方程进行描述。空气采用MAT_NULL材料模型和线性多项式状态方程EOS_LNIEAR_POLYNOMIAL进行描述。对于炸药的不同等级，可以通过调节JWL状态方程中的初始内能，来实现调节炸药的不同等级。TNT炸药材料参数见表2。

表2　TNT材料参数

1.3其他设置

炸药与桥梁和钢筋的耦合作用使用LS-DYNA提供的专用耦合关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID，其中耦合类型CTYPE设置为5，这样可以实现侵彻耦合。对ALE单元的外边界设置无反射边界，以模拟无限域的空气场。

2　仿真结果

通过设置导弹的初始速度为零实现对大桥的接触爆，对导弹设置初始速度为300 m/s实现侵彻爆。由于炸药在0.015 s左右时其后续破坏威力可以忽略，所以将求解时间设置为0.02 s，可充分观察到大桥受到的破坏。

2.1主跨中部受到巡航导弹的攻击

2.1.1接触爆(普通等级)

将巡航导弹放置为主跨的中间位置，设置初始速度为零，实现接触爆。桥梁受到接触爆后，中部出现了直径9 m左右的洞口，洞口的钢筋出现断裂和掉落现象。且在腹板处出现裂纹，腹板的竖向裂纹长约1.6 m，水平向裂纹长2.1 m，底板的两条裂缝均约15.6 m。由于冲击波的振动影响桥的顶板的边缘出现了破坏(如图5、6所示)。

图5　普通等级接触爆0.02 s时桥梁破坏剖面

图6　桥梁顶板直径9 m左右洞口毁伤

2.1.2接触爆(提高一个等级)

将炸药状态方程中的初始内能改变为普通等级的9.2倍。如图7、8所示，桥梁顶板出现了直径约12.5 m的洞口，且顶板破坏的面积更大，底板的裂缝更宽更多，腹板的竖向裂纹长约2.1 m，水平向裂纹长3.3 m，底板的两条裂缝均约18.1 m。

2.1.3接触爆(提高两个等级)

将炸药状态方程中的初始内能改变为普通等级的31.8倍。如图9、10所示，桥梁中部出现了长52 m、宽22 m(桥宽22 m)的粉碎性破坏，且腹板和底板也出现了粉碎性破坏。

图7　提高一个等级接触爆0.02 s时桥梁破坏剖面

图8　桥梁顶板直径12.5 m左右洞口毁伤

图9　提高两个等级接触爆0.02 s时桥梁破坏剖面

图10　桥梁顶板粉碎性毁伤

2.2主跨端部受到巡航导弹的攻击

将巡航导弹放置于主跨端部的位置处(如图11所示)，为普通等级接触爆工况。如图12、13所示，主跨端部没有出现主跨中部那样大的洞。其破坏形式主要为裂纹：顶板出现横向贯通裂纹，纵向一条长约37 m的裂纹；腹板出现贯通顶板和底板的裂纹；底板出现长约9 m的多条裂纹；内板出现约6.8 m贯通裂纹。没有出现洞口的原因为端部内部里有两面加强的混凝土墙，致使其强度增加。

2.3桥墩受到巡航导弹的攻击

将巡航导弹放置于靠近桥梁的桥墩处(如图14所示)。携带炸药为普通TNT，初始侵彻速度为300 m/s。爆炸为侵彻爆，定义导弹侵彻到桥墩的中部时开始起爆，求解时间为0.05 s。

如图15所示，桥墩处出现竖直方向上的16 m的完全破坏，桥梁出现裂纹：底板出现X形裂纹，X的宽约为14.8 m；腹板和顶板的裂纹环向贯通。由于计算资源的限制，设定求解时间为0.05 s，随着求解时间的继续，桥梁会发生断裂。

图11　主跨端部受到巡航导弹攻击局部模型

图12　0.02 s时桥梁破坏剖面

图13　0.02 s时桥梁破坏剖面

图14　桥墩受到巡航导弹攻击局部模型

图15　0.05 s时桥梁破坏剖面

以上以某大桥原型进行建模，模拟巡航导弹炸桥梁时的各种工况，获得了不同位置处的毁伤形式：攻击主跨中部时，毁伤形式以空洞为主；当提高炸药的等级时，洞口的形状变大、裂纹变长，符合预期的判断；攻击主跨端部时，由于桥梁的设计会在端部进行加强，其毁伤形式以裂纹为主；攻击桥墩时，进行了侵彻爆分析，在炸药为普通等级时，已将桥墩完全破坏。具体毁伤对比见表3。

表3　不同攻击工况下的毁伤情况

2.4提高桥梁抗爆能力的措施

根据仿真模拟结果分析可知，提高桥梁战场生存能力可采用的途径：一是提高桥梁结构关键部位的设计承载能力，使桥梁具备承受制导武器的打击而不失效的能力；二是根据仿真分析得到的桥梁破坏形态，针对性地确定所需抢修技术、抢修器材的种类数量，制订抢修方案；三是尽可能把梁体部分设计成超静定的连续梁，这样既使中间墩遭打击梁体也不会坍塌，部分构件退出工作依然能够承载，从而给抢修留出时间等。

3　结　语

相比先前发表过的研究工作[10]，本文建模更加真实，符合仿真精细化的发展趋势，对战时类似的桥梁受到巡航导弹攻击的破坏形式有可参考的预判。文中的相关参数采用的是常规的参数，没有经过试验标定，下一步工作，需进行一次爆炸打靶标定试验，对文中模型的相关参数作标定，从而可进一步提高模型的精确性。

[1]王凯,李海超,王晓安.精确制导武器威胁下的深水大跨度桥梁战时保障对策研究[J].国防交通工程与技术,2010(1):11-13.

[2]刘建成,顾永宁.桥墩塑性防撞装置的力学机理[J].上海交通大学学报，2003,37(7):990-994.

[3]邓荣兵,金先龙,陈向东,等.爆炸冲击波作用下桥梁损伤效应的数值仿真[J].上海交通大学学报,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]张景鹏,游建新,廖新华.精确制导弹药突击桥梁目标作战研究[J].空军装备,2012(7):25-28.

[8]尚晓江,苏建宇,王化峰.基于LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008:1-3.

[9]陆慧莲.基于LS-DYNA和HyperMesh的某型飞机垂尾前缘鸟撞分析[J].航空工程进展,2013,4(4):498-502.

[10]刘林.精确武器打击下桥梁毁伤研究[D].天津:军事交通学院,2005.

(编辑：张峰)

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．

天津市科技计划项目(14ZCZDSF00024).

孙奇(1984—)，男，硕士，助教.

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

U441

A

1674-2192(2016)02- 0084- 05