Page 61 - 《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

S1 处的第一压缩应力峰值 36.90 MPa（t=0.060 ms），分别降低了 35.8% 和 47.4%，而在普通混凝土模型中，
S1～S4 截面的第一压缩应力峰值基本保持不变。当压缩应力波在自由面发生反射后，滤波混凝土模型
中截面 S4 的第一拉伸应力峰值为 11.80 MPa（t=0.232 ms），相比于普通混凝土模型中的第一拉伸应力峰
值 18.79 MPa（t=0.212 ms），降低了 37.2%，之后普通混凝土模型截面 S4 的应力迅速降低为零，这是由于
普通混凝土模型在截面 S4 处发生了层裂破坏，从而导致截面所在的单元失效。

20 20

10 0 10 0
Average stress/MPa −10 Average stress/MPa −10

−20
−20
S2
S2
−30 S1 −30 S1
S3
S3
S4 S4
−40 −40
0 0.4 0.8 1.2 0 0.4 0.8 1.2
Time/ms Time/ms
(a) Normal concrete (b) Filter concrete
图 28 峰值为 40 MPa 的冲击荷载作用下各模型截面 S1～S4 的平均应力时程曲线
Fig. 28 Average stress time history curves of sections S1–S4 of different concrete models
under impact load with the peak value of 40 MPa

4 结 论

借鉴局域共振结构的设计思路，将包裹有天然橡胶弹性层的铅球均匀嵌入混凝土基体中，设计出具
有应力波衰减特性的滤波混凝土。通过数值模拟方法研究了滤波混凝土模型在冲击荷载作用下的动态
响应，并进行了参数分析，得到以下结论。
(1) 由弹性层与金属球组成的滤波单元有效降低了冲击荷载作用下滤波混凝土基体中应力波的传
播速度与应力峰值。金属球由于弹性层的存在而与混凝土基体做相对往复运动，从而对混凝土基体的
动态响应产生抑制效果。
(2) 金属球的振动与弹性层的变形使滤波单元具有很好的储能效果，从而降低了混凝土基体中的能
量。在参数分析中发现，质量越大的金属球能更好地储存冲击荷载施加在滤波混凝土中的能量，从而提
高了混凝土基体的抗冲击性能；弹性层的存在可以有效地提高滤波混凝土对应力波的衰减效果，但其弹
性模量和厚度需要通过适当的分析来进行设计，以使滤波混凝土对应力波的衰减效果与基体中的应力
达到最佳平衡。
(3) 由于较软弹性层的存在，滤波单元附近的混凝土基体出现了明显的应力集中效应，从而导致局
部损伤发生。但基体的局部损伤有效地耗散了冲击荷载施加到模型中的能量，显著地降低了结构自由
面附近的破坏程度。再结合滤波单元对冲击波的衰减效应，使得滤波混凝土具有良好的抗冲击性能。

参考文献：

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