一种使用场地扩充晶格的超薄地震体波地震超材料

本发明属于建筑物抗震领域，尤其涉及一种使用场地扩充晶格的超薄地震体波地震超材料。

背景技术：

1、地震是一种因地壳突然释放大量能量而产生的巨大自然灾害，能够以地震波的形式传播并摧毁各种建筑物。在距离震源100km以内的近场地震中，地震波的主要成份是体波。体波的振幅和能量较大，往往是导致建筑损坏甚至倒塌的主要原因。虽然隔震支座、防屈曲支撑以及剪力墙等抗震措施已经得到广泛应用，能够在相当程度上避免建筑物的连续倒塌，但传统的减隔震措施在大震下自身就会出现严重损坏，建筑物也会出现不可修复的损伤。同时，对于已经建成的建筑，很难通过传统抗震方法对结构的抗震能力进行改造升级。为此，能够控制地震体波传播的地震超材料是理想的新型防灾减灾方法。

2、地震超材料是近年来新型的抗震技术，它由混凝土、钢、橡胶等常规材料周期交替分布形成。通过在地壳中周期重复地布置地震超材料，就能通过其带隙特性将来袭的地震波反射回去，实现指定区域或指定建筑的抗震。地震体波地震超材料能够改变地壳内地震体波的传播方向，避免地震波入射到建筑周围的同时也能够避免结构和超材料本身出现损伤。而由于地震体波地震超材料与结构分离且布置在结构外围，能够方便的提升已建建筑的地震安全性。地震体波地震超材料能够控制地震波传播方向的关键因素是具有带隙，带隙频率范围内的地震波遇到地震超材料就会被反射出去，改变原有的传播方向。带隙的中心频率越低，带隙的宽度越宽，地震超材料所能反射的地震波越多。将地震超材料放在被保护建筑前方，地震波就不会传播到被保护建筑周围，从而实现建筑抗震的目的。一般而言，地震超材料的带隙中心频率需要低于10hz且带隙宽度大于2hz，否则地震超材料将无法有效反射地震体波。

3、目前，地震超材料带隙的形成机制有两种，布拉格散射机制和局域共振机制。布拉格散射机制要求晶格尺寸与波长的长度相当，形成的带隙带宽很宽，但中心频率高；局域共振机制要求硬质材料被软材料包裹，能够形成中心频率低的带隙，但带隙的带宽很窄。为了在小尺寸晶格下获得低频带隙，通常利用两种机制相结合的方式形成希望的带隙。

4、现有地震体波地震超材料往往要求各层之间紧密排列，其晶格完全由橡胶等人工材料组成，在横波模式下能够形成局域共振机制和布拉格散射机制，并在两种机制的共同作用下产生带隙。然而，这种地震超材料的晶格尺寸往往小于1米，在局域共振机制的限制下这种小尺寸晶格所产生带隙的宽度较窄。同时，地震波是以低频波动为主的复合弹性波，而固体中纵波波速很高，波长通常在20-70m之间，纵波波长显著大于1米级别的晶格尺寸。这种尺寸差距导致了布拉格散射机制逐渐失效而局域共振机制成为带隙的主要形成机制。在局域共振机制的主导下，现有地震超材料的带隙宽度小于2hz，中心频率也在10hz左右，难以阻止地震体波的纵波模式传播。除了将人工材料层的厚度扩大10-20倍以增加晶格尺寸外，现有地震超材料无法在纵波模式下形成足够宽的低频带隙，难以有效抵御纵波模式下的地震体波。

技术实现思路

1、本发明针对现有地震超材料在长波长的地震纵波下无法形成理想带隙的问题，提出一种利用场地土壤扩充晶格尺寸的地震超材料，通过在指定区域的外围地下埋设体波地震超材料，改变地壳内地震波体波的传播方向，实现指定区域内建筑免受地震波体波影响。

2、本发明是采用以下的技术方案实现的：一种使用场地扩充晶格的超薄地震体波地震超材料，所述地震超材料包括以目标场地为中心，从内至外依次等间距设置在地表以下的多组地震超材料单元；

3、所述地震超材料单元包括封闭围合的竖直组合钢板和水平组合钢板，所述水平组合钢板水平设置在目标场地的底部，竖直组合钢板竖直设置在目标场地的底部外围，竖直组合钢板之间的土壤形成土层并作为地震超材料的一部分形成低频宽带宽的带隙；

4、所述竖直组合钢板和水平组合钢板结构相同，包括中间钢板层以及设置在中间钢板层两表面的橡胶层。

5、进一步的，所述钢板层的材料参数为密度：7850kg/m3，杨氏模量为210gpa，泊松比0.3；橡胶层的材料参数为1053kg/m3，杨氏模量1.5mpa，泊松比为0.39。

6、进一步的，所述相邻竖直组合钢板之间以及相邻水平组合钢板之间的间隔距离为25米-35米。

7、进一步的，所述竖直组合钢板和水平组合钢板为谐振体，钢板层厚度为0.6m，正反两侧的橡胶层厚度均为0.2米。

8、进一步的，所述竖直组合钢板插入地层的深度不小于水平组合钢板的深度。

9、进一步的，所述地震超材料单元的数量为5组以上，在目标场地周围等间距地插入5组及以上地震超材料单元将目标场地围合，且水平组合钢板放置位置为竖直组合钢板的最深处。

10、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

11、本方案所示地震超材料能够在不增加人工材料层厚度的前提将晶格尺寸扩大至30米级别，实现协同利用局域共振机制和布拉格散射机制形成理想的低频带隙；而且，针对现有地震超材料难以防御体波的问题，通过超薄组合钢板的竖直插入和水平埋置，在任意波动模式下形成多条低频宽带宽带隙，由于整个地震超材料是封闭围合的，它能够反射任意方向入射的地震波体波，从而使得整个区域内的建筑物免受地震波体波影响，实现任意方向体波的隔振。

技术特征：

1.一种使用场地扩充晶格的超薄地震体波地震超材料，其特征在于：所述地震超材料包括以目标场地为中心，从内至外依次等间距设置在地表以下的多组地震超材料单元；

2.根据权利要求1所述的使用场地扩充晶格的超薄地震体波地震超材料，其特征在于，所述钢板层的材料参数为密度：7850kg/m3，杨氏模量为210gpa，泊松比0.3；橡胶层的材料参数为1053kg/m3，杨氏模量1.5mpa，泊松比为0.39。

3.根据权利要求1所述的使用场地扩充晶格的超薄地震体波地震超材料，其特征在于，所述相邻竖直组合钢板之间以及相邻水平组合钢板之间的间隔距离为25米-35米。

4.根据权利要求书1所述的使用场地扩充晶格的超薄地震体波地震超材料，其特征在于，所述竖直组合钢板和水平组合钢板为谐振体，钢板层厚度为0.6m，正反两侧的橡胶层厚度均为0.2米。

5.根据权利要求1所述的使用场地扩充晶格的超薄地震体波地震超材料，其特征在于，所述竖直组合钢板插入地层的深度不小于水平组合钢板的深度。

6.根据权利要求书1所述的使用场地扩充晶格的超薄地震体波地震超材料，其特征在于，所述地震超材料单元的数量为5组以上，在目标场地周围等间距地插入5组及以上地震超材料单元将目标场地围合，且水平组合钢板放置位置为竖直组合钢板的最深处。

技术总结
本发明公开了一种使用场地填充晶格的超薄地震波体波地震超材料，包括以目标场地为中心，从内至外依次等间距设置在地表以下的多组地震超材料单元，地震超材料单元包括设置在目标场地底部的水平组合钢板以及竖直设置在目标场地底部外围的竖直组合钢板，竖直组合钢板和水平组合钢板封闭围合，组合钢板包括中间钢板层以及设置在其两表面的橡胶层；本方案地震超材料等间距地布置在目标场地四周，该间距相当于引入同等厚度的土层，能够等效的扩充一维局域共振声子晶体的晶格常数，在任意波动模式下形成多条低频宽带宽带隙，且封闭围合的安置方式能够反射任意方向入射的地震波体波，使得整个目标场地免受地震波体波影响。

技术研发人员：李晓磊,白涌滔
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13