谷建光,劉 陽,肖力田,施 鵬,蘇劍彬

(中國人民解放軍63921部隊， 北京 100028)

對多層建筑物實(shí)現(xiàn)計層精確打擊，是精確末制導(dǎo)彈藥的重要作戰(zhàn)功能。不同型號武器系統(tǒng)，其對目標(biāo)的命中精度、可穿透層數(shù)等性能指標(biāo)差異較大，靶場試驗(yàn)中需要建設(shè)規(guī)模層數(shù)各異的計層侵徹靶標(biāo)，以滿足不同考核需求。若按照傳統(tǒng)方法開展靶標(biāo)建設(shè)，存在以下突出問題，一是建設(shè)工程量大，施工周期長；二是靶標(biāo)一次建成，規(guī)模層數(shù)難以更改，無法通用于不同型號任務(wù)；三是靶標(biāo)毀傷后難以修復(fù)，無法重復(fù)使用。三方面原因?qū)е掳袠?biāo)建設(shè)人力物力投入巨大且使用受限，往往成為確保試驗(yàn)進(jìn)度的“瓶頸”。針對這些不足，需開展靶標(biāo)的模塊化設(shè)計研究，解決靶標(biāo)規(guī)?？纱罂尚?、層數(shù)可多可少的可擴(kuò)展性問題，以及損壞部位修復(fù)替換的可修復(fù)性問題，以滿足當(dāng)前靶場高密度試驗(yàn)需求[1]。

在靶標(biāo)模塊化研究領(lǐng)域，國內(nèi)外采用模擬材料拼接的二維平面靶標(biāo)，在目標(biāo)識別考核上取得了較好的應(yīng)用效果，并體現(xiàn)了模塊組合特點(diǎn)，但其不具備實(shí)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的目標(biāo)等效性[2-3]。國外采用單元體拼裝組合結(jié)構(gòu)實(shí)體靶標(biāo)模擬真實(shí)目標(biāo)，用于武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)檢驗(yàn)和實(shí)彈演習(xí)等驗(yàn)證性飛行試驗(yàn)，但靶標(biāo)設(shè)計也未考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面的目標(biāo)等效性問題[4-5]。在毀傷效應(yīng)考核方面，國內(nèi)外現(xiàn)有的建筑物靶標(biāo)設(shè)計主要遵循模擬真實(shí)目標(biāo)結(jié)構(gòu)形式，以實(shí)現(xiàn)抗毀傷能力等效考核的原則，而沒有結(jié)合模塊化設(shè)計理念從結(jié)構(gòu)形式上考慮靶標(biāo)的擴(kuò)展修復(fù)等重復(fù)利用問題。實(shí)體毀傷效應(yīng)靶標(biāo)的模塊化設(shè)計，是亟待研究解決的新課題。

在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，模塊化設(shè)計是一個重要發(fā)展方向[6-9]，但還未普及應(yīng)用。鋼架構(gòu)可通過梁柱的連接斷開實(shí)現(xiàn)整體建筑結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展變化；模塊組合結(jié)構(gòu)由若干單元體結(jié)構(gòu)空間拼裝而成，體現(xiàn)出單元體預(yù)制、運(yùn)輸、裝卸、重復(fù)利用和靈活拼裝等模塊化特點(diǎn)。具有模塊化特點(diǎn)的建筑結(jié)構(gòu)可為模塊化靶標(biāo)設(shè)計提供有益借鑒。

1 靶標(biāo)模塊化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

精確制導(dǎo)彈藥采用頂攻模式對目標(biāo)進(jìn)行計層攻擊，遵循模擬主要目標(biāo)特性原則和目標(biāo)等效原則，建筑物多層樓板結(jié)構(gòu)和梁柱結(jié)構(gòu)為靶標(biāo)需要模擬等效的主要目標(biāo)特性。模塊化計層侵徹建筑物靶標(biāo)主要涵蓋多層樓板設(shè)計、梁柱框架設(shè)計和連接結(jié)構(gòu)設(shè)計3個部分(如圖1)。

圖1 計層侵徹建筑物靶標(biāo)模塊化整體結(jié)構(gòu)示意圖

1) 多層樓板設(shè)計

真實(shí)目標(biāo)樓板多為鋼筋混凝土整體現(xiàn)澆板結(jié)構(gòu)，但鋼筋混凝土預(yù)制板組合結(jié)構(gòu)在擴(kuò)展修復(fù)方面具備模塊化特點(diǎn)。普通預(yù)制樓板外觀見圖2(a)。根據(jù)半無限靶抗侵徹理論，由于普通預(yù)制樓板結(jié)構(gòu)的拼接縫介質(zhì)與預(yù)制板材在強(qiáng)度等方面存在一定差異，在拼接縫將產(chǎn)生拉伸應(yīng)力波反射邊界效應(yīng)(圖2(b))，以及侵徹體的偏航累積效應(yīng)[11](圖2(c))。因此，需要對拼接縫進(jìn)行后澆帶處理，具體做法是：預(yù)制板四邊預(yù)留鋼筋接頭，板間配筋對應(yīng)焊接，實(shí)現(xiàn)板材配筋結(jié)構(gòu)一致性；板間縫隙控制在150 mm左右，并加入提高混凝土強(qiáng)度用早強(qiáng)劑(參見圖3)，實(shí)現(xiàn)板間縫隙后澆鑄混凝土的強(qiáng)度與板材本體一致。

2) 梁柱框架設(shè)計

真實(shí)建筑物采用鋼筋混凝土框架和鋼框架兩種梁柱框架結(jié)構(gòu)形式。鋼結(jié)構(gòu)件更換工藝簡單易行，抗變形能力強(qiáng)，更適用于模塊化設(shè)計。

靶標(biāo)采用鋼框架整體梁柱結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)規(guī)模按照靶場侵徹試驗(yàn)要求的最多層數(shù)考慮；主體鋼梁柱、斜撐、隅撐等單體構(gòu)件采用H型鋼，尺寸確定綜合考慮鋼筋混凝土材質(zhì)和鋼材質(zhì)梁柱抗貫穿能力的等效性[12]，以及靶標(biāo)對真實(shí)目標(biāo)廣泛的代表性；頂層鋼柱和端頭鋼梁留出用于增加層數(shù)的接頭。如圖4。

圖2 普通預(yù)制樓板結(jié)構(gòu)外觀、應(yīng)力波反射效應(yīng)及侵徹偏航累計效應(yīng)示意圖

圖3 預(yù)制樓板拼裝結(jié)構(gòu)單體及拼接縫構(gòu)造示意圖

3) 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

真實(shí)多層地面建筑物目標(biāo)的框架與層間樓板一般均為固支強(qiáng)約束連接方式。利用LS-DYNA軟件，建立3層3跨鋼框架+鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)計算模型，模型中采用鋼筋混凝土板和鋼框架共節(jié)點(diǎn)固連模擬真實(shí)目標(biāo)的固支約束，采用鋼筋混凝土板和鋼框架無連接模擬無約束擺放。鋼筋混凝土等效為單一均質(zhì)材料，采用HJC混凝土模型，單軸抗壓強(qiáng)度為48 MPa，其他模型參數(shù)參見文獻(xiàn)[10-11]。

爆點(diǎn)位于底層房間中心位置且TNT當(dāng)量相同，兩種約束條件下，爆點(diǎn)相鄰樓板毀傷情況基本一致，均表現(xiàn)為整體壓碎效果，而由圖5、圖6可看出，無約束連接條件下，傳播到相隔樓板中心點(diǎn)的超壓值比固支約束條件下的值要?。挥蓤D7、圖8可看出，爆炸荷載的沖擊波毀傷包絡(luò)范圍沒有明顯差別。

圖5 無約束連接時爆點(diǎn)相隔樓板中心點(diǎn)超壓曲線

圖6 固支約束連接時爆點(diǎn)相隔樓板中心點(diǎn)超壓曲線

圖7 無約束連接結(jié)構(gòu)下靶標(biāo)毀傷范圍仿真結(jié)果

圖8 固支約束連接結(jié)構(gòu)下靶標(biāo)毀傷范圍仿真結(jié)果

計層侵徹武器靶場試驗(yàn)主要考核武器系統(tǒng)的計層侵徹性能，且由仿真結(jié)果中兩種約束連接條件下毀傷范圍基本相同，靶標(biāo)采用不同的連接結(jié)構(gòu)將不影響靶場試驗(yàn)效果。

而從靶標(biāo)模塊化修復(fù)角度，強(qiáng)約束連接中樓板將承受較強(qiáng)的沖擊波荷載，在樓板梁柱間連帶作用下將產(chǎn)生較大結(jié)構(gòu)位移和構(gòu)件的變形扭曲，加大靶標(biāo)的修復(fù)難度；無約束連接將有效起到?jīng)_擊波衰減效果，但樓板掀起落下中產(chǎn)生的撞擊破壞及位置移動較為明顯，也將加大靶標(biāo)修難度。靶標(biāo)模塊化設(shè)計中，樓板與鋼框架間易采用可拆卸弱連接設(shè)計，即樓板與梁接觸部位預(yù)埋連接件，連接件通過螺栓、焊接等成熟安裝工藝[13]實(shí)現(xiàn)和鋼梁連接。

綜上所述，模塊化計層侵徹建筑物靶標(biāo)設(shè)計為“多層鋼框架+組合預(yù)制樓板+弱約束連接”結(jié)構(gòu)。

2 靶標(biāo)模塊化修復(fù)條件及工藝

1) 修復(fù)條件

當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)建筑在爆荷載下破壞響應(yīng)模式日益被人們廣泛關(guān)注[14-16]。利用非線性顯式動力分析軟件AUTODYN的Remap技術(shù)模擬爆炸波在空氣中的傳播過程，對靶標(biāo)鋼框架結(jié)構(gòu)在室內(nèi)爆炸沖擊荷載作用下動態(tài)響應(yīng)和破壞形態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真[14]。爆點(diǎn)置于一層室內(nèi)中間地面上，TNT當(dāng)量由低到高分別計算室內(nèi)爆炸中一層柱和橫梁在爆炸沖擊荷載作用下的峰值壓力。

分析仿真結(jié)果，爆炸荷載作用下鋼框架結(jié)構(gòu)靶標(biāo)的擴(kuò)展修復(fù)條件為：

① 單個工字鋼梁柱在爆炸荷載下將出現(xiàn)截面屈曲、剪切破壞等，整體結(jié)構(gòu)不垮塌變形情況下，可對破壞梁柱實(shí)施修復(fù)，如圖9所示；

② 當(dāng)中柱等關(guān)鍵受力部件在沖擊荷載下會出現(xiàn)大變形或斷裂，使與之相連的結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生大變形時，將最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)變形垮塌，失去修復(fù)可能，此時不具備擴(kuò)展修復(fù)條件，如圖10所示。

圖9 爆炸荷載下鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞示意圖

圖10 爆炸荷載下鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向倒塌示意圖

2) 修復(fù)工藝

根據(jù)受損程度，表1給出構(gòu)件破壞判據(jù)及修復(fù)措施[17]。修復(fù)流程一般為先將受損樓板移除，再修復(fù)受損的鋼柱和鋼梁，最后將新的預(yù)制樓板就位。

表1 模塊化建筑物靶標(biāo)單體構(gòu)件的破壞判據(jù)及修復(fù)措施

① 預(yù)制樓板修復(fù)：對于頂部屋面樓板，先將受損樓板與鋼梁及相鄰樓板的配筋切開，然后通過吊裝方式更換受損樓板；對于中間層樓板，將受損樓板完全破碎，將碎渣移除，用板下加墊塊等方法將新樓板就位。

② 鋼梁修復(fù)：對可修理校正鋼梁，采用局部高溫加熱并結(jié)合錘擊進(jìn)行變形校正，螺栓進(jìn)行更換或用扳手?jǐn)Q緊；對需要更換鋼梁，對要替換梁上的預(yù)制板進(jìn)行臨時支撐，將鋼梁腹板螺栓全部卸下，把鋼梁翼緣切開并整體取下，更換新鋼梁。

③ 鋼柱修復(fù)：對可修理鋼柱，處理方法與鋼梁相同。對需要更換鋼柱，先對受影響的區(qū)域的鋼梁和預(yù)制板進(jìn)行滿堂臨時支撐，將鋼柱腹板螺栓全部卸下，把鋼柱翼緣切開并整體取下，更換新鋼柱。

3) 工程支撐技術(shù)

現(xiàn)代工程領(lǐng)域已具備成熟完善的切割、破碎、吊裝、植筋接長等施工技術(shù)[13]，這些為靶標(biāo)的模塊化建設(shè)施工和修復(fù)提供了技術(shù)支撐。

3 靶標(biāo)模塊化規(guī)模改變方案

1) 規(guī)模擴(kuò)展

由靶標(biāo)最高層開始，按照原靶標(biāo)的跨度和層高，應(yīng)用梁柱和基礎(chǔ)部分端頭留出的接頭，對框架進(jìn)行擴(kuò)展，梁柱節(jié)點(diǎn)為高強(qiáng)螺栓連接；再按照1節(jié)中樓板設(shè)計，完成預(yù)制樓板安裝施工。

2) 規(guī)模減小

由靶標(biāo)頂層開始，按照2節(jié)中預(yù)制樓板修復(fù)的樓板更換工藝，將多余預(yù)制樓板移除(如圖1(b))；按照2節(jié)中鋼梁修復(fù)的鋼梁更換工藝，將多余鋼梁移除；按照2節(jié)中鋼柱修復(fù)的鋼柱更換工藝，將多余鋼柱移除。

4 設(shè)計應(yīng)用實(shí)例

設(shè)計建設(shè)4層3跨“鋼框架+預(yù)制樓板拼裝+簡易螺栓連接”計層侵徹模塊化靶標(biāo)(如圖11)，每跨共3塊預(yù)制樓板，樓板間按2.2節(jié)進(jìn)行連接縫后澆帶處理，樓板與框架間預(yù)埋連接件并螺栓連接。

圖11 模塊化計層侵徹建筑物靶標(biāo)平面立面圖

試驗(yàn)中，戰(zhàn)斗部侵徹4層樓板，在1層正常引爆，試驗(yàn)取得圓滿成功，很好地驗(yàn)證了建筑物靶標(biāo)模塊化關(guān)鍵技術(shù)的解決效果，歸納如下：

1) 從4層到1層4處侵徹孔依次位于樓板、穿透鋼梁、鋼梁樓板間、樓板間，基本涵蓋著靶點(diǎn)材質(zhì)結(jié)構(gòu)的所有工況，侵徹路徑未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，驗(yàn)證了預(yù)制板組合結(jié)構(gòu)和連接縫處理，以及鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和有效性。

2) 未見沖擊波作用下的樓板梁柱連帶效應(yīng)和樓板掀起砸落破壞效應(yīng)，驗(yàn)證了連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性，體現(xiàn)了靶標(biāo)模塊化設(shè)計的可修復(fù)性。

3) 爆點(diǎn)附近鋼立柱炸斷，梁柱連接斷裂，樓板變形翹曲并塌落，整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生變形和倒塌，靶標(biāo)毀傷效果與圖8(a)[14]所示的仿真結(jié)果基本一致，滿足擴(kuò)展修復(fù)條件。

4) 除去預(yù)制板、鋼梁柱等單體構(gòu)件制備時間，相比以往同規(guī)模的“鋼筋混凝土框架+單跨整澆混凝土板+強(qiáng)約束連接”傳統(tǒng)靶標(biāo)，本靶標(biāo)建設(shè)用時大大縮短(如表2)。此次試驗(yàn)后需修復(fù)構(gòu)件數(shù)量僅占整個靶標(biāo)構(gòu)件數(shù)量的5%(參見表3)，修復(fù)工程量大大壓縮。

表2 與同規(guī)模傳統(tǒng)建筑物靶標(biāo)的性能量化比較情況

表3 模塊化建筑物靶標(biāo)單體構(gòu)件毀傷情況統(tǒng)計表

5 結(jié)論

1) 從精確制導(dǎo)彈藥對目標(biāo)計層打擊的靶場試驗(yàn)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了計層侵徹建筑物靶標(biāo)模塊化設(shè)計，并給出了靶標(biāo)修復(fù)條件及實(shí)現(xiàn)工藝，以及靶標(biāo)規(guī)模改變方案。

2) 設(shè)計了模塊化計層侵徹建筑物靶標(biāo)并成功應(yīng)用，驗(yàn)證了所提模塊化設(shè)計方法的可行性和有效性。