Page 57 - 《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

元的峰值应力，说明弹性层周围的混凝土基体中存在明显的应力集中现象，导致弹性层周围的混凝土基
体更容易发生损伤。

10

0
Stress/MPa −10

−20 E5 E3
E4 E4
−30 E5
Section S0 E3
0 0.5 1.0 1.5
Time/ms
图 17 滤波混凝土模型截面 S0 处单元 E3～E5 的应力时程曲线
Fig. 17 Stress time history curves of elements E3–E5 at section S0 in the filter concrete model

2.4 滤波单元参数分析
滤波单元的几何属性和材料属性对滤波混凝土在冲击荷载下的动态性能具有重要影响。在本节中
对滤波单元中金属球密度、弹性层的刚度和厚度 3 种参数进行分析，以研究不同参数对滤波混凝土中应
力波衰减性能与储能效果的影响。对滤波混凝土模型施加峰值为 10 MPa 的冲击荷载（见图 10），以确保
模型中各材料均处于弹性响应范围。各材料参数见表 1，模型几何参数见表 2。
3
图 18 展示了金属球密度（ρ ）分别为 5 700、8 400 和 11 400 kg/m 时混凝土基体的能量占比时程曲
b
线，该占比为混凝土基体中的能量与模型总能量之比。从图 18 可以看出，当金属球密度最高时，基体所
存储的能量占比处于较低的范围。这说明由更重的金属球构成的滤波单元能更有效地存储冲击荷载作
用于滤波混凝土中产生的能量。图 19 展示了不同密度金属球所在的滤波混凝土模型中截面 S4 处的平
均应力时程曲线，从图 19 可以看出，滤波混凝土模型中的金属球密度越高，模型中截面 S4 处的峰值应力
越低。这说明质量越大的金属球能更有效地衰减滤波混凝土中的应力波。
100
8 4
Energy proportion/% 60 Average stress/MPa −4 0
80

ρ b =5 700 kg/m
ρ b =8 400 kg/m 3 3 −8 ρ b =5 700 kg/m 3 3
ρ b =8 400 kg/m
40 ρ b =11 400 kg/m 3 ρ b =11 400 kg/m 3
0 0.5 1.0 1.5 0 0.5 1.0 1.5
Time/ms Time/ms

图 18 金属球密度不同时混凝土基体的能量占比时程曲线 图 19 金属球密度不同时截面 S4 处的平均应力时程曲线
Fig. 18 Energy proportion time history curves of concrete matrix Fig. 19 Average stress time history curves of section S4
with different metal ball densities with different metal ball densities
图 20 给出了弹性层的弹性模量 E 分别为 4.7、47、470 和 4 700 MPa 时混凝土基体的能量占比时程
曲线。从图 20 可以看出，当弹性层的弹性模量为 47 和 470 MPa 时，混凝土基体中的能量占比处于较低
的范围，而过硬或者过软的弹性层都会在一定程度上提高混凝土基体中的能量，从而降低混凝土基体的

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