CN111206623A - 一种具有低频减震特性的菱型地震超材料 - Google Patents

一种具有低频减震特性的菱型地震超材料 Download PDF

Info

Publication number
CN111206623A
CN111206623A CN202010048323.3A CN202010048323A CN111206623A CN 111206623 A CN111206623 A CN 111206623A CN 202010048323 A CN202010048323 A CN 202010048323A CN 111206623 A CN111206623 A CN 111206623A
Authority
CN
China
Prior art keywords
seismic
rhombus
metamaterial
cube
low
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010048323.3A
Other languages
English (en)
Inventor
李丽霞
贾琪
解妙霞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Architecture and Technology
Original Assignee
Xian University of Architecture and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Architecture and Technology filed Critical Xian University of Architecture and Technology
Priority to CN202010048323.3A priority Critical patent/CN111206623A/zh
Publication of CN111206623A publication Critical patent/CN111206623A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D31/00—Protective arrangements for foundations or foundation structures; Ground foundation measures for protecting the soil or the subsoil water, e.g. preventing or counteracting oil pollution
    • E02D31/08—Protective arrangements for foundations or foundation structures; Ground foundation measures for protecting the soil or the subsoil water, e.g. preventing or counteracting oil pollution against transmission of vibrations or movements in the foundation soil
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D2200/00—Geometrical or physical properties
    • E02D2200/16—Shapes
    • E02D2200/165—Shapes polygonal
    • E02D2200/1657—Shapes polygonal made from single element
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D2300/00—Materials
    • E02D2300/0001—Rubbers
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D2300/00—Materials
    • E02D2300/0026—Metals
    • E02D2300/0029—Steel; Iron

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Paleontology (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Buildings Adapted To Withstand Abnormal External Influences (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有低频减震特性的菱型地震超材料，菱型地震超材料由若干地震超材料结构单胞通过向平行于板面的两个特定方向上延拓构成，菱型地震超材料中心设置的中心圆柱之间相互构成类似蜂窝状，菱型地震超材料布置于建筑物周围地表，利用带隙特性对0～20Hz的地震表面波进行有效衰减。本发明可用于建筑物周围地表布置地震超材料，利用其带隙特性，在地震中源场中，对地震波进行有效衰减，从而达到保护建筑物的作用。

Description

一种具有低频减震特性的菱型地震超材料
技术领域
本发明属于地震减震技术领域，具体涉及一种具有低频减震特性的菱型地震超材料。
背景技术
地震是地球介质运动引起的激烈事变，大地震在短时间内释放出大量的能量，在极震区里，10-20s就完成毁灭性的破坏，对人们的生命财产安全造成巨大威胁。我国的地震活动表现为震源浅、分布广、频度高、强度大，是一个震灾严重的国家。且在当前，科技水平还无法对地震的到来做出准确预测，因此，对于地震，提高建筑物抵御地震的能力显得尤为重要。
现有建筑物抗震中常见措施主要为减震消能、结构抗震及隔震等方法的使用；其中最为常用的是减震消能技术，减震消能技术主要为各种阻尼器的使用，阻尼器与主体结构常常结合在一起，将地震能量引向特别的装置进行消耗，以保护主体结构安全，但其同时由于常常与建筑物相结合，地震到达建筑物时，能量往往很巨大，减震效果具有局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有低频减震特性的菱型地震超材料，具有经济、易于布置以及优异的低频减震性能。
本发明采用以下技术方案：
一种具有低频减震特性的菱型地震超材料，菱型地震超材料由若干地震超材料结构单胞通过向平行于板面的两个特定方向上延拓构成，菱型地震超材料中心设置的中心圆柱之间相互构成类似蜂窝状，菱型地震超材料布置于建筑物周围地表，利用带隙特性对0～20Hz的地震表面波进行有效衰减。
具体的，地震超材料结构单胞包括立方体，中心圆柱设置在立方体内，中心圆柱的侧面包覆包覆层形成复合材料圆柱，复合材料圆柱的上下基面均分别平齐于立方体的上表面和下表面。
进一步的，立方体的截面为中心有通孔的菱形结构，复合材料圆柱与立方体的通孔同轴心分布。
更进一步的，包覆层的内壁与外壁分别连接中心圆柱的外壁与立方体的通孔内壁。
进一步的，包覆层的横向截面为圆环，圆环的外径与立方体的通孔内壁孔径相同，圆环的内径与中心圆柱的外径相同。
进一步的，立方体的纵向高度、包覆层的高度及中心圆柱的高度均相等。
进一步的，中心圆柱、包覆层和立方体采用不同材料制备而成。
更进一步的，中心圆柱采用钢制成，密度ρ3＝7780kg/m3、剪切模量E3＝2.1×1011Pa、泊松比μ3＝0.3；包覆层采用硅橡胶制成，密度ρ2＝1300kg/m3、剪切模量E2＝1.175×105Pa、泊松比μ2＝0.469；立方体采用水泥制成，密度ρ1＝2300kg/m3、剪切模量E1＝4×1010Pa、泊松比μ1＝0.2。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种具有低频减震特性的菱型地震超材料，在尺寸相同的情况下，减震性能更好，并可产生低频带隙特性。相对于传统减震措施，具有易于加工制造以及降低成本优势。
进一步的，地震超材料结构单胞三部分结构可有效构成弹簧-质量模型，其中钢柱等效为质量体，橡胶块等效为弹簧；所述地震超材料单胞由于其共振单元的存在，在地震波作用下，会使地震超材料呈现等效负模量的特性，实现对地震波的有效衰减。
进一步的，立方体设置的目的在于通过提高地震超材料在地震中整体的稳定性，进而提高其地震超材料整体的使用寿命；且立方体设置使地震超材料结构更易加工与布置，有较好的经济性。
进一步的，包覆层结构在地震超材料所构成弹簧-质量等效模型中，充当弹簧；且其包覆层结构壁厚参数的设置可有效调节其带隙，以适应不同固有频率的被保护建筑物。
进一步的，立方体的纵向高度、包覆层的高度及中心圆柱高度设置在于一定高度的地震超材料单胞具有使地震波发生频散的作用，通过地震超材料单胞的周期性布置，可产生带隙，频率落到带隙内的地震波在穿过地震超材料时发生衰减。
进一步的，中心圆柱、包覆层和立方体采用不同材料制备，其目的在于地震超材料单胞中，三种材料的质量密度和弹性常数的周期性调制会更易产生带隙，使地震超材料单胞在较小尺寸下仍可获得低频带隙。
综上所述，本发明可用于建筑物周围地表布置地震超材料，利用其带隙特性，在地震中源场中，对地震波进行有效衰减，从而达到保护建筑物的作用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例中地震超材料布置在建筑物周围的示意图；
图2为本发明实施例中地震超材料单胞结构图；
图3为本发明实施例中地震超材料单胞的俯视图；
图4为本发明实施例中地震超材料结构图；
图5为本发明实施例中地震超材料针对地震波解耦后表面波的能带图；
图6本发明实施例中地震超材料针对地震波解耦后表面波的透射谱。
其中：1.中心圆柱；2.包覆层；3.立方体。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明提供了一种具有低频减震特性的菱型地震超材料，将地震超材料埋入距离建筑物一定距离的地表下，组成地震超材料保护圆环，对建筑物进行有效保护。
请参阅图2，本发明一种具有低频减震特性的菱型地震超材料，包括中心圆柱1、包覆层2和立方体3，立方体3的截面为中心有孔的菱形，孔为通孔结构，中心圆柱1的侧面包覆一定厚度的包覆层2，两者形成复合材料圆柱，复合材料圆柱与立方体3的通孔同轴心分布，复合材料圆柱的上下基面均分别平齐于立方体3的上下表面。
中心圆柱1、包覆层2和立方体3均采用不同材料。
包覆层2的内壁与外壁分别连接中心圆柱1的外壁与立方体3的通孔内壁。
包覆层2的横向截面为圆环，圆环外径与立方体3的通孔内壁孔径相同，圆环内径与中心圆柱2的外径相同；立方体3的纵向高度、包覆层2的高度及中心圆柱1高度均相等。
中心圆柱1的截面为圆形。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中，由于结构的特殊性，地震超材料可对地震波产生解耦作用，使地震波发生相应散射，从而实现对地震波的有效衰减；同时通过改变地震超材料中，立方体3、包覆层2及中心圆柱1的各尺寸参数可实现对地震波衰减带隙的调控。本发明实施例中的地震超材料能大幅度降低地震波能量，为地震波中源场减震提出了新的思路与方法。
请参阅图3，中心圆柱1的圆柱半径为0.35m，纵向高度为10m；包覆层2的截面圆环内径为0.35m，外径为0.45m，厚度为0.1m；立方体3的截面为有孔菱形，其边长为1.5m，两边之间夹角分别为60°和120°，中心孔为通孔，半径为0.45m，纵向高度为10m。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，其各结构参数的改变，均可使其带隙发生相应变化，使其可针对不同固有频率建筑物实施地震保护。
请参阅图4，地震超材料结构是由地震超材料结构单胞通过向平行于板面的两个特定方向上延拓得到的，中心圆柱1之间相互构成类似蜂窝状。
请参阅图5，本发明立方体3、包覆层2和中心圆柱1分别采用水泥、硅橡胶和钢材料制成。
具体材料参数为：
水泥：密度ρ1＝2300kg/m3、剪切模量E1＝4×1010Pa、泊松比μ1＝0.2；
硅橡胶：密度ρ2＝1300kg/m3、剪切模量E2＝1.175×105Pa、泊松比μ2＝0.469；
钢：密度ρ3＝7780kg/m3、剪切模量E3＝2.1×1011Pa、泊松比μ3＝0.3。
结构在0～30Hz区间内存在带隙，其中第一带隙为5.5～7.1Hz，第二带隙为7.3～11.7Hz，第三带隙为14.5～19.5Hz。
请参阅图6，是由地震超材料单胞二维延拓所构成的周期结构所得出的传输谱。可以看到频率域内出现振动衰减低于0dB的区域，可对应能带结构中的低频带隙。需要注意的是，在传输特性的模拟过程中，采取了ΓX方向上的激励方式，从图5中可以看出传输谱与能带结构中的完全带隙是相互对应的。
因此，本发明一种具有低频减震特性的菱型地震超材料，在地震表面波集中的0～20Hz范围内，存在良好的减震特性，可对地震波能量进行有效控制。
综上所述，本发明一种具有低频减震特性的菱型地震超材料在尺寸相同的情况下，减震性能更好，并可产生低频带隙特性。相对于传统减震措施，具有易于加工制造以及降低成本优势。本发明可用于建筑物周围地表布置地震超材料，利用其带隙特性，在地震中源场中，对地震波进行有效衰减，从而达到保护建筑物的作用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有低频减震特性的菱型地震超材料，其特征在于，菱型地震超材料由若干地震超材料结构单胞通过向平行于板面的两个特定方向上延拓构成，菱型地震超材料中心设置的中心圆柱(1)之间相互构成类似蜂窝状，菱型地震超材料布置于建筑物周围地表，利用带隙特性对0～20Hz的地震表面波进行有效衰减。
2.根据权利要求1所述的具有低频减震特性的菱型地震超材料，其特征在于，地震超材料结构单胞包括立方体(3)，中心圆柱(1)设置在立方体(3)内，中心圆柱(1)的侧面包覆包覆层(2)形成复合材料圆柱，复合材料圆柱的上下基面均分别平齐于立方体(3)的上表面和下表面。
3.根据权利要求2所述的具有低频减震特性的菱型地震超材料，其特征在于，立方体(3)的截面为中心有通孔的菱形结构，复合材料圆柱与立方体(3)的通孔同轴心分布。
4.根据权利要求3所述的具有低频减震特性的菱型地震超材料，其特征在于，包覆层(2)的内壁与外壁分别连接中心圆柱(1)的外壁与立方体(3)的通孔内壁。
5.根据权利要求2所述的具有低频减震特性的菱型地震超材料，其特征在于，包覆层(2)的横向截面为圆环，圆环的外径与立方体(3)的通孔内壁孔径相同，圆环的内径与中心圆柱(2)的外径相同。
6.根据权利要求2所述的具有低频减震特性的菱型地震超材料，其特征在于，立方体(3)的纵向高度、包覆层(2)的高度及中心圆柱(1)的高度均相等。
7.根据权利要求2所述的具有低频减震特性的菱型地震超材料，其特征在于，中心圆柱(1)、包覆层(2)和立方体(3)采用不同材料制备而成。
8.根据权利要求7所述的具有低频减震特性的菱型地震超材料，其特征在于，中心圆柱(1)采用钢制成，密度ρ3＝7780kg/m3、剪切模量E3＝2.1×1011Pa、泊松比μ3＝0.3；包覆层(2)采用硅橡胶制成，密度ρ2＝1300kg/m3、剪切模量E2＝1.175×105Pa、泊松比μ2＝0.469；立方体(3)采用水泥制成，密度ρ1＝2300kg/m3、剪切模量E1＝4×1010Pa、泊松比μ1＝0.2。
CN202010048323.3A 2020-01-16 2020-01-16 一种具有低频减震特性的菱型地震超材料 Pending CN111206623A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010048323.3A CN111206623A (zh) 2020-01-16 2020-01-16 一种具有低频减震特性的菱型地震超材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010048323.3A CN111206623A (zh) 2020-01-16 2020-01-16 一种具有低频减震特性的菱型地震超材料

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111206623A true CN111206623A (zh) 2020-05-29

Family

ID=70787280

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010048323.3A Pending CN111206623A (zh) 2020-01-16 2020-01-16 一种具有低频减震特性的菱型地震超材料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111206623A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112554242A (zh) * 2020-12-06 2021-03-26 北京工业大学 一种低频带隙五孔地震超颖结构
CN112554168A (zh) * 2020-12-06 2021-03-26 北京工业大学 一种低频减震方形九孔桩地震超颖结构
CN112554169A (zh) * 2020-12-06 2021-03-26 北京工业大学 一种方形桩地震表面波超颖结构
CN112609726A (zh) * 2020-12-15 2021-04-06 中南大学 一种超低频隔振多层填充桩基
CN112663683A (zh) * 2020-12-19 2021-04-16 北京工业大学 一种宽带隙多级地震超颖结构
CN114108860A (zh) * 2021-11-26 2022-03-01 哈尔滨工程大学 一种具有声子晶体低频滤波特性的减震单胞及其制备方法
CN114635515A (zh) * 2022-04-06 2022-06-17 南京工业大学 一种具有超低频减震特性的地震超材料

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11124864A (ja) * 1997-10-23 1999-05-11 Ohbayashi Corp 杭の免震構造
US9139972B2 (en) * 2012-12-17 2015-09-22 University Of Houston Periodic material-based seismic isolation system
CN110080312A (zh) * 2019-03-19 2019-08-02 中国地质大学（武汉） 一种地震超材料

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11124864A (ja) * 1997-10-23 1999-05-11 Ohbayashi Corp 杭の免震構造
US9139972B2 (en) * 2012-12-17 2015-09-22 University Of Houston Periodic material-based seismic isolation system
CN110080312A (zh) * 2019-03-19 2019-08-02 中国地质大学（武汉） 一种地震超材料

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MARCO MINIACI,ET AL: "Large scale mechanical metamaterials as seismic shields", 《NEW JOURNAL OF PHYSICS》 *
石南南等: "地震超材料的应用与研究进展", 《功能材料》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112554242A (zh) * 2020-12-06 2021-03-26 北京工业大学 一种低频带隙五孔地震超颖结构
CN112554168A (zh) * 2020-12-06 2021-03-26 北京工业大学 一种低频减震方形九孔桩地震超颖结构
CN112554169A (zh) * 2020-12-06 2021-03-26 北京工业大学 一种方形桩地震表面波超颖结构
CN112554168B (zh) * 2020-12-06 2022-07-15 北京工业大学 一种低频减震方形九孔桩地震超颖结构
CN112609726A (zh) * 2020-12-15 2021-04-06 中南大学 一种超低频隔振多层填充桩基
CN112663683A (zh) * 2020-12-19 2021-04-16 北京工业大学 一种宽带隙多级地震超颖结构
CN114108860A (zh) * 2021-11-26 2022-03-01 哈尔滨工程大学 一种具有声子晶体低频滤波特性的减震单胞及其制备方法
CN114635515A (zh) * 2022-04-06 2022-06-17 南京工业大学 一种具有超低频减震特性的地震超材料

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111206623A (zh) 一种具有低频减震特性的菱型地震超材料
CN108133700A (zh) 一种声学黑洞减振降噪装置
US20200048858A1 (en) Seismic Defence Structures
CN108729367B (zh) 一种基于声子晶体的复合型声屏障结构
CN106558302B (zh) 一种声源设备降噪方法
CN114108860B (zh) 一种具有声子晶体低频滤波特性的减震单胞及其制备方法
CN112663682B (zh) 一种具有十字形空腔的方形地震超颖结构
CN113684866A (zh) 一种含有贫铀的低频宽带隙地震超颖板结构
CN205529956U (zh) 一种宽频带吸声单元板
CN113389292A (zh) 一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构及制作方法
CN113389293A (zh) 一种逆梯度十字型钢式波屏障结构及制作方法
CN112343096A (zh) 一种具有低频表面波带隙的地表隔震带及其实施方法
CN111364526A (zh) 一种具有低频减震特性三维面心立方地震超材料
CN208311359U (zh) 一种周期复合结构点阵结构
KR101804694B1 (ko) 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 구조체
CN211898582U (zh) 一种具有低频减震特性三维面心立方地震超材料
CN112663685A (zh) 一种低频减震地震超颖板结构
CN215857887U (zh) 一种半埋入式地震超材料屏障结构
CN112009619B (zh) 调谐颗粒阻尼型浮筏
CN113389294A (zh) 一种低频减震十字分形波屏障结构及制作方法
CN212453948U (zh) 一种施工场地隔声装置
CN106626946A (zh) 人造景观瀑布的消声坡面结构
CN114635515B (zh) 一种具有超低频减震特性的地震超材料
CN112663684A (zh) 一种低频减震九子圆桩地震超颖结构
CN218176217U (zh) 一种井字组合型钢地震超材料结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200529