CN112554241B - 一种低频减震方形类年轮地震超颖结构 - Google Patents

一种低频减震方形类年轮地震超颖结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低频减震方形类年轮地震超颖结构，本发明的地震超颖结构沿建筑周围环向布置。本发明所设计的方形类年轮地震超颖结构主要通过将核心混凝土柱布置好后，在其外层交替围护钢管层和橡胶层。最后在最外侧围护混凝土层。本发明结构是基于声子晶体理论所设计的周期性结构，这种结构具有带隙特性。当地震表面波来袭时，在带隙频率范围内的地震表面波将无法通过所设计结构。布置在建筑基础周边且不与建筑相连，可以远程屏蔽地震表面波，从而保护建筑。改变结构的混凝土层、钢管层和橡胶层的几何参数，可以调整带隙位置，产生不同带隙宽度，从而可以对不同高度和不同场地条件下的建筑采取对应匹配参数。

Description

一种低频减震方形类年轮地震超颖结构
技术领域
本发明涉及一种低频减震方形类年轮地震超颖结构，是一种能够有效衰减地震表面波的新结构。
背景技术
全球每年发生数百万次地震，地震发生后，具有大量能量的地震波从地下深处的震源向四面八方传播。当它们与地表相遇时，能量沿着地表传播，即地震的表面波。瑞利波是表面波之一，其频率范围为 0.1 至 20 赫兹，对结构极为有害，因为建筑物的共振频率正好在这个频率范围内。根据近些年世界各地的地震灾害调查和研究表明，建筑物在强烈地震后会发生倾斜、倾倒等破坏而丧失部分甚至全部功能，进而发生火灾、天然气泄漏等一系列次生灾害，严重危及人民的生命财产安全。地震超颖结构是一种基于声子晶体理论的周期性结构，具有带隙特性。在带隙频率范围内，地震波无法穿过地震超颖结构，这为抗震保护提供了一种新途径。本发明借鉴声子晶体控制机械波原理，采用多重混凝土、钢管及橡胶等组成减震结构，实现对地震波的控制和衰减，本发明引述的技术结构定义为“地震超颖结构”。
目前，传统抗震方法一般是遵循“三水准，两阶段”设计准则，通过“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱杆件”等设计原则进行建筑抗震设计。通过增大特定位置的梁柱截面尺寸，从而提高建筑整体的抗震能力。但存在震后建筑损伤严重，结构修复量较大甚至无法修复的问题。所以，发明一种施工简单，适用性强，能够有效衰减地震表面波的减隔震结构，对提高建筑的安全性和保证紧急关键结构应对地震时的应急响应十分重要。
发明内容
本发明的低频减震方形类年轮地震超颖结构涉及一种用于衰减地震表面波的地震超颖结构。其目的是为了提供一种全方位、多角度保护建筑、取材简单、有效衰减地震表面波、减小建筑灾后修复和维护成本的类年轮地震超颖结构。
本发明涉及的一种低频减震方形类年轮地震超颖结构，该方形类年轮地震超颖结构布置在建筑物基础周边，其特征在于：包括第一混凝土层1、第二混凝土层10、第一钢管层2、第二钢管层4、第三钢管层6、第四钢管层8、第一橡胶层3、第二橡胶层5、第三橡胶层7和第四橡胶层9。第一混凝土层1为方形结构，第一钢管层2围护在第一混凝土层1的外部，第二钢管层4围护在第一钢管层2外部，第三钢管层6围护在第二钢管层4外部，第四钢管层8围护在第三钢管层6外部；第二混凝土层10围护在第四钢管层8的外部；第一橡胶层3填充在第一钢管层2与第二钢管层4之间，第二橡胶层5填充在第二钢管层4与第三钢管层6之间，第三橡胶层7填充在第三钢管层6与第四钢管层8之间；第四橡胶层9填充在第四钢管层8与第二混凝土层10之间；
第一混凝土层1边长为1.48m，第二混凝土层10外边长为3m，内边长2.4m，厚度0.3m，高度18m，均采用C20-C40素混凝土。第一钢管层2、第二钢管层4、第三钢管层6、第四钢管层8的厚度均为0.10m，高度18m，且均选用热轧无缝钢管。第一橡胶层3、第二橡胶层5、第三橡胶层7和第三橡胶层9的厚度均为0.015m，高度18m，选用工业橡胶。
本发明结构布置在建筑基础附近，结构顶面与地表平齐，沿建筑物环向布置，距离建筑物水平距离9m。本发明结构单胞延拓所形成的地震超颖结构外围尺寸不小于建筑物基础尺寸。
本发明的技术方案是：
方形类年轮地震超颖结构布置在建筑基础周边，在一定范围内沿建筑环向布置，利用带隙特性，衰减地震表面波，保护建筑物免受地震表面波的危害。
当地震表面波来袭时，由于声子晶体的局域共振，地震超颖结构会在3-11Hz范围内产生带隙，从而有效衰减或隔绝在全带隙频率范围内的地震表面波，保护建筑。
方形类年轮地震超颖结构由混凝土，橡胶和钢组成。在核心混凝土外部，钢管和橡胶依次交替排列，在最外层钢管外部增加混凝土层，以保护钢管。
钢管和橡胶为两种性质相差较大的材料，交替排列有利于形成带隙，从而衰减地震表面波。
混凝土层、橡胶层和钢管层各部分轴心相互重合。
本发明所设计的方形类年轮地震超颖结构采用不同材料制备。
方形类年轮地震超颖结构的材质包括混凝土、橡胶和钢。请参阅图2，其中，混凝土层的混凝土密度ρ1=2500kg/m3、杨氏模量E1=4×1010Pa、泊松比μ1=0.2；
钢管层的钢密度ρ1=7850kg/m3、杨氏模量E1=2.1×1011Pa、泊松比μ1=0.3；
橡胶层的橡胶密度ρ1=1300kg/m3、杨氏模量E1=1.02×105Pa、泊松比μ1=0.47。
与传统抗震方法相比，本发明具有以下优点：
1）取材简单，构成材料均为土木工程中的常见材料。本发明主要用到的材料为混凝土、橡胶和钢，这些在施工过程中都比较容易获得。
2）全方位、多角度保护建筑。本发明的地震超颖结构沿建筑周围环向布置，当地震来临时，可以全方位保护核心建筑。
3）结构构造简单。本发明所设计的方形类年轮地震超颖结构主要通过将混凝土层1安装好后，在外层交替安装钢管层和橡胶层。最后在最外部安装混凝土层10。
4）远程屏蔽地震表面波。本发明的结构是基于声子晶体理论所设计的周期性结构，具有带隙特性。当地震表面波来袭时，在带隙范围内的地震表面波将无法通过所设计结构。布置在建筑周边且不与建筑相连，可以远程屏蔽地震表面波，从而保护建筑。
5）具有良好的减震性能。本发明所设计的方形类年轮地震超颖结构能够在3-11Hz范围内产生多条较宽的全带隙，从而可以有效衰减位于全带隙频率范围内的地震表面波。因此，可以有效保护建筑。
6）改变本发明中结构的混凝土层、钢管层和橡胶层的几何尺寸，可以产生不同的带隙，从而可以对不同高度和不同地区的建筑采取不同的参数。
附图说明
图1为本发明所提供的地震超颖结构布置示意图；
图2为本发明所提供的方形类年轮地震超颖结构单胞示意图；
图3为本发明所提供的方形类年轮地震超颖结构单胞俯视图；
图4为本发明所提供的方形类年轮地震超颖结构能带结构图；
图5为本发明所提供的八排方形类年轮地震超颖结构透射谱。
其中：1、第一混凝土层；2、第一钢管层；3、第一橡胶层；4、第二钢管层；5、第二橡胶层；6、第三钢管层；7、第三橡胶层；8、第四钢管层；9、第四橡胶层；10、第二混凝土层。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明：方形类年轮地震超颖结构包括第一混凝土层1、第二混凝土层10、第一橡胶层3、第二橡胶层5、第三橡胶层7、第四橡胶层9、第一钢管层2、第二钢管层4、第三钢管层6、第四钢管层8。
先安装第一混凝土层1，将其设置在单胞核心位置；
设置好第一混凝土层1后，在外部布置第一钢管层2，在第一钢管层2外部布置第一橡胶层3。第一钢管层2内壁和外壁分别连接第一混凝土层1的外壁和第一橡胶层3的内壁；
在第一橡胶层3外部布置第二钢管层4。第一橡胶层3的内壁和外壁分别连接第一钢管层2的外壁和第二钢管层4的内壁；
在第二钢管层4外部布置第二橡胶层5。第二钢管层4内壁和外壁分别连接第一橡胶层3的外壁和第二橡胶层5的内壁；
在第二橡胶层5外部布置第三钢管层6。第二橡胶层5的内壁和外壁分别连接第二钢管层4的外壁和第三钢管层6的内壁；
在第三钢管层6外部布置第三橡胶层7。第三钢管层6内壁和外壁分别连接第二橡胶层5的外壁和第三橡胶层7的内壁；
在第三橡胶层7外部布置第四钢管层8。第三橡胶层7的内壁和外壁分别连接第三钢管层6的外壁和第四钢管层8的内壁；
在第四钢管层8外部布置第四橡胶层9。第四钢管层8内壁和外壁分别连接第三橡胶层7的外壁和第四橡胶层9的内壁；
在第四橡胶层9外部布置第二混凝土层10。第四橡胶层9内壁和外壁分别连接第四钢管层8的外壁和第二混凝土层10的内壁。
请参阅图2和图3，第一混凝土层1边长为1.48m，第二混凝土层10外边长为3m，内边长2.4m，厚度0.3m，高度18m，均采用C20-C40素混凝土。第一钢管层2、第二钢管层4、第三钢管层6、第四钢管层8的厚度均为0.10m，高度18m，且均选用热轧无缝钢管。第一橡胶层3、第二橡胶层5、第三橡胶层7和第四橡胶层9的厚度均为0.015m，高度18m，选用工业橡胶。
具体材料参数为：
混凝土：密度ρ1=2500kg/m3、杨氏模量E1=4×1010Pa、泊松比μ1=0.2；
橡胶：密度ρ1=1300kg/m3、杨氏模量E1=1.02×105Pa、泊松比μ1=0.47；
钢管：密度ρ1=7850kg/m3、杨氏模量E1=2.1×1011Pa、泊松比μ1=0.3；
请参阅图4，结构在3～11Hz范围内存在3条全带隙，其中第一全带隙位于3.22～4.54Hz，第二全带隙位于5.31～9.08Hz，第三全带隙位于9.83～10.96Hz。
请参阅图5，通过计算8排地震超颖结构的透射谱发现，在全带隙范围内的地震表面波通过地震超颖结构后都被衰减。
因此，本发明一种低频减震方形类年轮地震超颖结构，在地震表面波集中的3～11Hz范围内，存在良好的减震特性，可对地震表面波进行有效控制。综上所述，本发明一种低频减震方形类年轮地震超颖结构具有低频带隙特性，从而衰减全带隙频率范围内的地震表面波，具有良好的减震性能和起到保护建筑物的作用。相较于传统减震措施，具有全方位及多频段保护建筑的优势。

Claims (1)

1.一种低频减震方形类年轮地震超颖结构，其特征在于：方形类年轮地震超颖结构布置在建筑基础周边，在一定范围内沿建筑环向布置，利用带隙特性，衰减地震表面波，保护建筑物免受地震表面波的危害；
方形类年轮地震超颖结构由混凝土、橡胶和钢组成；在核心混凝土层外部，钢管层和橡胶层依次交替排列，在最外层钢管层外部增加混凝土层，以保护钢管；钢管和橡胶为两种性质差异较大的材料，交替排列有利于形成带隙，从而衰减地震表面波；
该方形类年轮地震超颖结构包括第一混凝土层（1）、第二混凝土层（10）、第一钢管层（2）、第二钢管层（4）、第三钢管层（6）、第四钢管层（8）、第一橡胶层（3）、第二橡胶层（5）、第三橡胶层（7）和第四橡胶层（9）；第一混凝土层（1）为方形结构，第一钢管层（2）围护在第一混凝土层（1）的外部，第二钢管层（4）围护在第一钢管层（2）外部，第三钢管层（6）围护在第二钢管层（4）外部，第四钢管层（8）围护在第三钢管层（6）外部，第二混凝土层（10）围护在第四钢管层（8）的外部；第一橡胶层（3）填充在第一钢管层（2）与第二钢管层（4）之间，第二橡胶层（5）填充在第二钢管层（4）与第三钢管层（6）之间，第三橡胶层（7）填充在第三钢管层（6）与第四钢管层（8）之间，第四橡胶层（9）填充在第四钢管层（8）与第二混凝土层（10）之间；
混凝土层、橡胶层和钢管层各部分轴心相互重合；
混凝土层的混凝土密度ρ1=2500kg/m3、杨氏模量E1=4×1010Pa、泊松比μ1=0.2； 钢管层的钢密度ρ2=7850kg/m3、杨氏模量E2=2.1×1011Pa、泊松比μ2=0.3；橡胶层的橡胶密度ρ3=1300kg/m3、杨氏模量E3=1.02×105Pa、泊松比μ3=0.47；
第一混凝土层（1）、第二混凝土层（10）均采用C20-C40素混凝土；第一钢管层（2）、第二钢管层（4）、第三钢管层（6）、第四钢管层（8）均选用热轧无缝钢管；第一橡胶层（3）、第二橡胶层（5）、第三橡胶层（7）和第四橡胶层（9）选用工业橡胶。
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地震超材料的应用与研究进展;石南南等;《功能材料》;20190930(第9期);第09019-09026页 *
地震超材料的设计与性能研究;曾一;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅰ辑》;20200215(第02期);第40-46页 *

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