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。

文章来源：《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0222/466.html