用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料

本发明涉及控制地震传播，特别是一种用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料。

背景技术：

1、地震给人口密集的城市区域带来了严重的安全威胁，地震波的巨大破坏力导致城市中大量的建筑结构倒塌和损坏。为了防御可能发生的地震灾害，隔振垫、防屈曲支撑和剪力墙等抗震措施已经得到了广泛的应用。然而，历次地震灾害表明，现有传统抗震措施虽然能够在一定程度上避免建筑结构的连续倒塌，但实际上会出现震后结构受损且难以被修复等问题，并由此引发财产损失。严重的震后财产损失是现有抗震措施的弊端。与此同时，现有传统抗震措施往往也是结构的重要承力构件。这意味着现有传统抗震措施难以对已建建筑或古建筑的抗震能力进行改造提高。为此，设置在结构外围并直接控制地震波传播的地震超材料是克服上述传统技术瓶颈的理想防灾减灾方法。

2、通常，地震波分为地震体波和地震表面波。地震表面波具有传播距离远、携带能量大、不易衰减的特性，往往是地震事件中导致大范围结构破坏的主要原因。形成低频表面波带隙是现有地震超材料技术衰减地震波的关键，处于带隙频率范围内的表面波无法在超材料中传播。地震超材料通过在土体内部周期性地埋设混凝土桩或在地表上周期性地布置谐振器来形成低频表面波带隙。这种新型防灾减灾方法实现了抗震构造与建筑自身的分离，能够克服传统抗震措施的弊端。

3、现有的埋设型地震超材料的带隙普遍在10hz以上；弹簧-集中质量型地震超材料能够衰减5hz左右的表面波。由于地震表面波是一种超低频波动，地震超材料能够衰减的表面波频率越低，其对地震的防护能力越好。

4、然而，现有的埋设型或谐振器型地震超材料依赖布拉格散射机制或局域共振机制打开带隙，在形成低频表面波带隙时往往依赖巨大的结构尺寸或重量极大的集中质量，使得地震超材料的建造难度极大、建造成本极高。现有地震超材料高昂的建造成本以及超出工程实际的巨大尺寸是地震超材料难以实际应用的主要原因。在表面波系统中开发出更加新颖的表面波控制机制来构造小尺寸低成本的地震超材料是实现此类新型防灾减灾方法工程应用的关键技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其尺寸小、成本低，有效实现了亚波长地震超材料对低频地震表面波的衰减。

2、本发明的技术方案是：一种用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其中，包括数个周期性排列的集化谐振器，集化谐振器包括：

3、混凝土平台，呈六面体状，其顶面和底面均为正方形，其底面与地面固定连接；

4、数根钢制薄壁空心方管，分别垂直固定设置在混凝土平台顶部表面的各侧边中部的内侧，其底部设置在混凝土平台顶部表面的插孔内；

5、橡胶包裹层，填充在插孔内，实现钢制薄壁空心方管和混凝土平台之间的固定连接。

6、本发明中，所述集化谐振地震超材料包括n×n个集化谐振器，n×n个集化谐振器排列形成正方形阵列；

7、集化谐振地震超材料包括n行集化谐振器，每行集化谐振器包括n个集化谐振器，且相邻两集化谐振器等间距设置。

8、相邻两集化谐振器之间的间距为5m。

9、所述集化谐振器为一阶谐振器，包括：

10、一阶混凝土平台；

11、数根钢制薄壁空心方管，一阶混凝土平台顶面的各侧边中部的内侧设有至少一根钢制薄壁空心方管，钢制薄壁空心方管的尺寸完全相同；

12、橡胶包裹层的顶部与一阶混凝土平台的顶面平齐，且橡胶包裹层贯穿一阶混凝土平台内的插孔。

13、所述一阶混凝土平台的长度和宽度为2-4m，高度为0.3m；

14、钢制薄壁空心方管的横截面呈正方形，外边长为0.25m，内边长为0.21m，壁厚为20mm；

15、钢制薄壁空心方管的高度为2.8-3.5m，其底部嵌入一阶混凝土平台的深度为0.25m；

16、橡胶包裹层嵌入一阶混凝土平台的深度为0.3m，橡胶包裹层的厚度为100-125mm。

17、所述由一阶集化谐振器组成的集化谐振地震超材料诱导出的集化模态频率范围为3.24-3.48hz。

18、所述集化谐振器为二阶集化谐振器，包括：

19、外阶混凝土平台，其底面与地面固定连接，顶部表面的中心固定有内阶混凝土平台；

20、数根外阶钢制薄壁空心方管，分别垂直固定设置在外阶混凝土平台顶部表面的各侧边中部的内侧，且位于内阶混凝土平台各侧面的外侧，外阶钢制薄壁空心方管的尺寸完全相同；

21、内阶混凝土平台，其底面与外阶混凝土平台顶面固定连接；

22、数根内阶钢制薄壁空心方管，分别垂直固定设置在内阶混凝土平台顶部表面的各侧边中部的内侧，内阶钢制薄壁空心方管的尺寸完全相同；

23、外阶钢制薄壁空心方管与外阶混凝土平台之间、内阶钢制薄壁空心方管与内阶混凝土平台之间均通过橡胶包裹层固定连接，橡胶包裹层的顶部分别与外阶混凝土平台、内阶混凝土平台的顶部表面平齐，且橡胶包裹层贯穿外阶混凝土平台、内阶混凝土平台内的插孔。

24、所述外阶混凝土平台的顶部表面的四个侧边中部的内侧分别设有插孔，每个插孔内设有两个外阶钢制薄壁空心方管，每个插孔内的两外阶钢制薄壁空心方管之间存在间隙。

25、所述外阶混凝平台的长度和宽度分别为2.8-4.5m，高度为0.3m；

26、外阶钢制薄壁空心方管的外边长为0.15m，内边长为0.11m，外阶钢制薄壁空心方管的高度为3.5m，其底部嵌入外阶混凝土平台的深度为0.25m；

27、同一插孔内的两根外阶钢制薄壁空心方管之间的间隙为0.3m，外阶钢制薄壁空心方管与相邻的内阶混凝土平台的侧面之间的距离为0.3m；

28、所述内阶混凝土平台的长度和宽度分别为1.8-2.1m，高度为0.3m；

29、内阶钢制薄壁空心方管的外边长为0.25m，内边长为0.21m，内阶钢制薄壁空心方管的高度为2.8m，其底部嵌入外阶混凝土平台的深度为0.25m；

30、橡胶包裹层的高度为0.3m。

31、所述由二阶集化谐振器组成的集化谐振地震超材料诱导出的集化模态频率范围为2.04-2.10hz和3.24-3.48hz。

32、本发明的有益效果是：

33、(1)本申请构造的集化谐振地震超材料的高度相对较低，且采用的钢制薄壁空心方管的内部中空，与现有的其他技术相比，本申请的建造成本更低；

34、(2)本申请的集化谐振地震超材料可以形成2-4hz左右的集化模态，处于超低频表面波范围，能够更有效地衰减地震表面波。

35、(3)本发明构造的集化谐振地震超材料结构简单，仅包括钢制薄壁方柱、普通混凝土平台和橡胶包裹层，并且也便于安装，易于大规模制造。

技术特征：

1.一种用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其特征在于，包括数个周期性排列的集化谐振器，集化谐振器包括：

2.根据权利要求1所述的用于衰减低频表面波的集化谐振地震超材料，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其特征在于，所述集化谐振器为一阶谐振器，包括：

5.根据权利要求4所述的用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其特征在于，

6.根据权利要求4所述的用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其特征在于，所述由一阶集化谐振器组成的集化谐振地震超材料诱导出的集化模态频率范围为3.24-3.48hz。

7.根据权利要求1所述的用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其特征在于，所述集化谐振器为二阶集化谐振器，包括：

8.根据权利要求7所述的用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其特征在于，

10.根据权利要求7所述的用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料，其特征在于，

技术总结
本发明涉及控制地震传播技术领域，特别是一种用于衰减低频弹性表面波的集化谐振地震超材料。包括数个周期性排列的集化谐振器，集化谐振器包括：混凝土平台，呈六面体状，其顶面和底面均为正方形，其底面与地面固定连接；数根钢制薄壁空心方管，分别垂直固定设置在混凝土平台顶部表面的各侧边中部的内侧，其底部设置在混凝土平台顶部表面的插孔内；橡胶包裹层，填充在插孔内，实现钢制薄壁空心方管和混凝土平台之间的固定连接。其尺寸小、成本低，有效实现了亚波长地震超材料对低频地震表面波的衰减。

技术研发人员：白涌滔,廖怡雯,李晓磊
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24