Page 55 - 《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

通过图 12(b) 中截面 S1～S4 的第一压缩应力峰值可以看出，当压缩波在滤波混凝土模型中传播时，截面
S1～S4 的第一压缩应力峰值随时间出现明显的降低，这说明应力波在滤波混凝土模型中进行沿程衰减
传播。图 13 为普通混凝土模型和滤波混凝土模型在 0.140 ms 时的纵截面应力云图，此时压缩应力波尚
未到达模型自由面。从图 13 可以看出，滤波单元的存在使滤波混凝土基体中的应力波产生了衰减。对
比图 12(a) 和 (b) 可以看出，滤波混凝土模型中截面 S2 处的第一压缩应力峰值为 8.57 MPa（t=0.088 ms），
截面 S4 处的第一压缩应力峰值为 6.02 MPa（t=0.180 ms），相比于普通混凝土模型中截面 S2 处的第一应
力峰值 10.00 MPa（t=0.080 ms）和截面 S4 处的第一应力峰值 99.94 MPa（t=0.170 ms），分别降低了
14.3% 和 40.0%。滤波混凝土模型中应力波第一次到达 S2～S5 各截面的时间相比于普通混凝土模型中
的时间均发生了延长，这说明应力波在滤波混凝土模型中的传播速度也发生了衰减。

σ y /MPa
3.101
1.477
−0.147
−1.771
(a) Normal concrete −3.395
−5.020
−6.644
−8.268
−9.892
−11.516
−13.140

(b) Filter concrete
图 13 模型在 0.140 ms 时的纵截面应力云图
Fig. 13 Stress contours of the model in the longitudinal section at 0.140 ms
根据应力波在固体结构中的传播规律，当入射压缩波传播到模型的自由面时，压缩应力波会发生反
射并转换为拉伸应力波。从图 12(a) 中截面 S2～S4 的第一拉伸应力峰值可以看出，反射拉伸波在普通
混凝土模型中传播时出现了衰减，这是由于拉伸波的峰值应力强度超出了混凝土抗拉强度。高于混凝
土抗拉强度的塑性拉伸波会在传播过程中发生快速衰减 ，但应力波在混凝土中的衰减并不是自始至终
[5]
的，当应力波的峰值应力衰减到某一特定值后将会保持该值进行无衰减传播。从图 12 可以看出，截面 S5
的应力峰值较低，这是由于该截面比较靠近模型的自由面，自由面附近发生的应力波转换和应力叠加现
象降低了截面 S5 的平均应力峰值。图 14 为压缩应力波在模型自由面发生反射后普通混凝土模型和滤
波混凝土模型在 0.270 ms 时的纵截面应力云图。从图 14 可以看出，滤波混凝土模型中的拉伸应力明显
低于普通混凝土模型中的拉伸应力。对比图 12(a) 和 (b) 可以看出，滤波混凝土模型在截面 S4 处的第一
拉 伸 应 力 峰 值 为 6.25 MPa（ t=0.240 ms） ， 相 比 普 通 混 凝 土 模 型 在 同 一 截 面 处 的 第 一 拉 伸 应 力 峰 值
9.01 MPa（t=0.228 ms），降低了 31.3%。
图 15 展示了普通混凝土模型和滤波混凝土模型中单元 E1 与 E2 的位移时程曲线。从图 15 可以看
出，在普通混凝土模型中，这 2 个单元的位移响应情况基本一致；在滤波混凝土模型中，这 2 个单元的位
移响应呈现出周期性交替的状态，并且在运动开始时铅单元的响应时间滞后于混凝土单元。这说明在
冲击荷载下滤波混凝土中的铅球由于弹性包覆层的存在而与混凝土基体做相对往复运动，并对混凝土
基体的动态行为产生抑制效果。
图 16 展示了滤波混凝土模型中各部分的能量时程曲线，图中所示的能量为各部分动能与势能之
和。从图 16 可以看出，金属球与弹性层所存储的能量具有波动性，并随着金属球的振动而发生转化。
当金属球与弹性层的能量之和达到最大值时，混凝土基体所存储的能量降到最低。滤波单元的储能效
应使得混凝土基体对冲击波具有了一定的衰减能力。

023201-8