对多层建筑物实现计层精确打击，是精确末制导弹药的重要作战功能。不同型号武器系统，其对目标的命中精度、可穿透层数等性能指标差异较大，靶场试验中需要建设规模层数各异的计层侵彻靶标，以满足不同考核需求。若按照传统方法开展靶标建设，存在以下突出问题，一是建设工程量大，施工周期长；二是靶标一次建成，规模层数难以更改，无法通用于不同型号任务；三是靶标毁伤后难以修复，无法重复使用。三方面原因导致靶标建设人力物力投入巨大且使用受限，往往成为确保试验进度的“瓶颈”。针对这些不足，需开展靶标的模块化设计研究，解决靶标规模可大可小、层数可多可少的可扩展性问题，以及损坏部位修复替换的可修复性问题，以满足当前靶场高密度试验需求[1]。
在靶标模块化研究领域，国内外采用模拟材料拼接的二维平面靶标，在目标识别考核上取得了较好的应用效果，并体现了模块组合特点，但其不具备实体结构强度方面的目标等效性[2-3]。国外采用单元体拼装组合结构实体靶标模拟真实目标，用于武器系统的作战检验和实弹演习等验证性飞行试验，但靶标设计也未考虑结构强度等方面的目标等效性问题[4-5]。在毁伤效应考核方面，国内外现有的建筑物靶标设计主要遵循模拟真实目标结构形式，以实现抗毁伤能力等效考核的原则，而没有结合模块化设计理念从结构形式上考虑靶标的扩展修复等重复利用问题。实体毁伤效应靶标的模块化设计，是亟待研究解决的新课题。
在建筑结构领域，模块化设计是一个重要发展方向[6-9]，但还未普及应用。钢架构可通过梁柱的连接断开实现整体建筑结构的扩展变化；模块组合结构由若干单元体结构空间拼装而成，体现出单元体预制、运输、装卸、重复利用和灵活拼装等模块化特点。具有模块化特点的建筑结构可为模块化靶标设计提供有益借鉴。
1 靶标模块化整体结构设计
精确制导弹药采用顶攻模式对目标进行计层攻击，遵循模拟主要目标特性原则和目标等效原则，建筑物多层楼板结构和梁柱结构为靶标需要模拟等效的主要目标特性。模块化计层侵彻建筑物靶标主要涵盖多层楼板设计、梁柱框架设计和连接结构设计3个部分(如图1)。
图1 计层侵彻建筑物靶标模块化整体结构示意图
1) 多层楼板设计
真实目标楼板多为钢筋混凝土整体现浇板结构，但钢筋混凝土预制板组合结构在扩展修复方面具备模块化特点。普通预制楼板外观见图2(a)。根据半无限靶抗侵彻理论，由于普通预制楼板结构的拼接缝介质与预制板材在强度等方面存在一定差异，在拼接缝将产生拉伸应力波反射边界效应(图2(b))，以及侵彻体的偏航累积效应[11](图2(c))。因此，需要对拼接缝进行后浇带处理，具体做法是：预制板四边预留钢筋接头，板间配筋对应焊接，实现板材配筋结构一致性；板间缝隙控制在150 mm左右，并加入提高混凝土强度用早强剂(参见图3)，实现板间缝隙后浇铸混凝土的强度与板材本体一致。
2) 梁柱框架设计
真实建筑物采用钢筋混凝土框架和钢框架两种梁柱框架结构形式。钢结构件更换工艺简单易行，抗变形能力强，更适用于模块化设计。
靶标采用钢框架整体梁柱结构，基础规模按照靶场侵彻试验要求的最多层数考虑；主体钢梁柱、斜撑、隅撑等单体构件采用H型钢，尺寸确定综合考虑钢筋混凝土材质和钢材质梁柱抗贯穿能力的等效性[12]，以及靶标对真实目标广泛的代表性；顶层钢柱和端头钢梁留出用于增加层数的接头。如图4。
图2 普通预制楼板结构外观、应力波反射效应
及侵彻偏航累计效应示意图
图3 预制楼板拼装结构单体及拼接缝构造示意图
图4 钢框架多层建筑物结构示意图
3) 连接结构设计
真实多层地面建筑物目标的框架与层间楼板一般均为固支强约束连接方式。利用LS-DYNA软件，建立3层3跨钢框架+钢筋混凝土板结构计算模型，模型中采用钢筋混凝土板和钢框架共节点固连模拟真实目标的固支约束，采用钢筋混凝土板和钢框架无连接模拟无约束摆放。钢筋混凝土等效为单一均质材料，采用HJC混凝土模型，单轴抗压强度为48 MPa，其他模型参数参见文献[10-11]。
爆点位于底层房间中心位置且TNT当量相同，两种约束条件下，爆点相邻楼板毁伤情况基本一致，均表现为整体压碎效果，而由图5、图6可看出，无约束连接条件下，传播到相隔楼板中心点的超压值比固支约束条件下的值要小；由图7、图8可看出，爆炸荷载的冲击波毁伤包络范围没有明显差别。
图5 无约束连接时爆点相隔楼板中心点超压曲线
图6 固支约束连接时爆点相隔楼板中心点超压曲线
图7 无约束连接结构下靶标毁伤范围仿真结果
图8 固支约束连接结构下靶标毁伤范围仿真结果
计层侵彻武器靶场试验主要考核武器系统的计层侵彻性能，且由仿真结果中两种约束连接条件下毁伤范围基本相同，靶标采用不同的连接结构将不影响靶场试验效果。
而从靶标模块化修复角度，强约束连接中楼板将承受较强的冲击波荷载，在楼板梁柱间连带作用下将产生较大结构位移和构件的变形扭曲，加大靶标的修复难度；无约束连接将有效起到冲击波衰减效果，但楼板掀起落下中产生的撞击破坏及位置移动较为明显，也将加大靶标修难度。靶标模块化设计中，楼板与钢框架间易采用可拆卸弱连接设计，即楼板与梁接触部位预埋连接件，连接件通过螺栓、焊接等成熟安装工艺[13]实现和钢梁连接。
综上所述，模块化计层侵彻建筑物靶标设计为“多层钢框架+组合预制楼板+弱约束连接”结构。
2 靶标模块化修复条件及工艺
1) 修复条件
当前，钢结构建筑在爆荷载下破坏响应模式日益被人们广泛关注[14-16]。利用非线性显式动力分析软件AUTODYN的Remap技术模拟爆炸波在空气中的传播过程，对靶标钢框架结构在室内爆炸冲击荷载作用下动态响应和破坏形态进行数值仿真[14]。爆点置于一层室内中间地面上，TNT当量由低到高分别计算室内爆炸中一层柱和横梁在爆炸冲击荷载作用下的峰值压力。
分析仿真结果，爆炸荷载作用下钢框架结构靶标的扩展修复条件为：
① 单个工字钢梁柱在爆炸荷载下将出现截面屈曲、剪切破坏等，整体结构不垮塌变形情况下，可对破坏梁柱实施修复，如图9所示；
② 当中柱等关键受力部件在冲击荷载下会出现大变形或断裂，使与之相连的结构也产生大变形时，将最终导致整体结构变形垮塌，失去修复可能，此时不具备扩展修复条件，如图10所示。
图9 爆炸荷载下钢框架结构发生局部破坏示意图
图10 爆炸荷载下钢框架结构发生竖向倒塌示意图
2) 修复工艺
根据受损程度，表1给出构件破坏判据及修复措施[17]。修复流程一般为先将受损楼板移除，再修复受损的钢柱和钢梁，最后将新的预制楼板就位。
表1 模块化建筑物靶标单体构件的破坏判据
及修复措施
构件名称破坏模式破坏判据破坏阈值修复措施钢梁弯曲破坏剪切破坏挠跨比(δ/L)挠跨比(δ/L)>8%更换<8%修理校正>4%更换<4%修理校正钢柱受压破坏弯曲破坏剪切破坏缩短/高度挠跨比(δ/L)挠跨比(δ/L)>4%更换<4%修理校正>8%更换<8%修理校正>4%更换<4%修理校正预制楼板弯曲破坏侵彻贯穿挠跨比(δ/L)>6%更换<6%继续使用有贯穿开洞更换无贯穿开洞继续使用
① 预制楼板修复：对于顶部屋面楼板，先将受损楼板与钢梁及相邻楼板的配筋切开，然后通过吊装方式更换受损楼板；对于中间层楼板，将受损楼板完全破碎，将碎渣移除，用板下加垫块等方法将新楼板就位。
② 钢梁修复：对可修理校正钢梁，采用局部高温加热并结合锤击进行变形校正，螺栓进行更换或用扳手拧紧；对需要更换钢梁，对要替换梁上的预制板进行临时支撑，将钢梁腹板螺栓全部卸下，把钢梁翼缘切开并整体取下，更换新钢梁。
③ 钢柱修复：对可修理钢柱，处理方法与钢梁相同。对需要更换钢柱，先对受影响的区域的钢梁和预制板进行满堂临时支撑，将钢柱腹板螺栓全部卸下，把钢柱翼缘切开并整体取下，更换新钢柱。
3) 工程支撑技术
现代工程领域已具备成熟完善的切割、破碎、吊装、植筋接长等施工技术[13]，这些为靶标的模块化建设施工和修复提供了技术支撑。
3 靶标模块化规模改变方案
1) 规模扩展
由靶标最高层开始，按照原靶标的跨度和层高，应用梁柱和基础部分端头留出的接头，对框架进行扩展，梁柱节点为高强螺栓连接；再按照1节中楼板设计，完成预制楼板安装施工。
2) 规模减小
由靶标顶层开始，按照2节中预制楼板修复的楼板更换工艺，将多余预制楼板移除(如图1(b))；按照2节中钢梁修复的钢梁更换工艺，将多余钢梁移除；按照2节中钢柱修复的钢柱更换工艺，将多余钢柱移除。
4 设计应用实例
设计建设4层3跨“钢框架+预制楼板拼装+简易螺栓连接”计层侵彻模块化靶标(如图11)，每跨共3块预制楼板，楼板间按2.2节进行连接缝后浇带处理，楼板与框架间预埋连接件并螺栓连接。
图11 模块化计层侵彻建筑物靶标平面立面图
试验中，战斗部侵彻4层楼板，在1层正常引爆，试验取得圆满成功，很好地验证了建筑物靶标模块化关键技术的解决效果，归纳如下：
1) 从4层到1层4处侵彻孔依次位于楼板、穿透钢梁、钢梁楼板间、楼板间，基本涵盖着靶点材质结构的所有工况，侵彻路径未发生偏转，验证了预制板组合结构和连接缝处理，以及钢框架结构设计的合理性和有效性。
2) 未见冲击波作用下的楼板梁柱连带效应和楼板掀起砸落破坏效应，验证了连接结构设计的有效性，体现了靶标模块化设计的可修复性。
3) 爆点附近钢立柱炸断，梁柱连接断裂，楼板变形翘曲并塌落，整体结构未发生变形和倒塌，靶标毁伤效果与图8(a)[14]所示的仿真结果基本一致，满足扩展修复条件。
4) 除去预制板、钢梁柱等单体构件制备时间，相比以往同规模的“钢筋混凝土框架+单跨整浇混凝土板+强约束连接”传统靶标，本靶标建设用时大大缩短(如表2)。此次试验后需修复构件数量仅占整个靶标构件数量的5%(参见表3)，修复工程量大大压缩。
表2 与同规模传统建筑物靶标的性能量化比较情况
量化指标名称模块化靶标传统靶标说 明建设周期1.5～2个月5个月施工周期可缩短约40%～70%可扩展性0.5个月以内1～2个月整体搬迁的扩展施工也可控制在1.5～2个月修复周期3～5天以内1～2个月以上修复施工时间可缩短约80%～90%,经费较少
表3 模块化建筑物靶标单体构件毁伤情况统计表
构件名称构件总数需校正的构件数量需更换的构件数量受损修复率/%钢梁/根84123.6%钢柱/根64011.6预制楼板/块1082(不处理)87.4
5 结论
1) 从精确制导弹药对目标计层打击的靶场试验出发，实现了计层侵彻建筑物靶标模块化设计，并给出了靶标修复条件及实现工艺，以及靶标规模改变方案。
2) 设计了模块化计层侵彻建筑物靶标并成功应用，验证了所提模块化设计方法的可行性和有效性。
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