摘 要：为使新型航空弹药发挥最大作战效能，建立基于战术研究的桥梁易损性分析模型. 该模型以典型钢筋混凝土梁式桥为研究对象，以桥梁的结构特征和载荷及建筑材料等基本层面的分析为依据建立桥梁毁伤等级划分模型. 通过毁伤概率模型，在Vega Prime仿真环境中评估某型制导导弹对典型桥梁破坏的毁伤效果，表明该方法具有一定通用性，可为航空弹药的综合毁伤评估模型建立提供参考.
关键词：钢筋混凝土梁式桥；易损性；评估模型；Vega
中图分类号：TJ413；U441
文献标志码：A
Bridge vulnerability analysis model based on tactical investigation
CHEN Yijun1，LI Qing2
(1.Eng. Institute，Airforce Eng. Univ.，Xi’an 710038；2.Xuzhou Airforce College，Xuzhou Jiangsu 221000，China)
Abstract：To enable the new type of aerial ammunition to play the biggest fighting efficiency，the bridge vulnerability analysis model based on tactical investigation is built. A typical ferroconcrete beam bridge is taken as a study object and a grading damage model of bridge is established according to the basic analysis such as structure characteristics and load，and construction material. The damage effect caused by a guided missile is evaluated in Vega Prime simulation environment by a damage probability model. It shows that the method has some universality，and can make reference to establish evaluation model of integrative damage model of aerial ammunition.
Key words：ferroconcrete beam bridge；vulnerability；evaluation model；Vega
0 引 言
随着空军武器装备建设的迅速发展，一大批从国外引进和自行研制的新型航空弹药不断充实部队，推动空军战斗力的迅速提升.由于新型弹药与传统弹药不论在战术性能上，还是在使用条件上都有很大不同，如何有效使用这类弹药，使弹药发挥最大作战效能，成为当前急需研究的内容.
目标易损性是终点弹道学的基本概念，是指目标毁伤对毁伤作用的敏感性.目标在一定参数的毁伤元素作用下，一定毁伤等级条件出现这一事件发生的概率是目标易损性的量化描述，它反映目标对毁伤作用的响应特征，由毁伤元素与目标作用机理的研究得到.[1]在目标易损性分析过程中，目标的毁伤根据功能丧失程度和时间表现为不同的毁伤模式和毁伤等级；毁伤作用表现为毁伤元素的类别和参数.
目标易损性分析总体包含3个方面的内容：(1)目标毁伤等级分析；(2)目标简化等效；(3)通过毁伤元素对目标作用效用研究，得到目标毁伤等级对毁伤元素及其参数的响应特征，即条件毁伤概率.
桥梁工程在交通事业中占有重要的地位.虽然桥梁所占总长度不大，但其工程造价一般占公路总造价的10%～20%，在山区高等级公路上其比例更高，尤其是在现代高速公路和城市高架桥中，常常是保证全线早日通车和正常使用的关键.国防上，桥梁更是交通运输的命脉，在快速、机动的现代化战争中占有非常重要的地位.本文以常见钢筋混凝土梁式桥为研究对象，分析桥梁毁伤等级划分的方式，通过毁伤元素对桥梁作用效应的研究，得到目标毁伤等级对毁伤元素及其参数的响应特征，即条件毁伤概率，最终建立桥梁的易损性分析模型.
1 特性分析
现代桥梁种类多，结构形式复杂，材料多种多样，故不同类型桥梁的易损特性也显著不同.分析桥梁目标的易损性，首先需要确定目标的结构类型和材料类型.由于钢筋混凝土梁式桥具备桥梁的最典型特征，并且施工难度小、费用低、承力体系简单，故在桥梁的各种类型中占有数量最多.因此，本文选取钢筋混凝土梁式桥作为典型目标进行结构特性和易损特性分析.
1.1 结构特征分析
典型的钢筋混凝土梁式桥结构见图1：上部结构为桥面系、主要承重结构、支座，下部结构为桥墩、桥台和基础.
基础即结构物的奠基部分，是保证桥梁安全使用的关键.桥墩即支撑上部结构，并将其恒载和活载等传给中间衔接部分.桥台除了与桥墩一样起传递载荷衔接作用外，还可以防止路堤填土的滑坡.桥跨结构是线路中断时跨越障碍的主要承载结构物.
1.2 结构载荷分析
结构载荷主要分为以下3类：
(1)永久载荷(恒载)：有结构重力、预加应力、土的重力和土侧压力，混凝土收缩及徐变影响力和基础变位影响力和水的浮力.
(2)可变载荷：基本可变载荷(活载)有汽车及其影响力(汽车冲击力、离心力，汽车引起的土侧压力)，人群，平板挂车或履带车及其影响力.其他可变载荷有风力、汽车制动力、流水压力、冰压力、温度影响力和支座摩阻力等.
(3)偶然载荷：如地震力、船只或漂流物撞击力等.
1.3 材料分析
桥梁的建筑材料直接决定抗压、抗拉和抵抗破坏的能力，钢筋混凝土梁式桥在遇到外力冲击、尤其在应变率很高的情况下其相关性能变化较明显，主要表现在：
(1)抗压强度随加载速度的增大而提高，不同强度混凝土的动态和静态抗压强度比值一般为1.3到2.0；
(2)动态模量(杨氏模量、体积模量)约为静态模量的1.5倍；
(3)塑性变形随加载速度的增加而减小，在瞬时加载情况下，混凝土变为弹性体；
(4)抗拉强度提高的比值要比抗压强度的大，但在后期抗拉强度提高的比值比抗压强度的要小.
(5)混凝土的微观不均匀性对动态抗压强度的影响比对静态抗压强度的影响大得多；
(6)应变率对应力具有一定影响，但在应变率小于10E+4/s时(侵彻速度小于1 000 m/s)，计算应力时可不考虑应变率的影响.[3]
1.4 典型目标简化模型
根据以上对典型钢筋混凝土桥梁相关特性的分析，选取具有较强代表性、10跨的钢筋混凝土梁式桥作为典型目标研究.简化的几何模型见图2.简化模型的具体结构参数：桥洞宽为30 m；桥面长为360 m，厚为1.5 m，宽为20 m；桥墩厚为3 m.
2 毁伤等级划分
在战场上，毁伤1个目标通常指对目标的使用功能进行毁伤，使目标无法执行既定使命，从而达到削弱或压制敌方战略、战役、战术能力或造成威慑效果.因此，目标毁伤等级的划分应着重于其运行和作战使用功能的损伤程度.
钢筋混凝土桥梁的主要使用功能为通行功能，应着重破坏这一功能，造成目标通行功能的彻底丧失或在一定时间内丧失，从而削弱敌方机动转移的能力.桥梁通行功能的丧失对应着结构的彻底破坏，需要重建.在一定时间内通行功能的丧失对应着桥梁需要修复使用，修复期间无法行使通行功能.根据现代战争的特点，数小时以上丧失通行功能可以使敌方无法机动而丧失作战先机，因此将桥梁的修复时间定义为数小时.
综上，桥梁的毁伤等级划分为如下两级：(1)坍塌，对应结构彻底破坏，需要重建；(2)修复后使用，在一定时间内丧失通行功能，修复时间在数小时以上.
3 毁伤作用效应分析
航空弹药对桥梁结构的毁伤作用主要有2种形式：侵彻作用和爆炸冲击波作用.侵彻作用主要是引信作用前战斗部整体对桥梁结构的冲击作用.结构受到战斗部撞击时破坏机理十分复杂，从宏观上看，冲击作用可归纳为局部作用和整体作用.冲击局部作用是指在冲击点附近目标材料发生的破坏现象.对于混凝土而言，包括侵彻、震塌和贯穿.冲击整体作用是指在射弹撞击结构时将相当一部分能量传递给结构，使结构产生整体动力响应，导致变形、裂缝，甚至发生破坏.爆炸冲击波对结构的作用同样可分为局部的震塌、破裂和整体结构响应2种形式.
3.1 侵彻效应
混凝土板在受冲击时，典型破坏特征是正面形成冲击漏斗坑、背面形成震塌漏斗坑.作为结构材料，混凝土抗压强度大，抗拉强度小，射弹冲击和侵彻过程中易击碎混凝土产生脆性破坏.混凝土的抗侵彻能力受到材料选择、配合比、养护条件和强度等因素的影响.研究表明，钢筋能够提高抗侵彻能力，其最主要作用就是承担拉应力，阻止混凝土开裂、破碎和震塌.正面钢筋网用于减少弹着点附近混凝土的崩落面积并防止迎弹面混凝土碎块飞散，提高混凝土抗重复打击能力.背面钢筋网用于提高混凝土抗震塌能力，同时用于抵抗弯曲内力.抗剪钢筋连接正面和背面的钢筋，约束中间的混凝土.
由上述内容可知，当战斗部命中桥梁目标时，桥梁目标将受到侵彻、震塌和破裂作用的影响.如果战斗部在桥梁外爆炸则桥梁目标主要受冲击波的作用.此时，在震塌和破裂距离范围内桥梁目标将受到破裂和震塌作用.
3.3 杀伤准则及毁伤概率模型
本文所研究典型桥梁目标的主要结构单元为桥面及桥墩，桥面为功能执行部分，而桥墩为主要的承重单元.桥梁目标的毁伤通过结构单元的毁伤实现.如果任一桥墩毁伤，桥梁的修复需要重新建造桥墩，难度和时间接近于建造新桥，则认为桥梁完全毁伤，即直接达到I级毁伤；如果桥面毁伤范围超过其通行宽度，则桥梁的通行功能丧失，认为桥梁毁伤，此处毁伤可能是I级，也可能是II级，表现为
4 仿真结果与结论
通过采用式(10)的杀伤准则及毁伤概率模型，在Vega Prime仿真环境中评估某型制导导弹对典型桥梁破坏的毁伤效果，三维仿真模型见图3.通过该方法推广到其他相关类型的桥梁毁伤效果评估时，具体毁伤评估分数应综合导弹的战斗部威力和桥梁质地以及数字尺寸进行确定.
以典型钢筋混凝土梁式桥为研究对象，建立桥梁目标的易损性分析模型.分析桥梁毁伤等级划分的方式，建立各毁伤元素对桥梁破坏效应的分析模型及桥梁的杀伤准则和毁伤概率模型.建模方式具有一定的通用性，可在此基础上继续建立其他典型战术目标如机场跑道、港口、大型指挥所等的毁伤评估模型，为后续的多种航空弹药对目标破坏作用的研究奠定基础.
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(编辑 廖粤新)
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