一种适用于分层土壤的组合型地震超材料

本发明涉及一种地震材料，特别涉及一种适用于分层土壤的组合型地震超材料。

背景技术：

1、据国内统计资料显示，1998年以来我国因地震灾害造成的直接经济损失约一万亿元，约占自然灾害总损失的15％；死亡人数约九万，约占自然灾害总死亡人数的66％。其中结构抗震减震效果不佳是造成经济损失和人员伤亡的主要原因之一。需要指出的是，我国大型水利和岩土工程项目大都处于地震多发的西部地区，且随着我国十四五规划的政策导向，将有越来越多的高层建筑及重大工程项目被建在地震频发的西部地区。因此，我们亟需进一步提升工程结构的隔振抗震性能。目前主流的结构抗震减灾设计是在目标结构物与其地基之间设置阻尼器以达到减震抗震的效果，该技术虽然切实有效，但不太适用于已建成的重大工程结构，且存在对竖向的地震能量衰减能力很弱以及水平位移过大不利于震后目标结构功能恢复等问题。

2、近年来，人们研究了一种新的抗震设计，利用地震超材料(seismicmetamaterials,sm)主动预防潜在的地震波破坏。地震超材料是由不同弹性模量和质量密度的材料构成的周期性人工复合结构，具有传统单一材料所不具备的力学特性。实际上，woods在20世纪60年代就实现了均匀分布钻孔隔离震源的现场试验。banerjee等在相同钻孔布置的情况下，采用边界元法对多层三维土壤介质中这种波屏障进行数值研究。受这些早期研究成果的启发，guenneau等提出了沟槽排列的超材料设计，构建了一种简单的地震超材料。2012年，brule等进行了全尺寸实验，证明了其实际可行性。kim和das利用声学超材料中亥姆霍兹谐振器的思想，设计了由一个圆柱体和六个侧孔组成的圆柱体单胞。然后，他们提出了一种新的地震超材料，用该单胞结构代替钻孔，通过将地震能量转化为热量和次声来降低地震波振幅。huang利用树木作为超材料，通过模拟和实验证明，周期树排列可以产生约40hz的带隙。muhammad和lim则开始研究树枝结构对地震面波的衰减作用。du设计了h分形结构的周期屏障，能产生6.8hz-13.0hz的带隙，屏障高度为12.5m。同样，liu设计了一种截面为矩形、板高为6m的一维周期板。最近，为了实现更宽的低频带隙，一些研究者使用了组合多谐振器单元的单胞结构或梯度谐振器。

3、然而，上述模型假设结构周围的介质是均匀各向同性的。为了准确描述目标结构周围介质的地震波特征，需要考虑土体的层状特性。到目前为止，有关多层土中地震超材料的研究还很少。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种有效控制瑞利波的地震超材料，考虑土壤的分层特性，提供了一种适用于分层土壤的组合型地震超材料。

2、技术方案：本发明的适用于分层土壤的组合型地震超材料，包括按照正方晶格周期排列的多个单胞，所述单胞包括圆柱形混凝土立柱1和包裹在混凝土下半段外围的环状五层复合材料；所述环状五层复合材料与混凝土立柱1底部平齐，高度与混凝土立柱嵌入地下部分高度相同；所述环状五层复合材料由外到内为钢2，橡胶3，聚苯乙烯4，橡胶3，聚苯乙烯4；混凝土立柱1上半段在地面，下半段嵌入第一土壤层5，在第一土壤层5下面依次为第二土壤层6和第三土壤层7。

3、优选的，所述混凝土立柱的半径为0.3～0.5m。

4、优选的，所述混凝土立柱的地上部分与嵌入地下部分高度比为1.5～2：1。

5、优选的，所述混凝土立柱的地上部分高度为1～2m，嵌入地下部分深度为0.5～1.5m。

6、优选的，所述五层复合材料的厚度均为0.1～0.15m。可以通过调整环状五层复合材料的厚度，从而得到不同地震波段带隙以适应不同固有频率的被保护建筑物。

7、优选的，所述混凝土立柱1的材料参数为：弹性模量ec＝4000mpa，泊松比υc＝0.25和材料密度ρc＝2500kg/m3。

8、

9、优选的，所述钢2的材料参数为：弹性模量es＝20000mpa，泊松比υs＝0.3和材料密度ρs＝7850kg/m3。

10、优选的，所述橡胶3的材料参数为：弹性模量er＝0.12mpa，泊松比υr＝0.47和材料密度ρr＝1300kg/m3。

11、优选的，所述聚苯乙烯4的材料参数为：弹性模量ep＝0.134mpa，泊松比υp＝0.13和材料密度ρp＝12kg/m3。

12、所述第一层土壤5的材料参数为：弹性模量ec＝15mpa，泊松比υc＝0.3和材料密度ρc＝1500kg/m3；第二层土壤6和第三层土壤7材料参数均为：弹性模量ec＝20mpa，泊松比υc＝0.3和材料密度ρc＝2000kg/m3，其中第三层土壤为完美匹配层。

13、发明机理：本发明设计一种有效控制瑞利波的地震超材料，考虑土壤的分层特性，提供了一种适用于分层土壤的组合型地震超材料。相较于传统立于地表或者埋入地下的地震超材料，提出的组合型地震超材料的结构分为两部分：部分嵌入地下的混凝士立柱，包裹地下部分混凝士立柱的五层复合材料结构。组合型地震超材料结合了地表和地下的材料特性，可以在多个层次上提供阻尼和隔离效果。地震波在穿过地表和地下时会受到不同材料的影响，通过合理设计组合型地震超材料可以更有效地减弱地震波的传播和振动。

14、根据局域共振的机理，改变地下结构环状物的材料分布，可以产生不同的谐振频率，从而得到更加低频的带隙，采用多材料复合的环状结构组成类振子系统，充分利用了多材料复合的环状结构的吸能和减振特性，基于共振结构产生带隙特性，使带隙内的地震波都无法透过该屏障，相较于传统组合型地震超材料表现出更为优异的减震效果。

15、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)该组合型地震超材料，由部分嵌入地下的混凝士立柱，包裹地下部分混凝士立柱的五层复合材料(钢-橡胶-聚苯乙烯-橡胶-聚苯乙烯)组成，在两层土壤中，可以在20hz以下的频率范围内提供更宽的低频带隙；(2)该组合型地震超材料采用多材料复合的环状结构组成类振子系统，充分利用了多材料复合的环状结构的吸能和减振特性，相较于传统组合型地震超材料表现出更为优异的减震效果。

技术特征：

1.一种适用于分层土壤的组合型地震超材料，其特征在于，包括按照正方晶格周期排列的多个单胞，所述单胞包括圆柱形混凝土立柱(1)和包裹在混凝土下半段外围的环状五层复合材料；所述环状五层复合材料与混凝土立柱(1)底部平齐，高度与混凝土立柱嵌入地下部分高度相同；所述环状五层复合材料由外到内为钢(2)，橡胶(3)，聚苯乙烯(4)，橡胶(3)，聚苯乙烯(4)；混凝土立柱(1)上半段在地面，下半段嵌入第一土壤层(5)，在第一土壤层(5)下面依次为第二土壤层(6)和第三土壤层(7)。

2.根据权利要求1所述的适用于分层土壤的组合型地震超材料，其特征在于，所述混凝土立柱的半径为0.3～0.5m。

3.根据权利要求1所述的适用于分层土壤的组合型地震超材料，其特征在于，所述混凝土立柱的地上部分与嵌入地下部分高度比为1.5～2：1。

4.根据权利要求3所述的适用于分层土壤的组合型地震超材料，其特征在于，所述混凝土立柱的地上部分高度为1～2m，嵌入地下部分深度为0.5～1.5m。

5.根据权利要求1所述的适用于分层土壤的组合型地震超材料，其特征在于，所述五层复合材料的厚度均为0.1～0.15m。

6.根据权利要求1所述的适用于分层土壤的组合型地震超材料，所述混凝土立柱(1)的材料参数为：弹性模量ec＝4000mpa，泊松比υc＝0.25和材料密度ρc＝2500kg/m3。

7.根据权利要求1所述的适用于分层土壤的组合型地震超材料，所述钢(2)的材料参数为：弹性模量es＝20000mpa，泊松比υs＝0.3和材料密度ρs＝7850kg/m3。

8.根据权利要求1所述的适用于分层土壤的组合型地震超材料，所述橡胶(3)的材料参数为：弹性模量er＝0.12mpa，泊松比υr＝0.47和材料密度ρr＝1300kg/m3。

9.根据权利要求1所述的适用于分层土壤的组合型地震超材料，所述聚苯乙烯(4)的材料参数为：弹性模量ep＝0.134mpa，泊松比υp＝0.13和材料密度ρp＝12kg/m3。

10.根据权利要求1所述的适用于分层土壤的组合型地震超材料，所述第一层土壤(5)的材料参数为：弹性模量ec＝15mpa，泊松比υc＝0.3和材料密度ρc＝1500kg/m3；第二层土壤(6)和第三层土壤(7)的材料参数均为：弹性模量ec＝20mpa，泊松比υc＝0.3和材料密度ρc＝2000kg/m3，其中第三层土壤为完美匹配层。

技术总结
本发明公开了一种适用于分层土壤的组合型地震超材料，包括按照正方晶格周期排列的多个单胞，所述单胞包括圆柱形混凝土立柱和包裹在混凝土下半段外围的环状五层复合材料；所述环状五层复合材料与混凝土立柱底部平齐，高度与混凝土立柱嵌入地下部分高度相同；所述环状五层复合材料由外到内为钢，橡胶，聚苯乙烯，橡胶，聚苯乙烯；混凝土立柱上半段在地面，下半段嵌入第一土壤层，在第一土壤层下面依次为第二土壤层和第三土壤层。本发明的组合型地震超材料，采用多材料复合的环状结构组成类振子系统，充分利用了多材料复合的环状结构的吸能和减振特性，并且部分在地表，部分嵌入地下，在20Hz以下的频率范围内提供更宽的低频带隙。

技术研发人员：傅卓佳,杨敏,丁宇,李明娟
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/25