CN109778918A

CN109778918A - 一种部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构及其制作方法

Info

Publication number: CN109778918A
Application number: CN201811517908.4A
Authority: CN
Inventors: 于桂兰; 秦凯强; 刘泽
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-05-21
Anticipated expiration: 2038-12-12
Also published as: CN109778918B

Abstract

本发明为一种部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构及其制作方法，属于工程减隔震领域，解决了现有周期性波屏障结构带隙覆盖频率较窄以及不能有效隔绝低频地震表面波的问题。该结构包括散射体和基体，以土体作为基体，散射体按照一定规律分布在基体中。散射体的形式可以是板或柱，板或柱的截面形式沿高度方向可以是等截面、变截面或连续变截面，散射体材料可以是混凝土、铝材以及钢材等常用工程材料。散射体以等间距埋入基体中，埋入深度呈分段梯度分布。该波屏障对低频Rayleigh表面波有较好的隔震性能，且有很宽的频率衰减域。通过调节结构构型和几何参数、梯度分段的数目和各段梯度线性变化的斜率，可以调整衰减域的宽度和位置，满足不同隔震性能的要求。

Description

一种部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构及其制作方法

技术领域

本发明属于工程减隔震，涉及了物理、力学和地震工程学等领域，具体涉及一种部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构及其制作方法。

背景技术

近年来基于声子晶体理论的表面波屏障设计开始受到人们越来越多的关注。声子晶体是指材料及几何形状在空间呈周期排列的一种复合结构。声子晶体具有带隙特性，即当弹性波在声子晶体中传播时，某些频率范围内的波不能通过，称之为带隙(或禁带)；某些频率范围内的波可以通过，称之为通带。通过合理设计周期结构的材料参数和几何参数，会使带隙频率范围内的弹性波大大衰减，使振动传播得到有效控制，从而有利于营造一个无振环境，为结构的减振降噪控制赋予新的活力。因此，声子晶体已成为材料学、物理学、声学、力学及其它相关学科十分活跃的研究领域之一。

地震Rayleigh波振幅大，传播距离远，频率较低，一般在20Hz以下，对结构的危害很大。如何采用新技术来有效降低震害，是科研工作者的迫切任务。周期性波屏障作为一种比较有效的隔震措施，通过人为设计和结构参数调整，使带隙频率覆盖地震动主频范围，有望达到较好的隔震效果。然而，根据声子晶体的弹性波带隙形成机理，声子晶体可以分为Bragg散射型和局域共振型两种声子晶体。前者带隙频率所对应的波长与晶格常数处于同一数量级，要获得低频带隙不得不增大晶格常数，从而使结构尺寸过大；而后者带隙频率所对应的波长虽然远大于晶格常数，且已有实验证明可用较小尺寸获得低频带隙；但是，由于Fano现象的影响，带隙内弹性波的有效衰减比较小，所形成的带隙过窄，仍无法获得低频宽带的隔震效果。因此，必须寻找一种有效手段，在减小结构尺寸的同时有效降低衰减域中心频率及增加衰减域宽度，而这也是目前研究的难点之一。为解决现有技术存在的上述不足，本发明提出了一种部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构及其制作方法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是针对低频地震波导致周期结构尺寸较大的问题，克服现有结构难以同时满足小尺寸和低频、宽衰减域要求的不足，提供一种基于声子晶体理论的部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构及其制作方法。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构，包括：散射体和基体，其中以土体作为基体，散射体在基体中以等间距、部分埋入的形式呈变梯度分布；散射体在基体中以等间距、部分埋入的形式呈变梯度分布分为两大类：第一类为沿波传播方向散射体埋入土体深度越来越小，散射体以不同斜率分m段呈线性梯度变化，其中m>1；其中第1段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k₁；第i段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k_i；以此类推，第m段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k_m；且有k₁>k₂>…k_i>…>k_m；第二类为沿波传播方向散射体埋入土体深度越来越大，散射体以不同斜率分m段呈线性梯度变化，其中m>1，其中第1段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k₁；第i段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k_i；以此类推，第m段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k_m，且有k₁<k₂<…k_i<…<k_m。

在上述方案的基础上，所述散射体的结构可以分为两大类：板结构和柱结构；

所述板结构是指一定长度的板在弹性波传播方向呈变梯度分布，板结构沿高度方向的截面可以是等截面、变截面或连续变截面；所述柱结构是指柱体在弹性波传播方向呈变梯度分布，在与弹性波传播垂直方向呈周期分布；可形成柱结构矩形波屏障和柱结构环形波屏障；柱结构的横截面形式可以是圆形、矩形或其它形状，柱结构沿高度方向的截面可以是等截面、变截面或连续变截面。

在上述方案的基础上，改变分段数m、各段散射体线性梯度变化斜率绝对值k_i、散射体之间的间距、散射体的尺寸、散射体的形状、散射体的材料可以调节衰减域频率范围以适应不同的隔震要求。

在上述方案的基础上，散射体的材料可以是混凝土、铝材、钢材等常用工程材料。

一种部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：选择合适的材料，基体材料为天然土体或改良后土体，散射体的密度要比基体的密度大一个数量级以上；

步骤2：选择合适的形式，包括：散射体的结构形式和变梯度分布形式；

步骤3：选择合适的尺寸，包括：散射体的高度、散射体变梯度分布尺寸、散射体变梯度分布的段数、各段线性变化的斜率、散射体非梯度分布尺寸以及散射体之间的间距，散射体每段梯度分布尺寸一般为散射体之间间距的十倍以上，散射体非梯度分布尺寸与需要隔震的目标建筑物有关，至少要大于目标建筑物同方向的尺寸；

步骤4：选择合适的施工方法，施工方法包括：现场施工制作方法和预制后安装方法，当散射体的材料为混凝土时，采用现场浇筑施工制作方法，当散射体的材料为其余材料时，采用预制后安装制作方法；

步骤5：对需要波屏障的场地进行整平、改良等处理，在基体中挖出与散射体埋入部分相同的尺寸，将预制好的散射体埋入基体中。

在上述方案的基础上，所述散射体非梯度分布尺寸包括板的长度和柱在非梯度方向分布的个数。

在上述方案的基础上，所述散射体变梯度分布尺寸包括板和柱的埋入深度。

本发明与现有技术相比，本发明的有益效果是：在不依靠增大结构尺寸的情况下，达到同时满足小尺寸和低频、宽衰减域的隔震要求。

附图说明

本发明有如下附图：

图1是散射体为等截面的变梯度Rayleigh波屏障侧视图；

图2是散射体为变截面的变梯度Rayleigh波屏障侧视图；

图3是板式散射体模型图，其中(a)等截面，(b)变截面，(c)连续变截面；

图4是圆柱式散射体模型图，其中(a)等截面，(b)变截面，(c)连续变截面；

图5是矩形柱式散射体模型图，其中(a)等截面，(b)变截面，(c)连续变截面；

图6是实施例的频率响应图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1-2所示出的是一种部分埋入2段变梯度Rayleigh波屏障结构，图1-2中只示出埋入深度从左至右依次减小的情况，埋入深度从左至右依次增大的情况与之有相似的隔震效果，本说明书不再给出附图。

图1是等截面散射体，图2是变截面散射体。散射体以等间距、部分埋入的形式变梯度分布在基体中。通过改变散射体的高度、散射体变梯度分布的段数、各段线性变化的斜率、散射体的间距、尺寸、形状、材料可以调节衰减域频率范围以适应不同的隔震要求。其中散射体为常用工程材料，基体为实际土体或经过处理改良后的土体。

如图3、图4、图5所示出的分别为不同截面形式的板式散射体、圆柱式散射体、矩形柱式散射体；截面形式有等截面、变截面、连续变截面，其中变截面和连续变截面散射体可以由不同材料组成。

下面结合附图对本发明的制作方法进行详细的描述，包括以下步骤：

步骤1：选择合适的材料；基体材料为天然土体或改良后土体，散射体的密度对衰减域影响较大，散射体的弹性模量对衰减域影响很小，散射体的密度要比基体的密度大一个数量级以上，总体上散射体的密度越大，其衰减域的频率范围就越靠近低频。

步骤2：选择合适的形式；包括散射体的结构形式和变梯度分布形式。

步骤3：选择合适的尺寸；包括散射体的高度、散射体变梯度分布尺寸、散射体变梯度分布的段数、各段线性变化的斜率、散射体非梯度分布尺寸以及散射体之间的间距。散射体各段梯度分布尺寸与散射体之间间距的取值具有相关性，一般为散射体之间间距的十倍以上；散射体非梯度分布尺寸与需要隔震的目标建筑物有关，至少要大于目标建筑物同方向的尺寸。总体上散射体高度越大，其基频越低、其有效隔震频率也就越低。

步骤4：选择合适的施工方法；施工方法可以是现场施工制作方法和预制后安装方法，当散射体的材料为混凝土时，可以采取现场浇筑制作方法，当散射体的材料为其余材料时，采用预制后安装制作方法。

步骤5：对需要放置波屏障的场地进行整平、改良等处理，将预制好的散射体埋入基体中。

在上述方案的基础上，所述散射体非梯度分布尺寸包括板的长度和柱在非梯度方向的分布个数。

下面结合具体实例对本发明做进一步的阐述：

本实施例针对破坏性最大的1Hz-20Hz地震表面波进行部分埋入变梯度Rayleigh波屏障的设计。散射体采用等截面板结构，材料选取混凝土，散射体排列形式选用图1所示的2段变梯度分布形式，具体参数为：散射体(混凝土)密度ρ＝2500kg/m³，弹性模量E＝3×1010N/m²，泊松比ν＝0.2；基体(土)密度ρ＝1800kg/m³，弹性模量E＝3×10⁷N/m²，泊松比ν＝0.3；散射体板高h＝6m，板厚t＝0.8m，间隔a＝2m，n₁＝30，n2＝50，k₁＝tanα₁＝3/40，k₂＝tanα₂＝3/200。由于非梯度方向板长相对很大，本实施例可以将三维问题简化为平面问题计算。在A点(见图1)施加单位位移幅值的激励，波屏障频率响应曲线计算结果如图6所示。其中横坐标为频率，纵坐标为频率响应FR＝10log(u_o/u_i)，其中u_o，u_i分别代表有屏障和无屏障两种情况下拾取点B处(见图1)的位移幅值。可以发现本发明所设计的部分埋入变梯度Rayleigh波屏障对1Hz至20Hz地震表面波有很好的衰减效果。

由上述分析可以看出，根据本发明所设计的部分埋入变梯度Rayleigh表面波屏障结构，通过引入变梯度，能够使尺寸较小的波屏障结构在低频段(20Hz以下)产生超宽的Rayleigh表面波衰减域，且衰减域的中心频率和宽度较易调节。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构，其特征在于，包括：散射体和基体，其中以土体作为基体，散射体在基体中以等间距、部分埋入的形式呈变梯度分布；散射体在基体中以等间距、部分埋入的形式呈变梯度分布分为两大类：第一类为沿波传播方向散射体埋入土体深度越来越小，散射体以不同斜率分m段呈线性梯度变化，其中m>1；其中第1段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k₁；第i段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k_i；以此类推，第m段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k_m；且有k₁>k₂>…k_i>…>k_m；第二类为沿波传播方向散射体埋入土体深度越来越大，散射体以不同斜率分m段呈线性梯度变化，其中m>1，其中第1段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k₁；第i段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k_i；以此类推，第m段散射体线性梯度变化斜率绝对值为k_m，且有k₁<k₂<…k_i<…<k_m。

2.如权利要求1所述的部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构，其特征在于，所述散射体的结构分为两大类：板结构和柱结构；

所述板结构是指一定长度的板在弹性波传播方向呈变梯度分布，板结构沿高度方向的截面是等截面、变截面或连续变截面；所述柱结构是指柱体在弹性波传播方向呈变梯度分布，在与弹性波传播垂直方向呈周期分布；形成柱结构矩形波屏障和柱结构环形波屏障；柱结构的横截面形式是圆形、矩形或其它形状，柱结构沿高度方向的截面是等截面、变截面或连续变截面。

3.如权利要求1所述的部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构，其特征在于，改变分段数m、各段散射体线性梯度变化斜率绝对值k_i、散射体之间的间距、散射体的尺寸、散射体的形状、散射体的材料，可调节衰减域频率范围以适应不同的隔震要求。

4.如权利要求1所述的部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构，其特征在于，散射体的材料是混凝土、铝材、钢材。

5.一种如权利要求1-4任一权利要求所述的部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3：选择合适的尺寸，包括：散射体的高度、散射体变梯度分布尺寸、散射体变梯度分布的段数、各段线性变化的斜率、散射体非梯度分布尺寸以及散射体之间的间距，散射体每段梯度分布尺寸为散射体之间间距的十倍以上，散射体非梯度分布尺寸与需要隔震的目标建筑物有关，至少要大于目标建筑物同方向的尺寸；

步骤5：对需要波屏障的场地进行整平、改良处理，在基体中挖出与散射体埋入部分相同的尺寸，将预制好的散射体埋入基体中。

6.如权利要求5所述的部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构的制作方法，其特征在于，所述散射体非梯度分布尺寸包括板的长度和柱在非梯度方向分布的个数。

7.如权利要求5所述的部分埋入变梯度Rayleigh波屏障结构的制作方法，其特征在于，所述散射体变梯度分布尺寸包括板和柱的埋入深度。