庞 彧， 李海超， 管 晔， 崔子鑫

(1.陆军军事交通学院五大队，天津 300161；2.陆军军事交通学院国防交通系，天津 300161)

特大型斜拉桥可以有效的提升部队的输送能力、缩短运输时间、节约运输成本，但同时由于目标大、抢修防护难、结构复杂，在精确制导武器已经比较成熟的当代，很容易成为敌人的打击目标，而且抢修非常困难。本文利用ANSYS有限元仿真软件对精确制导武器产生的爆炸荷载对特大型公路斜拉桥桥塔的毁伤进行模拟仿真分析，为特大型斜拉桥桥塔的抢修和防护提供数据支撑。

1 有限元模型的建立

1.1 背景资料

本文选取美军联合防区外空地导弹JASSM[1]对北盘江大桥桥塔进行毁伤打击模拟分析。

JASSM项目是美军攻击高价值、严密设防的地下、水面固定和机动目标的常用武器之一。JASSM有精确的制导能力和隐身抗干扰功能，在2013年完成美国空军初始操作试验与鉴定，取得21发20中的成绩，并可以在美国现役的B-1B、B-2、B-52、F-16、F-15E等战机上进行挂载，目前存储量在2 100枚以上，已知的打击距离大于925 km，具有侵彻和破片双重功能的战斗部，战斗部的质量为450 kg，TNT当量为750 kg。

北盘江大桥为花瓶型的双塔斜拉桥，主塔总高269 m(贵州岸)/246.5 m(云南岸)，全桥长1 341.4 m，主跨长720 m，桥塔总共分为上塔、中塔、下塔、桥墩、承台五个部分。由于地理环境影响，两侧桥塔的高度不一样，但是从桥塔的下塔部分开始，两侧桥塔的高度相等，因此可以将全桥看作轴对称图形，为简化计算，截取全桥模型的1/4进行研究。下塔和中塔为变截面空心结构，上塔为等截面空心结构，主塔的受力筋主要为纵向钢筋，外层钢筋保护层厚度为92 mm，内层钢筋保护层的厚度为50 mm。

1.2 爆炸荷载有限元模型建立

本文选取CONWEP[2]经验算法来模拟JASSM产生的爆炸荷载对斜拉桥桥塔的毁伤。这种算法适合于对结构较大、较复杂的几何体进行爆炸试验的模拟，且不用考虑到空气域和炸药的建立。

1.3 桥塔有限元模型建立

桥塔混凝土采用强度为C50的混凝土，主筋材料为IHRB500E高性能钢筋。混凝土选用RHT本构模型和SOLID164单元,使用关键字*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3来定义，RHT模型考虑了应变软化等影响，更好地描述了混凝土材料在压缩状态下的力学行为，适合用于钢筋混凝土在爆炸荷载下的毁伤仿真试验。钢筋选用MAT_03 本构模型和BEAM188单元；混凝土的失效利用*MAT_ADD_EROSION来定义；考虑到钢筋混凝土结构的粘合和滑移，采用分离式建模的方法对钢筋混凝土模型进行建模，利用关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID来定义。

分别对混凝土部分和钢筋部分进行网格划分，钢筋和混凝土均采用六面体网格的划分方式，混凝土部分网格尺寸为0.2 m，总共划分1 782 725个单元，2 062 944个节点；钢筋部分的网格尺寸为1 m，总共划分216 176个单元，434 534个节点。在对称面上添加对称约束，在模型的承台底部添加固定约束，混凝土部分之间的接触设定为绑定接触。

1.4 有限元模型的验证

针对于特大型斜拉桥桥塔的爆炸试验难以实施，利用典型钢筋混凝土板空爆毁伤试验[3]对钢筋混凝土结构毁伤模型的可靠性进行验证。

编号P2-3 爆炸试验中板试件尺寸为1 100 mm×1 000 mm×40 mm[4]，双向单层配筋，钢筋为I6HPB235，间距为75 mm；钢筋直径6 mm，试验测得极限强度为501 MPa，屈服强度为395 MPa。试验测得混凝土抗压强度为40.45 MPa，对应轴心抗压强度为26.8 MPa。试验爆炸当量460 g，爆炸点位于迎爆面中心正上方40 mm 处，比例距离为0.518 m/kg1/3。

依据P2-3的试验数据，有限元模型尺寸选取1 100 mm×1 000 mm×40 mm。将边长为1 000 mm的面设置为固支边界。为更好的体现出钢筋混凝土的相互作用和力学性能，考虑到混凝土和钢筋之间的粘结和滑移，采用分离式建模的方法，利用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID关键字定义钢筋混凝土的相互作用。钢筋选用MAT_03 材料模型，混凝土选用 RHT材料模型。混凝土的失效利用*MAT_ADD_EROSION来定义。爆炸荷载的模拟使用CONWEP 经验算法来定义。网格尺寸选取8 mm，混凝土单元和钢筋单元分别有86 250个和8 111个。

P2-3 钢筋混凝土板爆炸试验的结果如图1所示。钢筋混凝土板空爆试验中，炸药在板正上方400 mm处爆炸，产生爆炸冲击波，冲击波到达板的上表面(即迎爆面)处，混凝土产生压缩破坏，出现爆坑，应力波传递至背爆面，形成反射拉伸波，从而导致背爆面的混凝土产生层裂和崩塌现象。钢筋混凝土板沿中心线发生明显弯曲断裂破坏，迎爆面和背爆面均出现一定数量的环形裂纹和径向裂纹。钢筋混凝土板毁伤数值仿真模型完整模拟了爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的开裂、裂纹扩展、双向弯曲、背面层裂崩塌等毁伤过程，见图2。数值仿真试验和爆炸试验对比分析结果如表1所示。

图1 钢筋混凝土板P2-3爆炸试验的结果

图2 数值仿真塑性变形云图

表1 试验数据对比

从表1可以看出爆炸试验与模拟试验结果较接近，误差在10%以内。在中心点的成坑形式、迎爆面和背爆面的裂纹走向、背爆面的层裂形式都非常的接近，但是由于在爆炸试验中受约束的边不能像仿真试验那样完全固定，因此在仿真试验边缘会产生较大的裂纹，但是总体试验结果较为接近，误差较小，因此此模型可以近似的模拟出爆炸荷载对钢筋混凝土结构的毁伤效应。

2 爆炸荷载对斜拉桥桥塔的毁伤分析

2.1 试验模拟

根据斜拉桥桥塔的结构，斜拉索的锚固区在上塔部分，上塔部分损坏会导致斜拉索的损坏，从而导致全桥受力的改变，属于严重损伤，超出本文的研究内容。在选取被打击位置时，要符合实战需求，因此选择桥塔的外侧面为打击面，选取中塔、下塔侧面中心线上的7个位置进行打击模拟；选取炸药当量为750 kg，爆炸距离0.5 m，爆点工况位置如图3所示。

以工况7为例，毁伤状况如图4、表2所示。

图3 工况位置示意图

图4 工况7毁伤云图

表2 不同工况的毁伤数据

对打击过后的桥塔进行剩余承载力的静力试验，得出各个工况下的剩余承载力如表3所示。

表3 不同工况剩余承载力 kN

2.2 结果分析

(1)当爆炸荷载到达桥塔迎爆面的时候，部分钢筋混凝土结构瞬间损坏，毁伤区域近似于圆形，当能量在钢筋混凝土结构中传递后，钢筋混凝土结构为抵抗外部能量而相互作用，最后形成近似长方形的毁伤区域。由于在桥塔的外部表面和桥塔内部空心表面均有钢筋支撑，在爆炸荷载作用下，外层钢筋混凝土部受到毁伤，之后能量继续传递给中间素混凝土部分；由于素混凝土部分的抗拉强度较弱，所以素混凝土部分要比空心截面附近的钢筋混凝土结构先从内遭到破坏，最后空心截面附近的钢筋混凝土部分遭到破坏。

(2)在此爆炸荷载作用下，对存在空心截面的桥塔部分均产生了贯穿毁伤，毁伤宽度大约为空心部分的宽度；实心截面毁伤程度要小于空心截面。

(3)在相同爆炸荷载作用下，对中塔的1/2处即在工况3的情况下打击毁伤的面积最大；但是毁伤面积最大的位置并不是对承载力影响最大的位置， 工况3的剩余承载力要高于工况2(中塔的1/4)的剩余承载力；工况2相比于无损状态下的承载力下降最为明显，下降比例约为20%。

(4)上塔和中塔、中塔和下塔的连接部位并非是最薄弱的部位，并且随着打击位置的下移，承载力变化呈先下降再上升的趋势。在中塔部1/4毁伤，承载力下降大，之后呈上升趋势；在下塔部1/2处承载力下降最大，之后呈上升趋势。

(5)对于桥梁的防护，应集中于对中塔1/2以上部位加强防护。中塔1/2的高程较高，达到70 m以上，不易抢修。

3 结束语

本文通过对特大型斜拉桥桥塔进行毁伤分析，为其战时防护和抢修提供了一定的数据支撑，为其抢修防护研究奠定了基础。