爆炸冲击波与破片对RC桥的耦合毁伤研究.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 1 6 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 3N o ．2 J u n ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 2 ．0 2 8 爆炸冲击波与破片对R C 桥的耦合毁伤研究木 李营1 ’2 ，吴卫国1 ，朱海清1 ，李晓彬1 1 ．武汉理工大学交通学院，武汉4 3 0 0 6 3 ；2 ．海军装备研究院，北京1 0 0 1 6 1 摘要 对地导弹成为现代桥梁的重要威胁，其战斗部对桥梁的毁伤作用包括爆炸冲击波和破片群两个方 面。研究了导弹战斗部爆炸特性，采用S P H F E M 方法实现了导弹战斗部爆炸、爆炸，中击波与破片耦合毁 伤R C 桥的全过程仿真，分析了耦合毁伤机理，对比了不同配筋率、爆炸高度等因素对桥梁耦合毁伤效果的 影响。得到了以下结论爆炸冲击波与破片耦合作用明显，耦合作用大于单独作用之和；配筋率影响吸能模 式，随着配筋率的提高，桥梁吸能模式发生改变；爆炸高度影响毁伤分布明显，对“破片场”分布也有影响。 关键词爆炸冲击波；耦合毁伤；数值仿真；破片；R C 桥 中图分类号 U 4 4 8 ．2 5 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 1 4 2 0 7 D a m a g eC h a r a c t e r i s t i c so fR CB r i d g eu n d e rC o m b i n e d E f f e c t so fB l a s tS h o c kW a v ea n dF r a g m e n t sL o a d i n g L ／Y i n 9 1 ”，W UW e i g u o ‘，Z H UH a i ．q i n 9 1 ，L IX i a o ．b i n l 1 ．S c h o o lo fT r a n s p o r t a t i o n ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 6 3 ，C h i n a ； 2 ．N a v a lA c a d e m yo fA r m a m e n t ，B e i j i n g1 0 0 1 6 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h eg u i d e dm i s s i l ei st h em a i nt h r e a t e nt ot h em o d e l T lb r i d g e ，o fw h i c ht h ed e s t r o yi m p a c ti n c l u d e st h e b l a s ts h o c kw a v ea n dt h ef r a g m e n t s ．I no r d e rt os t u d yt h ec o m b i n e de f f e c t so fb l a s ta n df r a g m e n t sl o a d i n g ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no faR Cb r i d g ed a m a g e du n d e rw a r h e a de x p l o d i n gi sp e r f o r m e dw i t hS P H F E Mm e t h o d s ．S e v e r a lc o n d i t i o n so ft h eb r i d g ew i t hf r a g m e n t s ，d i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tr a t i o ，a n dd i f f e r e n tb l a s th e i g h ta r ed i s c u s s e dt oi n v e s t i g a t e t h er e s p o n s em e c h a n i s m so ft h eb r i d g e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo v e r a l ld a m a g eo ft h ee o n c r e t eb r i d g es u b j e c t e dt o c o m b i n e dl o a d i n gi sm o r es e v e r et h a na d d e dd a m a g e sc a u s e db yb l a s ta n df r a g m e n tl o a d i n gr e s p e c t i v e l y ．I na d d i t i o n ， t h em o d eo fa b s o r b i n ge n e r g yi si n f l u e n c e db yr e i n f o r c e m e n tr a t i oa n dt h ed a m a g ed i s t r i b u t i o na sw e l la st h ef l a g - m e n t sd i s t r i b u t i o ni so b v i o u s l yi n f l u e n e e db yt h ee x p l o s i o nh e i g h t ． K e yw o r d s b l a s ts h o c kw a v e ；c o m b i n e dd a m a g e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f r a g m e n t s ；R Cb r i d g e 桥梁是交通线的咽喉。战争时期，破坏敌方桥 梁，可以有效阻断兵力运输和后勤补给，历来为作战 双方所重视。近年来，随着导弹制导技术的发展，对 地导弹成为攻击的常用手段。而爆炸冲击波和爆炸 收稿日期2 0 1 6 0 1 一1 6 作者简介李营 1 9 8 8 一 ，男，山东莒南人，博士研究生，主要从事 结构抗爆／抗冲击研究， E ．m a i l l i y i n g w h u t ．e d u ．c n 。 通讯作者朱海清 1 9 8 8 一 ，女，博士研究生，从事结构动态力学研 究， E - m a i l 7 1 5 2 8 9 2 1 6 q q ．c o r n 。 基金项目国防基础研究项目 N o ．A 1 4 2 0 0 8 0 1 8 ；中央高校基本科研 业务费专项资金资助 N o ．2 0 1 4 一y b - 2 0 ；非线性力学国家 重点实验室基金 N o ．L N M 2 0 1 5 0 5 破片群是最重要的毁伤源。 然而，由于导弹战斗部爆炸作用下对R C 桥梁 毁伤的作用机理十分复杂，早期的研究主要集中在 两个方面 1 爆炸破片或者弹丸高速侵彻作用下 混凝土的毁伤特性的研究； 2 爆炸冲击波单独作 用下桥梁的动态响应和毁伤特性的研究。 L A g i r d 川J 、宋顺成等采用数值仿真的方法开展了高 速破片侵彻混凝土厚板的仿真研究口1 ；J o o s e f L e p p a n e n 研究了爆炸破片打击下混凝土中的微裂 纹情况“ o ；徐建波、S t e v eW e r n e r 等研究了弹体或破 万方数据 第3 3 卷第2 期李营，吴卫国，朱海清，等爆炸冲击波与破片对R C 桥的耦合毁伤研究 1 4 3 片打击下混凝土表面的破损情况M 1 5J 。蔡颖颖等开 展了爆炸冲击波作用下R C 桥梁的数值仿真工 作【6J ，邓荣兵等人开展了斜拉索桥在炸药近爆作用 下的结构响应和局部损伤研究1 ；陈力等研究了钢 筋混凝土板梁结构的面力效应旧1 ；E d m o n dKC 等开 展了斜拉索桥面板和桥墩在爆炸冲击波作用下的结 构响应和损伤研究一’1 0J 。目前，国内外关于爆炸冲 击波与爆炸破片对R C 桥耦合毁伤研究的公开文献 较少。 首先研究了导弹战斗部爆炸特性，采用数值仿 真的手段再现了导弹战斗部空中爆炸，形成爆炸冲 击波与破片群并毁伤R C 桥梁的全过程。重点分析 了R C 桥的抗爆机理，讨论了破片群对桥梁动态响 应及局部毁伤的影响，对比了不同爆炸高度、不同配 筋率的影响，为R C 桥的防护设计提供了参考。 战斗部爆炸特性分析 战斗部被雷管引爆后，爆轰波在装药内部迅速 传播。温度和压力迅速增大，压力作用到外部壳体 引起壳体速度迅速增大。随着壳体的不断增大，爆 轰产物泻出，形成高速爆炸破片，并最终形成爆炸冲 击波和高速破片联合作用区域。 战斗部的毁伤效果由战斗部本身特性 几何尺 寸、装药、壳体材料等 决定，同时受靶体和环境的 影响。爆炸冲击波和高速破片群的速度都随着距离 增加而衰减，但由于空气质量和阻力影响，两者衰减 速率不同。在离战斗部较近的距离处 几米内 ，冲 击波先于破片到达靶体；在距离较远处，破片先于冲 击波到达靶体。L e p p a n e nJ 给出了2 5 0k g 典型战斗 部爆炸后冲击波与破片到达时间与距离的关系⋯1 ， 约在5m 距离处两者同时到达，如图l 所示。近距离 爆炸作用下，爆炸冲击波与爆炸破片耦合作用明显。 图1典型战斗部爆炸冲击波与破片到达时间 F i g ．1 A r r i v a lt i m eo fb l a s tw a v ea n d f r a g m e n t so ft y p i c a lw a r h e a d 战斗部爆炸破片速度较高，对于破片速度的估 计，采用G u r n e y 提出的假设，忽略战斗部两端的影 响，速度为2 J V 厄 警 { 1 ．_ 1 式中M 为钢壳体质量；C 为装药质量；E 。为炸药 G u r n e y 能0 1 33 ，T N T 炸药取为取为0 ．6 7k C a l ／g ，常规 战斗部自然破片速度在1 5 0 0 ～2 5 0 0m ／s 之间。 2 数值计算模型与材料参数 2 ．1 计算模型与边界条件设置 计算中取钢筋混凝土梁截面为中空方形，长度 为1 0m ，宽度为lm 。上下缘共设置6 根纵向钢筋。 钢筋混凝土结构共采用网格5 4 9 6 0 个。 由于显示动力计算中L a g r a n g e 单元一般采用 “侵蚀法”模拟裂纹扩展，不适合模拟战斗部壳体碎 裂。采用S P H ．F E M 方法模拟战斗部碎裂，内部装药 和外部壳体共有粒子数1 2 56 0 0 。采用A U T O D Y N l 4 ．0 并行计算。见图2 、图3 。 图2 钢筋混凝土梁示意图 单位m m F i g ．2 S c h e m a t i co fc o n c r e t eb r i d g e u n i t i n t o 图3 数值仿真战斗部 单位m m F i g ．3 S c h e m a t i co fw a r h e a d u n i t r a m 2 ．2 战斗部与钢筋材料模型 战斗部外部壳体材料采用结构强度较高的 4 3 4 0 钢，加强筋为Q 2 3 5 结构钢，其塑性流动应力准 则使用J o h n s o n ．C o o k 模型4 ’1 5J ，表达式如下 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 盯 A B 8 “ 1 CI n ； 1 一T ” 2 式中o r 表示等效应力；占表示等效塑性应变，善‘ ；店。表示无量纲化的应变率，套。为参考应变率 善。 2X1 0 4s 一1 ；T4 r r ／ L r ，0 为 室温，己为熔点温度；A 、B 、C 、n 、m 为材料特性参 数。见表l 。 表1Q 2 3 5 钢和4 3 4 0 钢的J o h n s o n - C o o k 模型参数 T a b l e1J o h n s o n - C o o kp a r a m e t e r so fQ 2 3 5a n d4 3 4 0s t e e l 材料 A ／M P aB ／M P anCm Q 2 3 5 2 4 9 ．24 5 ．6 0 ．8 7 5 0 ．3 2 00 ．7 6 4 3 4 0 s t e e l7 9 2 ．05 1 0 ．00 ．2 6 00 ．0 1 41 ．0 3 Q 2 3 5 结构钢的参数来自早期实验标定，4 3 4 0 钢参数取自文献[ 1 5 ] 。4 3 4 0 的破坏模型采用S t o - c h a s t i c 模型，采用M o t t 分布表征物质的随机缺陷来 产生损伤和裂纹，产生一定数量的随机破片6 I 。 2 ．3 炸药的状态方程 导弹战斗部内部装药为T N T ，用J W L 状态方程 表征压力形式 P C j 1 一与 e 1 ” c 一1 一嚣 e 吨卜w 。e 1 式中c 。、c 、r ．、r 为常数，具体参数如表2 所示。 表2T N T 炸药J W L 状态方程参数 T a b l e2E O SJ W Lp a r a m e t e r so fT N T 2 ．4 混凝土本构关系 混凝土使用A U T O D Y N 中内部的R H T 模 型。1 7 j 。该模型采用材料的应变率效应、压缩效应和 损伤效应的影响。模型引入弹性极限面、残余强度 面和失效面，分别表征屈服强度。残余强度和失效 强度。失效面的表达为 O e q P ，D ，套 】，i c P R 3 0 F 兄4 饱 ； 4 式中F 刖珏 善 为应变率强化因子；y 玉。 P 为压缩 的子午线；R ， 0 为第二不变量．，、第三不变量I ，， 及静水压力有关的试验结果。 当混凝土压实后，则采用多项式表达状态方程 p p ，E A l 肛 A 2 肛2 A 3 p 3 B o B I u p o e 5 式中p p ／p 。 一l 为体积变化相关参数；A 。、A 、 A 。、B 。和曰．为常数项；J D 。为初始密度参考值；e 为内 能。详细参数见A U T O D Y N 。 3 计算方法验证 目前尚未见到公开的战斗部爆炸下桥梁毁伤的试 验结果，数值仿真的验证分两部分进行战斗部爆炸过 程的验证、爆炸冲击波作用下的混凝土响应8 。。 3 ．I 战斗部爆炸破片验证 战斗部爆炸特性的数值仿真计算与课题组前期 开展的模型实验进行比对。战斗部为圆柱形，T N T 装药1 ．9k g ，顶端设置雷管起爆。实物如图4 所示。 数值仿真计算结果表明，战斗部径向破片速度 为1 7 0 2 ．5m ／s ，实验的实测值为1 7 9 1 ．7m ／s ，误差约 为5 ．0 ％，仿真具有较高准确性。 图4 试验用战斗部及破片测速装置 F i g ．4C y l i n d r i c a lw a r h e a da n df r a g m e n t v e l o c i t ym e a s u r ed e v i c e 3 ．2 爆炸冲击波作用下钢筋混凝土毁伤验证 为了验证爆炸冲击波对钢筋混凝土结构会上特 性的有效性，利用文献结果进行验证8 | 。其爆炸终 点效应如图5 所示。钢筋混凝土方板中心区域出现 较大面积破损，两侧出现“耳朵”状裂纹损伤，中间 部分裂纹贯穿到两侧，数值仿真与实验吻合较好。 另外，混凝土挠度差为1 1 ％，中心区域破坏半径差 为1 6 ．7 ％，均在工程上可接受的范围内。见表3 。 ◇i i I 图5 钢筋混凝土板损伤对比 F i g ．5 D a m a g ec o m p a r i s o no fc o n c r e t eb o a r d 万方数据 第3 3 卷第2 期李营，吴卫国，朱海清，等爆炸冲击波与破片对R c 桥的耦合毁伤研究 1 4 5 表3 爆炸冲击波作用下钢筋混凝土终点效应对比m T a b l e3V e r i f i c a t i o no fc o n c r e t er e s p o n s e u n d e rb l a s tl o a d i n g 4 计算结果与分析 4 ．1 毁伤过程分析 导弹战斗部空中爆炸，毁伤R C 桥的全过程如 图6 所示。该过程可以分成4 个阶段。第1 阶段 0 0 ．5 4m s ，此阶段为战斗部中点起爆并形成冲 击波和破片阶段，战斗部中部首先沿径向膨胀并形 成破片，两端壳体分离形成较大质量破片，如 图6 a 、 b 、 c 所示，破片在T N T 炸药驱动下分 散，约在0 ．2 9m s 之后破片速度趋于稳定 图7 A 点 ，径向破片速度约为1 6 7 8m ／s ，两端破片速度不 均匀，中心处较大，形成类似钟罩射流装的大质量破 片，两端中心处破片速度约为1 8 2 1 ．5m ／s ，之后破 片以稳定速度飞行，T N T 炸药在破片间的缝隙中泻 出，在空气中形成爆炸冲击波。第2 阶段 0 ．5 4 1 ．0m s ，此阶段爆炸冲击波单独作用于R C 桥， 0 ．5 4m s 时冲击波达到R C 桥上表面 图8a 点 ，压 缩混凝土并形成应力波，应力波在梁中传播，在 0 ．8 4m s 时传播到梁底部，由于钢筋约束了梁的整体 变形，钢筋中出现较大应力，此阶段梁上表面重点处 最大加速度约1 ．1 9 6 1 0 6 m ／s ‘’。第3 阶段 1 ．0 ～ 3 ．6m s ，1 ．0m s 时径向破片到达桥面 图7 B 点、图 8 b 点 ，与桥面发生碰撞，R C 桥发生局部凹陷，梁上 表面中点处最大加速度为1 0 ．4 4 1 0 6 m ／s ～，破片 群溅飞并产生反向速度，在此过程中与后期破片形 成碰撞，速度有一定的波动 图7 椭圆形区域 ，距 梁中点较远处依次发生破片碰撞，3 ．6m s 时梁两端 的破片溅飞。第4 阶段 3 ．6m s 以后 ，破片群和冲 击波均不再作用于R C 桥，梁体开始周期性振动，并 在阻尼作用下逐渐静止。 ／夕夕夕 a 0 I l l s c 0 ．4 m s 夕夕卢≯ 图6战斗部空中爆炸作用下毁伤R C 桥梁过程 F i g ．6 P r o c e s so fc o n c r e t eb r i d g ed a m a g eu n d e rw a r h e a de x p l o d i n g 4 ．2 破片群对R C 桥的影响 图9 为R C 桥顶部中心处的位移曲线。对比图 9 中a 、b 、c 可以看出，爆炸冲击波单独作用时，局部 毁伤不明显，仅在梁中有局部损伤；而破片单独作 用、联合作用时，梁体损伤较为明显，说明破片的局 部毁伤作用明显。爆炸冲击波、破片、冲击波和破片 耦合作用时，R C 桥局部变形差异性较大，5 ．7m s 时，梁上表面中心处变形分别为4 ．6m m 、8 8m m 和 1 0 4 ．6m m 。联合作用时，局部变形甚至大于单独作 用之和，耦合毁伤效果显著。 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 越5 0 0 瑙 O - 5 0 0 00 0 10 0 ．0 0 2O0 0 40 ．0 0 6O ．0 0 8 时间／s 图7 战斗部爆炸破片速度 F i g ．7V e l o c i t yo ft h ew a r h e a df r a g m e n t 图8R C 桥上表面中点处加速度 F i g ．8 A c c e l e r a t i o no fb r i d g ec e n t e ro nu p p e rs u r f a c e 图9R C 桥顶部中点处位移 F i g ．9D i s p l a c e m e n to fb r i d g ec e n t e ro nu p p e rs u r f a c e 梁底部中点处位移是梁整体响应的重要参数。 如图1 0 所示，冲击波、破片群及联合作用时，5 ．7m s 时，位移分别为3 ．7 5m m 、1 0 ．5 3m m 、1 4 ．4 5m m ，联 合作用时的位移略大于单独作用之和。破片群作为 整体，其动量变化转化为对R C 桥整体的等效冲量。 此外，对比巾部梁截面损伤情况，如图1 0 中口、b 、c 可看出，方形空心梁的角隅处较易出现应力集中和 损伤，耦合作用时损伤更为明显。 图1 0R C 桥底部中点处位移 F i g ．1 0 D i s p l a c e m e n to fb r i d g ec e n t e ro nl o w e rs u r f a c e 4 ．3 钢筋对桥梁抗爆的影响 图1 1 为不同直径钢筋时R C 桥顶面中点处的 位移时程曲线。在0 ～0 ．5 6 5m s ，不同钢筋直径的 R C 桥受力完全相同，此过程前阶段未受力，后阶段 混凝土中的应力波在梁内传播，且在混凝土与钢筋 的界面处形成的反射应力波未到达梁上表面；在 0 ．9 8 5m s 时，受爆炸破片的影响，混凝土上表面中 点处发生快速位移；在之后的阶段，梁体在爆炸冲击 波与破片共同作用下发生位移，钢筋直径越大的R C 桥上表面中点处位移越小。对比上表面的等效塑性 应变 图1 1 中口、b 、c ，钢筋直径越粗，发生塑性变 形的区域越小。 图1 1R C 桥顶部中点处位移 F i g ．11D i s p l a c e m e n to fb r i d g ec e n t e ro nu p p e rs u r f a c e 图1 2 为不同直径钢筋时R C 桥底面中点处的 位移时程曲线。对比无钢筋、钢筋直径为4m m 、 6m m 的R C 桥在6m s 时位移，分别为1 4 ．8 9m m 、 1 5 ．0 3m m 和1 5 ．8 2m m 。钢筋直径越大，底面中点 万方数据 第3 3 卷第2 期李营，吴卫国，朱海清，等爆炸冲击波与破片对R C 桥的耦合毁伤研究 1 4 7 处位移越大，即整体变形越明显。而R C 桥底面损 伤情况则差异不大 图1 2 中口、b 、C 。 时间I t i s 图1 2R C 桥底部中点处位移 F i g ．12D i s p l a c e m e n to fo fb r i d g ec e n t e ro nl o w e rs u r f a c e 对比图1 1 和图1 2 ，钢筋直径越大，局部变形越 小，而整体变形越大。配筋率的增大使桥梁的吸能 模型由局部损伤向整体变形转化。 4 ．4 不同爆炸高度的影响 图1 3 为R C 桥底部中点处位移时间历程曲线。 战斗部爆炸高度较小时，爆炸冲击波衰减较少，作用 于桥梁的破片数目较多，桥梁响应时间较早，整体变 形较大，局部损伤也更为严重。战斗部爆炸高度分 别为lm 、2m 、3m 时，底部出现明显位移时间分别 为0 ．6 5m s 、1 ．5 1m s 和2 ．6 3m s ，在6 ．3 5m s 时梁底 部中点处位移分别为1 5 ．8 3m m 、1 3 ．7 7m m 和 7 ．3 3m m 。如图中o ，爆炸高度为1m 时，由于冲击波 与破片群作用区域集中，R C 桥顶部局部毁伤明显； 如图1 3 中b 、c 所示，爆炸高度为2m 、3m 时，由于 马刀型破片群分散u9 | ，梁顶部出现不等间距的间断 性毁伤，且距中心较近处毁伤更明显。 图1 3R C 桥底部中点处位移 F i g ．13D i s p l a c e m e n to fb r i d g ec e n t e ro nu p p e rs u r f a c e 如图1 4 所示，不同爆炸高度下，R C 桥对战斗部 形成“破片场”有明显影响。由于R C 桥的阻挡作 用，会在桥下方形成一个破片无法到达的区域，且该 区域夹角满足如下关系 ，／，’ t a no r ／2 等 6 仃 式中d 为无破片区域截面的夹角；Z 为R C 桥截面 边长；日为战斗部爆炸中心距离桥面的高度。爆炸 高度为l 、2 、3m 时的夹角分别为5 3 ．2 0 、2 8 ．0 。和 1 4 ．6 0 。 破片飞散路径示意图 、 ≮黏 图1 4 爆炸高度对破片场的影响 F i g ．1 4 I n f l u e n c eo nt h ef r a g m e n tf i e l do f t h ee x p l o s i o nh e i g h t 随着爆炸高度增大，梁顶部中点处变形明显变 小，但距离中点较远处则不一定。对比测点2 的位 移可知，爆炸高度为2 m 时，测点位移3 m s 后明显大 于爆炸高度为1m 和3m 的工况。分析其原因，为 马刀型破片间断分布，导致局部破片影响区域测点 位移较大。 5 结论 对战斗部空中爆炸作用下，爆炸冲击波与高速 破片毁伤R C 桥梁全过程进行了数值仿真研究，重 点探讨了破片群、配筋率、爆炸高度对R C 桥梁抗爆 性能的影响。通过研究分析，得出了以下结论 1 爆炸冲击波与破片对R C 桥梁耦合毁伤明显， 梁体局部毁伤和整体变形均大于单独作用之和。 2 方形空心梁的角隅处较易出现应力集中和 损伤，冲击波和破片联合作用时损伤更为明显。 3 R C 桥配筋率较低时，对桥梁整体抗爆性能 影响不大，随着配筋率的增大，桥梁的吸能模型由局 ▲譬▲羹“ 万方数据 1 4 8爆破2 0 1 6 年6 月 部损伤向整体变形转化。 4 战斗部爆炸高度越大，R C 桥中心毁伤越不 明显，但易在梁体迎爆面出现间断性局部毁伤。 5 随着战斗部爆炸高度增大，R C 桥背爆区域 的无破片区变小。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] 参考文献 R e f e r e n c e s A G A R D HL ．3DF E s i m u l a t i o no fh i g h - 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