Page 49 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 李国强，等： 冲击荷载作用下滤波混凝土的动态响应与层裂损伤数值研究 第 2 期

concrete matrix dissipates a large amount of energy produced by the load, effectively reducing the degree of destruction near

the free surface of the structure. Combined with the attenuation effect of the filter units on the stress wave, the filter concrete
has achieved good impact resistance.
Keywords: filter concrete; local resonance; spalling damage; stress wave; energy storage mechanism

爆炸冲击波是一种瞬间强压缩波，会对结构和人员造成重大伤害。目前，国防工程和民用工程防护
结构使用最广泛的是厚度达数米的钢筋混凝土结构。在现代高技术战争条件下，相比于造价动辄千万的
巨型动能钻地弹，成本较低且精度日益提升的高爆弹对国防和民用基础防护工程的威胁更显著，其产生
的爆炸冲击波会在混凝土内部形成峰值较高、持续时间较短的压缩应力波 [1-2] 。压缩波在传播至防护结
构背部自由面时会发生反射并转换为拉伸波，并与压缩波的卸载段发生耦合作用，导致靠近防护结构背
[3]
部自由面某处形成较高的拉应力 。由于混凝土具有脆性和较低的抗拉强度，结构背部的混凝土极易发
生严重的层裂破坏，甚至造成崩落，产生的混凝土碎块将会对附近的人员和设备构成巨大威胁。而混凝
土的层裂崩落可在防护结构中形成新自由表面，应力波在自由面的多次反射将加剧混凝土防护结构背
部的层裂破坏。因此，研究混凝土结构在爆炸冲击强动荷载下的动态响应与层裂破坏具有重要的工程
意义。
近年来，学者们对强动荷载作用下混凝土材料中的应力波传播规律及层裂损伤进行了大量的研究。
郭弦等 通过霍普金森杆实验研究了混凝土试件中应力波的传播规律，发现当应力波峰值在混凝土中衰
[4]
减到某一特定值后便不再衰减，并保持该特定值继续传播。巫绪涛等 通过数值模拟研究了应力波在混
[5]
凝土中传播的衰减规律，发现应力波在混凝土中的衰减与试样的初始脉冲强度密切相关，当霍普金森压
杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验所采用的细长试件的长径比大于 15，或传入试样的初始脉冲
强度低于混凝土抗压强度时，应力波的衰减可忽略不计。俞鑫炉等 对混凝土一维应力层裂实验进行了
[6]
全场 DIC 分析，发现混凝土试件各位置的裂纹均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成。综上可知，混凝
土结构在强动荷载下易产生层裂损伤的根本原因，除了混凝土材料存在显著的拉压不对称性外，弹性应
力波在混凝土中的传播几乎无沿程衰减也是问题的关键 [4-5] 。提高混凝土材料的强度或加大结构厚度属
于被动抵御，只有通过技术手段增大应力波在混凝土结构中的沿程衰减，并降低应力波的峰值强度，从
而抑制反射拉伸波，使混凝土结构对强动荷载做出主动响应，才能从根本上降低混凝土结构背部的层裂
破坏程度。

Liu 等 [7-8] 通过将涂有硅橡胶的铅球嵌入环氧树脂基体中，制作出了局域共振声子晶体，该类结构对
弹性波产生了明显的衰减作用。基于此，研究人员将包裹有软涂层的金属芯填充到砂浆或混凝土基体
中，设计出了局域共振混凝土，并对该类混凝土进行了大量研究。Mitchell 等 [9-10] 通过数值模拟方法研究
了局域共振混凝土在爆炸荷载下的响应情况，发现在带隙范围内应力波峰值出现明显衰减。张恩等 [11]
利用数值模拟方法研究了局域共振混凝土的带隙特征，发现局域共振混凝土对冲击波具有更好的衰减
作用。Jin 等 [12] 通过解析推导和数值模拟方法研究了爆炸荷载作用下局域共振混凝土的动态响应，发现
局域共振混凝土中的人工单元能够有效存储应力波中的能量，从而降低砂浆基体中的能量。Xu 等 [13] 通
过将包有软涂层的钢球作为人工骨料随机分布在砂浆基体中，制作出了局域共振混凝土试件，并进行了
冲击力学实验，发现人工骨料的加入使局域共振混凝土对带隙范围内的应力波产生了衰减效果。
基于局域共振结构的带隙特性，本文中，将由弹性层和金属球组成的滤波单元均匀嵌入混凝土基体
中，设计出具有应力波衰减效应的滤波混凝土。通过将滤波混凝土模型简化为质量弹簧力学系统来研
究滤波混凝土对应力波的衰减机制。利用 LS-DYNA 软件建立滤波混凝土有限元模型，通过数值模拟方
法，对比冲击荷载作用下普通混凝土模型和滤波混凝土模型中的应力波沿程传播特性和层裂破坏模
式。通过参数分析研究铅球密度、弹性层刚度和厚度等因素对滤波单元储能效果的影响。

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