中国指挥与控制学会会刊 
地面建筑物目标作为潜在打击对象,打击前研究如何实现其有效、准确毁伤预评估具有重要军事价值与意义,能够为火力筹划、任务规划等提供必要的支撑。
目前,针对建筑物目标毁伤评估的研究主要包括以下两种:一是采用有限元软件实现战斗部对目标毁伤的全过程高精度仿真,该方法侧重于毁伤机理研究;二是合理简化建筑物和毁伤过程,通过建立工程计算模型实现毁伤评估。
国外对于建筑物毁伤评估的研究主要采用仿真与试验相结合的方法,研究弹药对建筑物预测毁伤评估方法。Bogosian等提出了一种框架结构的复杂ADINA模型与简化工程模型相结合的方法[1],建立了建筑物对载荷响应的快速计算模型;Remennikov研究了几种可用于预测复杂几何结构建筑物承受爆炸载荷的分析方法[2],分析了建筑群在受爆炸载荷时相邻建筑的影响;Magnusson等通过试验测试了高强度和普通强度钢筋混凝土梁受到爆炸载荷和静态加载下的性能[3]; Krauthammer等通过试验研究了载荷与结构特性对 P-I曲线的影响,评估了脉冲形状、上升时间与阻尼等对P-I曲线的影响[4]。国内对于建筑物毁伤评估研究多数基于有限元仿真与工程计算模型。李伟等基于峰值超压分布模型,提出了建筑物体积毁伤概率的概念及相关计算方法[5];肖黎等通过流固耦合算法模拟了建筑物在内爆载荷作用下的破坏过程,得到了建筑物框架结构的毁伤范围[6];李恩奇、陈旭光等对建筑物在多发弹药打击下的累积毁伤效果进行了仿真分析[7-8];张重阳等提出了通过爆炸试验与试验原型数值模拟,研究了侵爆弹对框架类建筑物毁伤效果的评估方法[9];周阳等基于工程计算模型建立了弹药打击下钢筋混凝土楼房的毁伤评估方法[10];曹宇航等采用数值计算方法,开展了典型工况、爆炸作用下迎爆方向砌体墙的连续毁伤效应与房间内冲击波传播规律的研究[11]。
本文针对大型建筑物目标的毁伤评估,提出一种新的思路与方法:采用基于SAP-2000的快速有限元仿真,分析典型工况下的目标结构倒塌和构件毁伤情况,并得到目标整体毁伤效果图像。在此基础上,通过目标毁伤图像的几何特征变化程度分析、图像特征变化识别以及指标提取与量化,结合目标功能与物理毁伤等级判别准则,最终得到目标毁伤等级。
1 SAP-2000数值模拟
1.1 目标建模
回字形是办公、指挥类大楼较常采用的结构,因此,建立如图1 所示的典型回字形结构的大楼几何模型。
表1 结构柱、框架梁和楼板属性Tab.1 Properties of structural columns, frame beams and slabs |
| 位置 | 梁构件 | 柱构件 | 楼板 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 截面/mm2 | 配筋率 | 配箍率 | 截面/mm2 | 配筋率 | 配箍率 | ||
| 底层 | 500×900 | 1.5% | 0.6% | 1 200×1 200 | 1.90% | 0.80% | F150C30 |
| 中间层 | 500×900 | 1.5% | 0.6% | 1 000×1 000 | 1.51% | 1.00% | F150C30 |
| 顶层 | 500×900 | 1.5% | 0.6% | 1 000×1 000 | 1.00% | 1.00% | F200C30 |
1.2 SAP-2000建模与分析
本文利用SAP-2000的“Consider Collapse”模块开展基于替代传力路径法的非线性动力分析,同时考虑结构和材料的非线性特征以及结构移除关键构件后的动力效应,具体建模与分析步骤如下:
1)采用材料的动态本构模型,建立结构的有限元模型,如图2 所示。
2)在移除结构关键柱之前,对结构施加导则所规定的恒载和活载,并使结构达到静力平衡。
3)瞬间移除结构的关键构件。
4)移除结构关键构件的同时,对剩余结构进行动力分析,时间步长不应大于剩余结构基本周期的1/50,其中,剩余结构基本周期表示移除关键构件后,剩下的那部分结构的自振周期。
之后,分别开展三个典型不同工况下的目标倒塌和毁伤机理分析。爆炸作用下结构损伤与爆炸载荷参数和起爆位置有密切关系,因此,以这两个变量作为分析工况的选取依据,工况命名方式为GKX-Y-Z。X表示爆炸载荷大小,数字1代表爆炸载荷最小,数字5代表爆炸载荷最大,不同荷载对应的拆杆数量见表2 ;Y表示起爆的平面位置,如字母S代表起爆发生在南侧,SE代表起爆发生在东南角;Z表示起爆的楼层,数字1代表起爆发生在首层。不同工况下的毁伤结果及分析见表3 。
表2 爆炸荷载对应的拆杆数量Tab.2 Number of dismantling rods corresponding to explosion load |
| 爆炸荷载 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拆除杆件数量/个 | ~4 | ~20 | ~40 | ~80 | ~120 |
表3 不同工况下的毁伤结果及分析Tab.3 Damage results and analysis of different working conditions |
| 工况描述 | 拆杆位置 | 失效点位移 (云图不同颜色 表示位移量大小) | 剩余结果性能 | 毁伤描述 |
|---|---|---|---|---|
| GK2-SE-1(爆炸载荷2,拆杆数18,起爆点位于东南角1楼) |  |  |  | 与拆杆件相连的梁柱严重破坏,周围较大范围梁柱出现屈服,构件破坏数量比率为2.66%,发生局部倒塌。 |
| GK3-SE-1(爆炸载荷3,拆杆数48,起爆点位于东南角1楼) |  |  |  | 与拆杆件相连的梁柱严重破坏,周围较大范围梁柱出现屈服,构件破坏数量比率为7.01%,发生局部倒塌。 |
| GK5-SN-1(爆炸载荷5,拆杆数126,起爆同时发生在南侧和北侧1楼) |  |  |  | 与拆杆件相连的梁柱严重破坏,周围较大范围梁柱出现屈服,构件破坏数量比率为23.63%,结构整体被拉扯倾倒。 |
2 特征变化识别与毁伤等级判别准则
2.1 特征变化识别
利用有限元数值模拟结果,通过分析与提取图像变化特征,给出建筑物目标的毁伤部位以及每个毁伤部位的毁伤程度,包括建筑物顶角、可见面以及体积的毁伤程度,从而建立毁伤元—毁伤评估参数指标—毁伤等级三者之间的对应关系。
结合建筑物结构特征,采用以下毁伤评估指标参数描述建筑物目标的毁伤情况:
1)顶角毁伤个数(DamageAngleNum)。使用基于消失边缘的角点提取算法,得到毁伤顶角的信息。顶角毁伤个数越多,表明建筑物目标被毁伤的程度越严重。
2)顶角毁伤比(DamageAngleRatio)。由简化的建筑物立方体模型可知,初始状态下建筑物的顶角共有8个,顶角毁伤比的计算公式为
DamageAngleRatio= ×10
顶角毁伤比值越小,表明建筑物在顶角上的毁伤程度越小。
3)表面积毁伤比(DamageAreaRatio)。使用基于变化轮廓的面积计算方法,求得建筑物表面积毁伤比DamageArea。再根据毁伤前建筑物的面积PriArea,计算表面积毁伤比为
DamageAreaRatio= ×10
表面积毁伤比值越大,表明建筑物目标毁伤程度越严重。
4)体积毁伤比(DamageVolumeRatio)。根据求得的建筑物变化部分的体积PolyhedronV以及建筑物目标的初始体积CubeV,计算建筑物目标体积变化比例为
DamageVolumeRatio= ×10
体积毁伤比作为建筑物目标的毁伤评估指标参数之一,可以直观地体现建筑物的毁伤程度,体积毁伤比值越大,表明建筑物目标毁伤体积越大,毁伤程度越严重。
根据以上指标参数,应用加权平均的方法进行指标综合,给出建筑物目标的功能毁伤评价等级。结合专家经验赋予指标DamageAngleRatio、DamageAreaRatio、DamageVolumeRatio的权重值分别为0.2、0.3、0.5。建筑物目标的功能性毁伤指标综合指标FuncAssessGrade计算方法为
FuncAssessGrade=0.2×DamageAngleRatio+0.3×DamageAreaRatio+0.5×DamageVolumeRatio
2.2 毁伤等级判别准则
结合专家经验建立如表4 ~5 所列的建筑物目标功能与物理毁伤等级判别准则。
表4 建筑物目标功能毁伤等级判别准则Tab.4 Criterion for determining the functional damage level of building target |
| 功能性毁伤等级 | 功能性指标综合值取值范围 |
|---|---|
| 轻度毁伤 | 0≤FuncAssessGrade<2 |
| 中度毁伤 | 2≤FuncAssessGrade<4 |
| 重度毁伤 | 4≤FuncAssessGrade<6 |
| 完全毁伤 | 6≤FuncAssessGrade |
表5 建筑物目标物理毁伤等级判别准则Tab.5 Criterion for determining the physical damage level of building target function |
| 物理性毁伤等级 | 物理性指标综合值取值范围 | 结构梁、柱构件毁伤率 |
|---|---|---|
| 轻度毁伤 | 0≤PhysicalAssessGrade<1 | 小于5% |
| 中度毁伤 | 1≤PhysicacAssessGrade<2 | 大于5%,小于10% |
| 重度毁伤 | 2≤FuncAssessGrade<3 | 大于10%,小于30% |
| 完全毁伤 | 3≤FuncAssessGrade | 大于30% |
采用加权平均的方法进行物理毁伤和功能毁伤等级的综合评判,即将目标功能性毁伤指标与物理性毁伤指标加权平均,给出综合的目标毁伤指标。首先将毁伤等级进行量化,记Grade{1,2,3},分别代表轻度毁伤、中度毁伤、重度及以上毁伤。设GradeP为目标物理性毁伤等级,GradeF为目标功能性毁伤等级,则综合评判等级 Grade 的计算公式为
Grade=GradeP×Vp+GradeF×Vf
其中,Vp和Vf分别为功能毁伤权重值和物理毁伤权重值,按表6 取值。
表6 不同毁伤等级对应的功能毁伤权重值和物理毁伤权重值Tab.6 Functional and physical damage weight values corresponding to different damage levels |
| 毁伤等级 | 功能毁伤权重值Vp | 物理毁伤权重值Vf |
|---|---|---|
| 轻度毁伤 | 0.5 | 0.5 |
| 中度毁伤 | 0.6 | 0.4 |
| 重度毁伤 | 0.7 | 0.3 |
| 完全毁伤 | 0.8 | 0.2 |
3 毁伤评估实例
选择上述三种典型工况进行毁伤评估仿真验证。
由建筑物的几何特征可知,原始结构的顶点数为16个,建筑物总的表面积PriArea约为31 925 m2,初始体积CubeV约为489 812.5 m3。
1)GK2-SE-1工况
毁伤前后目标结构三维云图如图3 所示,其中,云图中的不同颜色表示位移量大小。由图3 可知,毁伤后在目标东南角形成一个顶面为正方形,底面为长方形的四棱柱状的破坏区域。
从图3 中观察可知,顶角毁伤个数为2个,则顶角毁伤比为
DamageAngleRatio= ×10=1.25
基于变化的轮廓计算得到建筑物表面积毁伤DamageArea为
DamageArea=20×42.5+ ×42.5+18×18=2 130.25 m2
根据毁伤前建筑物的面积PriArea,计算表面积毁伤比为
DamageAreaRatio= ×10=0.67
计算建筑物变化部分的体积PolyhedronV为
PolyhedronV= ×42.5=17 212.5 m3
毁伤引起的建筑物目标体积变化比例为
DamageVolumeRatio= ×10=0.35
最后,根据计算得到的指标参数,计算建筑物目标的功能性毁伤指标综合指标FuncAssessGrade为
FuncAssessGrade=0.2×1.25+0.3×0.67+0.5×0.35=0.626
由于本工况的梁、柱构件毁伤率为2.66%,依据表4 插值得到物理性指标PhysicalAssessGrade为0.5,代入式(5),计算得到综合评判等级 Grade值为0.563,判别属于轻微毁伤等级。该评估结果与基于LS-DYNA的精细化有限元结构毁伤理论分析结果一致。
2)GK3-SE-1工况
毁伤前后目标结构三维图如图4 所示。由图4 可知,毁伤后形成一个顶面为正方形,底面为长方形的四棱柱状的破坏区域。
从图4 中观察可知,顶角毁伤个数为2个,则顶角毁伤比为1.25,基于变化的轮廓计算得到建筑物表面积毁伤DamageArea约为3 215.25 m2,表面积毁伤比DamageAreaRatio为1.01,体积PolyhedronV为36 146.25 m3,体积变化比例DamageVolumeRatio为0.74。根据计算得到的指标参数,得到建筑物目标的功能性毁伤指标综合指标FuncAssessGrade为0.923。由于本工况的梁、柱构件毁伤率为7%,依据表4 插值得到物理性指标PhysicalAssessGrade为1.4,代入式(5),计算得到综合评判等级 Grade值为1.11,建筑物属于中等毁伤等级。该评估结果与基于LS-DYNA的精细化有限元结构毁伤理论分析结果一致。
3)GK5-SN-1工况
毁伤前后目标结构三维图如图5 所示。由图5 可知,毁伤后形成两处长方体破坏区域。
从图5 观察可知,顶角毁伤个数为0,则顶角毁伤比为0,基于变化的轮廓计算得到建筑物表面积毁伤DamageArea约为7 587.5 m2,表面积毁伤比DamageAreaRatio为2,体积PolyhedronV为118 575 m3,毁伤引起的建筑物目标体积变化比例DamageVolumeRatio为2.42。根据计算得到的指标参数,计算建筑物目标的功能性毁伤指标综合指标FuncAssessGrade为1.81。由于本工况的梁、柱构件毁伤率为23.63%,依据表4 插值得到物理性指标PhysicalAssessGrade为2.65,代入式(5),计算得到综合评判等级 Grade值为2.06,建筑物属于严重毁伤等级。该评估结果与基于LS-DYNA的精细化有限元结构毁伤理论分析结果一致。
4 结束语
本文针对建筑物尤其是大型建筑物目标的有效、准确毁伤评估需求,提出了基于数值模拟结果图像变化识别的毁伤评估方法。首先基于SAP-2000,分析了三种典型不同工况下的目标结构倒塌与构件毁伤效果;其次建立了目标图像特征变化识别与毁伤等级判别准则,通过提取并量化顶角毁伤个数、顶角毁伤比、表面积毁伤比以及体积毁伤比等参数,结合建立的毁伤等级判别准则,实现了涵盖目标功能与物理毁伤的毁伤综合评估。三种不同毁伤等级的典型工况实例毁伤评估结果表明,该方法是可行有效的,且相较于LS-DYNA的精细化有限元仿真,计算时间大幅降低。