CN112663685A

CN112663685A - 一种低频减震地震超颖板结构

Info

Publication number: CN112663685A
Application number: CN202011513928.1A
Authority: CN
Inventors: 石南南; 亢志宽; 罗方慧; 王利辉; 赵�卓
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-12-19
Filing date: 2020-12-19
Publication date: 2021-04-16

Abstract

本发明公开了一种低频减震地震超颖板结构，该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带有侧孔的钢核心和带有侧孔的橡胶层组成。钢核心和橡胶层均为正方体，且在四个垂直面均有圆柱形通孔。本发明将其埋在建筑基础的地表下，沿建筑环向布置。本发明的低频减震地震超颖板结构，所用材料为钢和橡胶。本发明由地震超颖板结构单胞在水平面内两个相互垂直的方向延拓组成，而地震超颖板结构单胞主要由带侧孔橡胶层包覆带侧孔钢组成。本发明通过改变侧孔直径和各组部分的几何与材料参数，调整带隙宽度和位置，从而保护不同地区、不同高度的一个或多个建筑。

Description

一种低频减震地震超颖板结构

技术领域

本发明涉及一种低频减震地震超颖板结构，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

据统计，全球平均每年地震所造成的经济损失占所有灾害造成经济损失的60％。地震对人类造成的损害主要是由于建筑物倒塌，这严重影响着人类的生命和财产安全。地震波又分为体波和面波。其中低频地震表面波由于具有低频率、高振幅、难衰减和传播远等特征对建筑安全影响最大。低频地震表面波对建筑物影响最大的频率范围在0.1-20Hz范围内，在此范围内的地震面波对应的波长与常见建筑的高度基本相同。当地震表面波到达建筑后，由于低频表面波与建筑共振基频相近，从而会发生共振，进而导致建筑物损坏甚至倒塌。目前，设计衰减这种低频地震表面波的结构或装置依然是一个十分困难的问题。最近，固体物理领域研究的地震超材料，为控制和衰减低频表面波，保护建筑提供了新的研究思路。

地震超材料是一种人工设计的周期性排列结构，具有带隙特性。在带隙范围内的地震波到达地震超材料后将会被衰减甚至隔绝。按照地震超材料产生带隙的机理可以分为布拉格散射型地震超材料和局域共振型地震超材料。前者结构尺寸与地震波波长相近时，可以产生带隙。但在土木工程中，设计与波长相近的减震结构，其尺寸太大，应用性较低。后者结构尺寸可以比地震波波长小两个数量级，更有利于地震超材料的应用，但其产生的带隙通常较窄。但在目前的研究过程中，虽然结构尺寸已经比布拉格散射型结构小很多，但实际还是用较大结构尺寸来控制低频表面波，这不仅不经济，同时其应用型也较低。因此，发明一种结构简单、适应性强、易实现的可以有效控制和衰减低频地震表面波的结构，对保护核电站、炼油厂和古建筑等重要建筑，以及保护城市居民区建筑都具有十分重要意义！本发明借鉴地震超材料控制地震表面波的机理，采用钢和橡胶组成减震结构，实现对低频地震表面波的控制和衰减，本发明引述的技术结构定义为“地震超颖板结构”。

发明内容

本发明所设计的一种低频减震地震超颖板结构涉及一种用于衰减地震表面波的地震超颖板结构。其目的是为了提供一种易于实现的衰减地震表面波的装置、保护建筑、取材简单、有效减少地震灾害、减小建筑灾后修复和维护成本的低频减震地震超颖板结构。

本发明涉及的一种低频减震地震超颖板结构，该地震超颖结构由多个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带有侧孔的钢核心(1)和带有侧孔的橡胶层(2)组成。钢核心(1)和橡胶层(2)均为正方体，且在四个垂直面均有圆柱形通孔。

低频减震地震超颖板结构带有圆柱形侧孔的钢核心边长0.8m，橡胶层边长1m，四个垂直面均被两个圆柱形通孔所贯穿，圆柱形通孔半径0.2m，高度1m。

本发明所设计的地震超颖板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10m。本发明所设计的单胞结构延拓后所组成的周期性排列结构外围尺寸不小于建筑物基础外围尺寸。

本发明的技术方案是：

一种低频减震地震超颖板结构，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布置，利用周期性结构的带隙特性，衰减6.01Hz-11.65Hz范围内的地震表面波，保护建筑免受地震表面波的危害。

当地震表面波到达所设计板结构后，地震超颖结构单胞中的带有侧孔钢核心；单胞和单胞间都将发生振动，组合后的地震超颖板结构会产生带隙，从而有效控制和衰减地震表面波，保护建筑。

低频减震地震超颖板结构单胞由带有圆柱形侧孔的钢核心(1)和带有侧孔的橡胶层(2)组成。在带有侧孔的钢核心(1)的外侧，包覆橡胶层(2)。

带有圆柱形侧孔的钢核心(1)、橡胶层(2)均为正方体结构。侧孔为圆柱形通孔。

带有侧孔的钢核心(1)、橡胶层(2)两部分体心相互重合。

本发明所设计的低频减震地震超颖板结构采用不同材料制备。

本发明所设计的低频减震地震超颖板结构的材质包括钢和橡胶。请参阅图2和图3，其中，其中，钢核心的密度ρ₁＝7850kg/m³；杨氏模量E₁＝2.1×10¹¹Pa；泊松比γ₁＝0.3；橡胶层的密度ρ₂＝1300kg/m³；杨氏模量E₂＝1.02×105Pa；泊松比γ₂＝0.47；两种材料制成。

与布拉格散射型减震结构相比，本发明具有以下优点：

1)尺寸较小，易于实现。地震超材料单胞尺寸为边长为1m的正方体结构，将其埋在建筑基础的地表下，沿建筑环向布置。这与布拉格散射型结构尺寸往往在10m甚至以上的结构相比，尺寸更小，同时有具备较宽带隙特性。

2)全带隙范围较宽。本发明所设计的低频减震地震超颖板结构可以有效控制和衰减6.01Hz-11.65Hz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。

3)材料常见，本发明所设计的低频减震地震超颖板结构，所用材料为钢和橡胶。这些材料在建筑施工过程中较为常见，且容易获得。

4)所设计的地震超颖结构可以兼具不同用途。除了对6.01Hz-11.65HzHz范围内的地震表面波具有有效控制和衰减作用外，对可能出现在6.01Hz-11.65Hz范围内的道路交通、建筑工地的机械使用等所产生的表面振动波都具备有效衰减能力。

5)进一步节约材料。钢和橡胶不开侧孔时，也存在带隙，但其带隙比本发明所设计带隙略小，开孔不仅可以保证带隙宽度和位置基本不变，同时，也进一步节约了钢和橡胶用量。

6)结构简单。本发明所涉及地震超颖板结构主要由地震超颖板结构单胞在水平面内两个相互垂直的方向延拓组成，而地震超颖板结构单胞主要由带侧孔橡胶层包覆带侧孔钢组成。结构构造简单。

7)可以应用于不同环境的不同建筑。本发明的地震超颖版板结构不仅仅只适用于某一地区的某一类建筑，而是可以根据不同地区场地条件、建筑环境、占地尺寸和高度等因素，综合考虑，通过改变侧孔直径和各组部分的几何与材料参数，调整带隙宽度和位置，从而保护不同地区、不同高度的一个或多个建筑。

附图说明

图1为本发明所提供的地震超颖板结构布置示意图。

图2为本发明所提供的地震超颖板结构单胞带圆柱形通孔的钢核心示意图。

图3为本发明所提供的地震超颖板结构单胞示意图。

图4为本发明所提供的由地震超颖结构单胞在一个面内沿两个相互垂直方向延拓所组成的5×5地震超颖板结构示意图。

图5为本发明所提供的地震超颖板结构能带结构图。

图6为本发明所提供的当沿ΓХ方向激发瑞利波时，五排地震超颖板结构单胞所组成的地震超颖结构透射谱。

其中：1.带有侧孔的钢核心；2.橡胶层。

具体实施方式

下面结合附图详述本发明：低频减震地震超颖板结构单胞包括带有圆柱形通孔的钢核心(1)和橡胶层(2)。

首先，将钢块布置在核心位置，钢块为边长为0.8m的正方体。通过工艺手段，在钢块的四个垂直侧面分别开两个圆柱形通孔。

之后，在带孔钢核心(1)外侧，包覆橡胶层(1)。橡胶层(2)的内部和钢核心(1)的外表面紧密贴合。在橡胶层(2)的四个垂直面沿钢核心(1)的侧孔位置打通。

带侧孔的钢核心(1)和橡胶层(2)两者体心相互重合。

请参阅图2和图3，低频减震地震超颖板结构，单胞中四个侧面带侧孔钢核心(1)为边长0.8m的正方体；橡胶层边长1m，厚度0.1m；侧孔半径0.2m，高度1m。

完成一个地震超颖板结构单胞后，将上述地震超颖板结构单胞布置于建筑基础周边的地表下方，埋入土壤，使结构上表面与地表平齐。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：

带有侧孔钢核心：密度ρ₁＝7850kg/m³；杨氏模量E₁＝2.1×10¹¹Pa；泊松比γ₁＝0.3；

橡胶：密度ρ₂＝1300kg/m³；杨氏模量E₂＝1.02×10⁵Pa；泊松比γ₂＝0.47。

请参阅图5，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6-12Hz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，发现在6.01Hz-11.65Hz范围内存在较宽全带隙，带隙总宽度5.64Hz。

请参阅图5，其中，浅灰色区域为透射谱的衰减区。在距离地震超颖板结构25m处，当沿ΓX方向激发瑞利波时，通过计算本发明所设计的五排低频减震地震超颖板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基本重合。能带结构和透射谱计算结果的相互佐证表明，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减震地震超颖板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

1.一种低频减震地震超颖板结构，其特征在于：该地震超颖结构由多个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带有侧孔的钢核心(1)和带有侧孔的橡胶层(2)组成。

2.根据权利要求1所述的一种低频减震地震超颖板结构，其特征在于：低频减震地震超颖板结构带有圆柱形侧孔，四个垂直面均被两个圆柱形通孔所贯穿。

3.根据权利要求1所述的一种低频减震地震超颖板结构，其特征在于：所设计的地震超颖板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10m；所设计的单胞结构延拓后所组成的周期性排列结构外围尺寸不小于建筑物基础外围尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种低频减震地震超颖板结构，其特征在于：带有圆柱形侧孔的钢核心(1)、橡胶层(2)均为正方体结构，侧孔为圆柱形通孔。

5.根据权利要求1所述的一种低频减震地震超颖板结构，其特征在于：带有侧孔的钢核心(1)、橡胶层(2)两部分体心相互重合。

6.根据权利要求1所述的一种低频减震地震超颖板结构，其特征在于：所设计的低频减震地震超颖板结构的材质包括钢和橡胶。