CN112554242A - 一种低频带隙五孔地震超颖结构 - Google Patents

一种低频带隙五孔地震超颖结构 Download PDF

Info

Publication number
CN112554242A
CN112554242A CN202011419789.6A CN202011419789A CN112554242A CN 112554242 A CN112554242 A CN 112554242A CN 202011419789 A CN202011419789 A CN 202011419789A CN 112554242 A CN112554242 A CN 112554242A
Authority
CN
China
Prior art keywords
steel pipe
hollow steel
seismic
building
gap
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.)
Granted
Application number
CN202011419789.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112554242B (zh
Inventor
石南南
亢志宽
罗方慧
王利辉
赵�卓
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.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of 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 Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN202011419789.6A priority Critical patent/CN112554242B/zh
Publication of CN112554242A publication Critical patent/CN112554242A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112554242B publication Critical patent/CN112554242B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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
    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
    • E02D5/22—Piles

Landscapes

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

Abstract

本发明公开了一种低频带隙五孔地震超颖结构，本发明基于声子晶体理论所设计的周期性结构，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。布置在建筑基础周边且不于建筑相连，远程屏蔽地震表面波，从而保护建筑。本发明地震超颖结构主要通过薄壁钢管、橡胶柱和混凝土保护层三者组成。结构构造简单。本发明的地震超颖结构不与建筑直接相连，设置在建筑外围与建筑有一定距离。全方位、多角度保护建筑。所设计地震超颖结构的布置，根据建筑所在场地环境和地质条件沿建筑分段、环向布置，充分有效保护建筑。本发明材料为钢、橡胶和混凝土三种材料。这些材料在建筑施工过程中较为常见，且容易获得。

Description

一种低频带隙五孔地震超颖结构
技术领域
本发明涉及一种低频带隙五孔地震超颖结构，是一种对地震表面波有良好控制和衰减作用的新结构。
背景技术
全球每年发生数百万次地震，地震对人类造成了灾难性的损害。它不仅会造成直接经济损失，甚至所引起的建筑物倒塌会造成人员的伤亡。地震造成的损害主要是由于建筑物的倒塌。地震波有多种类型。其中，地震表面波具有低频率，高振幅和衰减慢的特性，对建筑物的破坏最大。大量震害表明，引起地表建筑物破坏的地震波峰值频谱在2Hz左右。大部分建筑物对应的共振频率都在10Hz范围内。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，采用混凝土、钢管和橡胶组成减震结构，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”。
消能减震是常用的一种建筑抗震的方法，主要是在建筑内部设置消能减震构件，通过消能减震构件发生弹塑性变形，进而消耗一部分地震能量，减小结构地震响应。然而，在大震下建筑可能会发生危险的弹塑性变形。所以，发明一种结构简单，适应性强，可以有效控制和衰减低频地震表面波的减隔震结构，对于保护城市建筑和其他对振动敏感的结构，如精密实验室、核电站、古建筑等将具有十分重要的意义！
发明内容
本发明所设计的低频带隙五孔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、多角度衰减地震表面波、保护建筑、取材简单、布置方便、有效减少地震灾害、减小建筑灾后修复和维护成本的五孔地震超颖结构。
本发明涉及的一种低频带隙五孔地震超颖结构，该五孔地震超颖结构由地震超颖结构单胞在水平面内沿两个相互垂直的方向延拓组成，并设计在建筑物基础周边，地震超颖结构单胞包括第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)，橡胶柱(6)和混凝土层(7)。第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)均为方形结构；橡胶柱(6)含有五个通孔，空心钢管(1)-(5)分别按找特定位置，嵌入橡胶柱(6)内部；混凝土层(7)围护在橡胶柱(6)的外部。
第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)外边长均为0.46m,内边长0.36m，厚度0.1m，高度20m，采用热轧无缝钢管。橡胶柱(6)边长为1.4m，高度20m，选用工业橡胶。混凝土层(7)外边长2m，内边长1.6m，高度h＝20m，选用C20-C40素混凝土。
本发明结构布置在建筑基础周边，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6m。本发明的单胞结构延拓后所组成的周期性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：
一种低频带隙五孔地震超颖结构，由所设计的地震超颖结构单胞沿水平面内两个相互垂直的方向不断延拓构成。布置于建筑基础周边地表下方，在一定范围内沿建筑环向分段布置，利用周期性结构的带隙特性，衰减2-7Hz范围内的地震表面波，保护建筑免受地震表面波的危害。
当地震波来袭时，地震超颖结构单胞中的五孔空心钢管、单胞和单胞间都将发生振动，组合后的地震超颖结构会产生的带隙，从而有效控制和衰减地震表面波，保护建筑。
低频带隙五孔地震超颖结构单胞由第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)；橡胶柱(6)和混凝土层(7)组成。在橡胶柱(6)中按照特定位置，分别依次嵌入五根空心钢管，钢管外壁与橡胶紧密粘接。在橡胶层(6)的外侧，增设方形空心混凝土柱(7)，使橡胶层的外侧紧密与混凝土柱的内侧相连。
第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)和混凝土层(7)横截面均为空心方形，橡胶柱(6)的截面为包括五个通孔的方形截面。
第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)、橡胶柱(6)和混凝土层(7)三部分轴心相互重合。
第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)、橡胶柱(6)和混凝土层(7)三部分高度相同，上下表面在同一水平面上。
本发明所设计的低频带隙五孔地震超颖结构采用不同材料制备。
本发明所设计的低频带隙五孔地震超颖结构的材质包括混凝土、橡胶和钢。请参阅图2和图3，其中，其混凝土层的混凝土密度ρ1＝2500kg/m3；杨氏模量E1＝4×1010Pa；泊松比γ1＝0.2；橡胶柱的密度ρ2＝1300kg/m3；杨氏模量E2＝1.02×105Pa；泊松比γ2＝0.47；空心钢管的密度ρ3＝7850kg/m3；杨氏模量E3＝2.1×1011Pa；泊松比γ3＝0.3；三种材料制成。
与消能减震抗震方法相比，本发明具有以下优点：
1)有效控制和衰减低频地震表面波。本发明所设计低频带隙方形五孔地震超颖结构可以有效控制和衰减2-7Hz范围内的地震表面波，可以有效保护共振频率在此范围内的各种建筑。
2)全范围、多角度保护建筑。所设计地震超颖结构的布置，可根据建筑所在场地环境和地质条件沿建筑分段、环向布置，充分有效保护建筑。
3)材料常见，本发明所设计的低频带隙五孔地震超颖结构，所用材料为钢、橡胶和混凝土三种材料。这些材料在建筑施工过程中较为常见，且容易获得。
4)可以应对不同地区和场地条件下的各种建筑。根据所在地区的场地和被保护建筑的高度等参数，可以通过调整地震超颖结构的各组分尺寸参数，从而应用于各种地质条件和不同建筑。
5)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于建筑相连，可以远程屏蔽地震表面波，从而保护建筑。
6)所设计的地震超颖结构可以兼具不同用途。除了对7Hz范围内的地震表面波具有有效控制和衰减作用外，对所有可能出现在2-7Hz范围内的弹性表面波都具备有效衰减能力。
7)结构简单。本发明所涉及地震超颖结构主要通过薄壁钢管、橡胶柱和混凝土保护层三者组成。结构构造简单。
8)在带隙频率范围内，不会导致建筑发生危险的弹塑性变形。低频带隙五孔地震超颖结构是一种周期性结构，具有带隙特性。当带隙包含共振频率时，在大震下，地震表面波达到所设计结构后，会被衰减或隔绝。因此，不会导致建筑发生危险的弹塑性变形。
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为本发明所提供的低频带隙五孔地震超颖结构单胞。
图3为本发明所提供的低频带隙五孔地震超颖结构单胞俯视图。
图4为本发明所提供的低频带隙五孔地震超颖结构能带结构图。
图5为本发明所提供的当沿ΓХ方向激发瑞利波时，十排五孔地震超颖结构单胞所组成的地震超颖结构透射谱。
其中：1.第一空心钢管；2.第二空心钢管；3.第三空心钢管；4.第四空心钢管；5.第五空心钢管；6.橡胶柱；7.混凝土层。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明：低频带隙五孔地震超颖结构单胞包括第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)、橡胶柱(6)、混凝土层(7)。
首先，安装具有预留孔的橡胶柱(6)，预留孔的大小比方形钢管柱的截面面积大2cm。以橡胶柱的界面形心为中心，在截面处建立坐标系，预留孔正中心的的位置分别位于坐标系的(0，0)、(0.51m，0.51m)、(-0.51m，0.51m)、(-0.51m，-0.51m)、(0.51m，-0.51m)五个点。
设置好橡胶柱后，将第一空心钢管(1)嵌入橡胶柱(6)中，钢管(1)形心与(0.51m，0.51m)位置重合；第二空心钢管(2)嵌入橡胶柱(6)中，钢管(2)形心与(0.51m，-0.51m)重合；第三空心钢管(3)嵌入橡胶柱(6)中，钢管(3)形心与(0，0)重合；第四空心钢管(4)嵌入橡胶柱(6)中，钢管(4)形心与(-0.51m，0.51m)重合；第五空心钢管(5)嵌入橡胶柱(6)中，钢管(4)形心与(-0.51m，-0.51m)重合。预留孔太大时，可用树脂填充，以保证空心钢管和橡胶之间的紧密贴合。
之后，在橡胶柱(6)外侧，设置混凝土层(7)。橡胶柱(6)的外侧和混凝土层(7)的内壁紧密贴合。
第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)、橡胶层(6)和混凝土层(7)上下表面分别平齐，且三者高度相等。
完成一个地震超颖结构单胞后，将上述地震超颖结构单胞布置在建筑周边的地表下方。重复上述步骤，制作地震超颖结构单胞数量至少可以沿建筑周围环向布置。
请参阅图2和图3，低频带隙五孔地震超颖结构第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)外边长均为0.46m，内边长0.36m，高度20m，采用热轧无缝钢管。橡胶柱(6)边长为1.4m，高度20m，选用工业橡胶。混凝土层(7)外边长2m，内边长1.6m，高度h＝20m，选用C20-C40素混凝土。
完成一个地震超颖结构单胞后，将上述地震超颖结构单胞布置与建筑周边的土壤下方。重复上述步骤，制作地震超颖结构单胞数量至可以沿建筑周围环向布置。布置位置请参阅图1。
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γ1＝0.2；
橡胶：密度ρ2＝1300kg/m3；杨氏模量E2＝1.02×105Pa；泊松比γ2＝0.47；
空心钢柱：密度ρ3＝7850kg/m3；杨氏模量E3＝2.1×1011Pa；泊松比γ3＝0.3；
请参阅图4，其中，浅灰色区域为能带结构的全带隙范围。能带结构计算发现，结构在2-7Hz范围内存在带隙。本发明所设计的地震超颖结构可以调控的衰减地震表面波区域内，发现有两条全带隙，分别位于：第一条：2.47-4.20Hz；第二条：5.45Hz-5.76Hz。
请参阅图5，其中，浅灰色区域为透射谱的衰减区。当沿ΓX方向激发瑞利波时，通过计算本发明所设计的十排低频带隙方形五孔地震超颖结构单胞的透射谱发现，透射谱计算的衰减区与能带结构的全带隙完全重合。这表明，本发明所设计的地震超颖结构可以有效控制和衰减位于全带隙频率范围内的地震表面波。
综上所述，本发明所设计的一种低频带隙五孔地震超颖结构具有低频带隙特性，从而可以有效控制和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保护建筑的作用。

Claims (6)

1.一种低频带隙五孔地震超颖结构，其特征在于：该五孔地震超颖结构设计在建筑物基础周边由地震超颖结构单胞组成，地震超颖结构单胞沿水平面内两个相互垂直的方向不断延拓构成；布置于建筑基础周边地表下方，在一定范围内沿建筑环向分段布置，利用周期性结构的带隙特性；
当地震表面波来袭时，地震超颖结构单胞中的五孔空心钢管、单胞和单胞间的都将发生振动，组合后的地震超颖结构会产生的带隙，从而有效控制和衰减地震表面波，保护建筑；低频带隙五孔地震超颖结构单胞包括第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)、橡胶柱(6)和混凝土层(7)；在橡胶柱(6)中按照特定位置，分别依次嵌入五根空心钢管，钢管外壁与橡胶紧密粘接；在橡胶层(6)的外侧，增设方形空心混凝土柱(7)，使橡胶层的外侧紧密与混凝土柱的内侧相连；
第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)均为方形结构，橡胶柱(6)含有五个通孔，橡胶柱(6)包覆在第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)外部，混凝土层(7)围护在橡胶柱(6)的外部。
2.根据权利要求1所述的一种低频带隙五孔地震超颖结构，其特征在于：第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)外边长均采用热轧无缝钢管；橡胶柱(6)选用工业橡胶；混凝土层(7)选用C20-C40素混凝土。
3.根据权利要求1所述的一种低频带隙五孔地震超颖结构，其特征在于：第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)和混凝土层(7)横截面均为空心方形，橡胶柱(6)的截面为包括五孔通孔的方形截面。
4.根据权利要求1所述的一种低频带隙五孔地震超颖结构，其特征在于：第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)、橡胶柱(6)和混凝土层(7)三部分轴心相互重合。
5.根据权利要求1所述的一种低频带隙五孔地震超颖结构，其特征在于：第一空心钢管(1)、第二空心钢管(2)、第三空心钢管(3)、第四空心钢管(4)、第五空心钢管(5)、橡胶柱(6)和混凝土层(7)三部分高度相同，上下表面在同一水平面上。
6.根据权利要求1所述的一种低频带隙五孔地震超颖结构，其特征在于：低频带隙五孔地震超颖结构采用不同材料制备。
CN202011419789.6A 2020-12-06 2020-12-06 一种低频带隙五孔地震超颖结构 Active CN112554242B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011419789.6A CN112554242B (zh) 2020-12-06 2020-12-06 一种低频带隙五孔地震超颖结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011419789.6A CN112554242B (zh) 2020-12-06 2020-12-06 一种低频带隙五孔地震超颖结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112554242A true CN112554242A (zh) 2021-03-26
CN112554242B CN112554242B (zh) 2022-07-15

Family

ID=75059257

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011419789.6A Active CN112554242B (zh) 2020-12-06 2020-12-06 一种低频带隙五孔地震超颖结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112554242B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114703906A (zh) * 2022-04-27 2022-07-05 华东交通大学 一种可同时隔离体波及面波的新型超材料隔震屏障装置
CN114703905A (zh) * 2022-03-12 2022-07-05 北京工业大学 一种三阶魔方型低频减震地震超颖板结构

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000080819A (ja) * 1998-09-03 2000-03-21 Shimizu Corp 免震装置の取付構造
CN111206623A (zh) * 2020-01-16 2020-05-29 西安建筑科技大学 一种具有低频减震特性的菱型地震超材料

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000080819A (ja) * 1998-09-03 2000-03-21 Shimizu Corp 免震装置の取付構造
CN111206623A (zh) * 2020-01-16 2020-05-29 西安建筑科技大学 一种具有低频减震特性的菱型地震超材料

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
石南南等: "地震超材料的应用与研究进展", 《功能材料》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114703905A (zh) * 2022-03-12 2022-07-05 北京工业大学 一种三阶魔方型低频减震地震超颖板结构
CN114703906A (zh) * 2022-04-27 2022-07-05 华东交通大学 一种可同时隔离体波及面波的新型超材料隔震屏障装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN112554242B (zh) 2022-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3529420B1 (en) Seismic defence structures
CN112663682B (zh) 一种具有十字形空腔的方形地震超颖结构
CN112554169A (zh) 一种方形桩地震表面波超颖结构
CN112554242B (zh) 一种低频带隙五孔地震超颖结构
CN112663683A (zh) 一种宽带隙多级地震超颖结构
KR101354071B1 (ko) 공명통 매립을 이용한 지진파 방진벽
CN113684866A (zh) 一种含有贫铀的低频宽带隙地震超颖板结构
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
CN113389295A (zh) 一种组合型钢式地震表面波屏障结构及其制作方法
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
CN112554168B (zh) 一种低频减震方形九孔桩地震超颖结构
CN113605548B (zh) 具有多级减振防线的轨道交通上盖结构及其设计方法
CN112663685A (zh) 一种低频减震地震超颖板结构
CN113389294A (zh) 一种低频减震十字分形波屏障结构及制作方法
CN112554241B (zh) 一种低频减震方形类年轮地震超颖结构
CN211669378U (zh) 地震波完美吸收装置
CN114606989A (zh) 一种负泊松比-局部共振隔震结构及共振器
CN106460354B (zh) 用于建筑结构抗震保护的复合地基
CN113802713A (zh) 一种栅栏式隔震结构及其设计方法
RU2641334C2 (ru) Сейсмостойкое здание кочетова
KR101418652B1 (ko) 발파소음 저감장치
CN114703904B (zh) 一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构
CN207945354U (zh) 埋地管道的抗震装置和抗震系统
CN109944476A (zh) 高声强声学混响室的隔声隔振结构

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant