CN113389292A - 一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构及制作方法，该波屏障结构由结构单胞在同一在水平面内沿两个相互垂直的方向延拓组成，并设计在建筑物周边的地表下方，结构单胞包括贫铀块(1)、钢管层(2)和橡胶层(3)组成，贫铀块(1)为正方体，钢管层(2)包覆在贫铀块(1)外部，橡胶层(3)包覆在钢管层(2)外部。本发明的地震超颖版板结构不仅仅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，改变各组成部分的边长，厚度等几何参数和密度，杨氏模量等材料参数，调整带隙宽度和位置，从而保护不同区域、不同高度的一个或多个建筑。

Description

一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构及制作方法
技术领域
本发明涉及一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，是一种对地震兰姆波和表面波有良好衰减作用的周期性排列结构。
背景技术
地震不仅会影响建筑物，还会影响平民生活。如果地震发生在核电站，医院，学校和军用建筑物等中心时，损害将会成倍增加。其中，最初被认为是瑞利波的地震兰姆波在特定条件下对建筑的影响非常大，同时，低频兰姆波和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。低频地震兰姆波和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。当地震兰姆波和表面波到达建筑后，由于低频兰姆波和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兰姆波和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周期性波屏障，为控制和衰减低频兰姆波和表面波，保护建筑提供了新的研究思路。
周期性波屏障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周期性波屏障后将会被衰减甚至隔绝。按照周期性波屏障产生带隙的机理可以分为布拉格散射型周期性波屏障和局域共振型周期性波屏障。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，设计与波长相近的隔震结构，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，更有利于周期性波屏障的应用，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兰姆波和表面波，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兰姆波和表面波的结构，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！本发明借鉴周期性波屏障控制地震兰姆波和表面波的机理，采用贫铀块，钢和橡胶组成隔震结构，实现对低频兰姆波和表面波的控制和衰减。
发明内容
本发明所设计的一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构涉及一种用于衰减地震兰姆波和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兰姆波和表面波的装置、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，具有低频超超宽衰减域的地震超颖板结构。
本发明涉及一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，该波屏障结构由结构单胞同一在水平面内沿两个相互垂直的方向延拓组成，并设计在建筑物周边的地表下方，结构单胞包括贫铀块(1)、钢管层(2)和橡胶层(3)组成，贫铀块 (1)为正方体，钢管层(2)包覆在贫铀块(1)外部，橡胶层(3)包覆在钢管层(2)外部。
具有低频超宽衰减域的波屏障结构贫铀块(1)的边长为0.7m，钢管层厚度为0.05m，橡胶层厚度为0.1m。
本发明所设计的具有低频超宽衰减域的波屏障结构布置在建筑周围的地表下方，结构顶面与地表平齐，沿建筑物环向布置，靠近建筑的一侧距离建筑的最小距离为4m。本发明所设计的波屏障结构是由结构单胞在同一水平面内沿两个相互垂直的方向延拓组成的周期性排列结构，相邻结构单胞之间的距离为 1m，布置的区域不小于建筑物底部外围尺寸。
本发明的技术方案是：
一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，有所设计的波屏障结构单胞沿同一水平面内两个相互垂直的方向不断延拓构成。布置在建筑周围的地表下方，结构顶面与地表平齐，在一定范围内沿建筑物环向布置，利用周期性结构的带隙特性，衰减3.21-10.76Hz和10.95-12.14Hz范围内的兰姆波以及0-0.74Hz、 3.97-10.72Hz和11.34-12.59Hz范围内表面波。
当地震兰姆波或表面波到达所设计波屏障结构后，波屏障结构单胞振动与土壤振动的竖直分量发生耦合，进而产生带隙，从而可以衰减特定范围内的地震兰姆波和表面波，保护建筑。
具有低频超宽衰减域的波屏障结构单胞由由贫铀块(1)、钢管层(2) 和橡胶层(3)组成。贫铀块(1)为正方体结构，钢管层(2)包覆在贫铀块(1) 外部，橡胶层(3)包覆在钢管层(2)外部。
钢管层(2)介于贫铀块(1)和橡胶层(3)之间，钢管层(2)内壁紧密贴合贫铀块(1)，外壁紧密贴合橡胶层(3)内壁。
贫铀块(1)、钢管层(2)和橡胶层(3)三部分体心相互重合。
本发明所设计的具有低频超宽衰减域的波屏障结构采用不同材料制备。
本发明所设计的具有低频超宽衰减域的波屏障结构的材质包括贫铀、钢和橡胶。请参阅图2，其中，贫铀的密度ρ1＝19100kg/m3；杨氏模量E1＝1.77×1011Pa；泊松比γ1＝0.25；钢的密度ρ2＝7784kg/m3；杨氏模量E2＝2.07×1011Pa；泊松比γ2＝0.3；橡胶的密度ρ3＝1300kg/m3；杨氏模量E3＝1.02×105Pa；泊松比γ3＝0.47。
与布拉格散射型隔震结构相比，本发明具有以下优点：
1)尺寸较小，易于实现。波屏障结构单胞尺寸为边长为1m的正方体结构，将其埋在建筑周边的地表下方，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。本发明所设计的具有低频超宽衰减域的波屏障结构可以有效控制和衰减3.21-10.76Hz和10.95-12.14Hz范围内的兰姆波以及 0-0.74Hz、3.97-10.72Hz和11.34-12.59Hz范围内表面波。，有效保护共振频率在此范围内的各种建筑。
3)所设计的周期性排列结构可以兼具不同用途。除了对3.21-10.76Hz 和10.95-12.14Hz范围内的兰姆波以及0-0.74Hz、3.97-10.72Hz和11.34-12.59Hz 范围内表面波具有有效控制和衰减作用外，对可能出现在上述范围内的道路交通、建筑工地的机械使用等所产生的兰姆波和表面波都具备有效衰减能力。
4)结构简单。本发明所设计的具有低频超宽衰减域的波屏障结构主要由波屏障结构单胞在同一水平面内沿两个相互垂直的方向延拓组成，而波屏障结构主要由钢包覆贫铀块后，在最外部包覆一层橡胶组成，结构构造相对简单。
5)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，改变各组成部分的边长，厚度等几何参数和密度，杨氏模量等材料参数，调整带隙宽度和位置，从而保护不同区域、不同高度的一个或多个建筑。
6)远程屏蔽地震波。本发明所设计的结构布置于建筑周边，当地震发生时，地震波到达波屏障后会被衰减甚至隔绝，在震源和建筑中间阻断地震波，从而保护建筑。
附图说明
图1为本发明所提供的具有低频超宽衰减域的波屏障结构布置示意图；
图2为本发明所提供的具有低频超宽衰减域的波屏障结构单胞示意图；
图3为本发明所提供的用于衰减兰姆波的波屏障结构单胞能带结构图；
图4为本发明所提供的用于衰减兰姆波的波屏障结构透射谱图；
图5为本发明所提供的用于衰减表面波的波屏障结构单胞能带结构图；
图6为本发明所提供的用于衰减表面波设计的波屏障结构透射谱图；
其中：1.贫铀；2.钢管层；3.橡胶层；4土壤。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明：具有低频超宽衰减域的波屏障结构单胞包括贫铀块(1)、钢管层(2)和橡胶层(3)。
首先，将贫铀块布置在核心位置，贫铀块核心为边长0.7m的正方体。
之后，在贫铀块(1)外部，包覆厚度为0.05m的钢管层(2)，并且使得钢管层内壁紧贴贫铀块。
在钢管层外部包覆一层厚度为0.1m的橡胶层(3)，并且使得橡胶层内壁紧贴钢管层(2)外壁。
贫铀块(1)、钢管层(2)和橡胶层(3)三者体心相互重合。
请参阅图2，具有低频超宽衰减域的波屏障结构，单胞中，贫铀块(1)为边长为0.7m的正方体；钢管层厚度为0.05m；橡胶层厚度为0.1m。
完成一个波屏障结构基本单元以后，将上述波屏障结构单胞布置在建筑周围，使得单胞上表面与地表平齐。重复上述步骤，制作的波屏障结构单胞数量至少可以沿建筑周围环向布置。相邻单胞形心之间的距离为1m，单胞靠近建筑一侧的表面距离建筑的距离最少为4m。布置位置请参阅图1。
兰姆波又被称为板波，通常在层状结构中传播。用于衰减兰姆波时，结构下方存在刚度几乎可以忽略的软质土或空气。而用于衰减表面波时，所设计的结构埋置在普通土壤中，结构下方有普通土壤，结构顶面与地表平齐。
具体材料参数为：
橡胶：密度ρ1＝1300kg/m3；杨氏模量E1＝1.02×105Pa；泊松比γ1＝0.47；
钢：密度ρ2＝7784kg/m3；杨氏模量E2＝2.07×1011Pa；泊松比γ2＝0.3；
贫铀：密度ρ3＝19100kg/m3；杨氏模量E3＝1.77×1011Pa；泊松比γ3＝0.25。
请参阅图3，其中，浅灰色区域为基于表面波计算的能带结构全带隙范围。能带结构计算发现，结构在0-14Hz范围内存在两条带隙。本发明所设计的周期性排列结构可以调控的衰减地震兰姆波区域内，发现在3.21-10.76Hz和 10.95-12.14Hz范围内存在两条较宽带隙。
请参阅图4，其中，浅灰色区域为基于兰姆波计算的透射谱衰减域。在距离地震超颖板结构10m处，当沿ΓX方向激发地震兰姆波时，通过计算本发明所设计的十排低频超宽衰减域地震超颖板结构的透射谱发现，两条衰减域分别位于3.2-10.7Hz和11.0-12.3Hz范围内。透射谱计算的衰减域与能带结构的全带隙基本重合
请参阅图5，其中，浅灰色区域为基于表面波计算的能带结构全带隙范围。能带结构计算发现，结构在0-14Hz范围内存在三条带隙。本发明所设计的周期性排列结构可以调控的衰减地震表面波区域内，三条全带隙分别位于 0-0.74Hz、3.97-10.72Hz和11.34-12.59Hz。
请参阅图6，其中，浅灰色区域为基于表面波计算的透射谱衰减域。在距离地震超颖板结构10m处，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超宽衰减域地震超颖板结构单胞的透射谱发现，三个衰减域分别位于0-0.8Hz、3.4-10.6Hz和11.0-13.7Hz。透射谱计算的衰减域与能带结构的全带隙基本重合。
综上所述，本发明所设计的一种具有低频超宽衰减域的波屏障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兰姆波和表面波，具有良好的隔震性能和保护建筑的作用。

Claims (8)

1.一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，其特征在于：该波屏障结构由结构单胞在同一在水平面内沿两个相互垂直的方向延拓组成，并设计在建筑物周边的地表下方，结构单胞包括贫铀块(1)、钢管层(2)和橡胶层(3)组成，贫铀块(1)为正方体，钢管层(2)包覆在贫铀块(1)外部，橡胶层(3)包覆在钢管层(2)外部。
2.根据权利要求1所述的一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，其特征在于：具有低频超宽衰减域的波屏障结构贫铀块(1)的边长为0.7m，钢管层厚度为0.05m，橡胶层厚度为0.1m。
3.根据权利要求1所述的一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，其特征在于：波屏障结构单胞沿同一水平面内两个相互垂直的方向不断延拓构成；布置在建筑周围的地表下方，结构顶面与地表平齐，在一定范围内沿建筑物环向布置，利用周期性结构的带隙特性，衰减3.21-10.76Hz和10.95-12.14Hz范围内的兰姆波以及0-0.74Hz、3.97-10.72Hz和11.34-12.59Hz范围内表面波。
4.根据权利要求1所述的一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，其特征在于：当地震兰姆波或表面波到达所设计波屏障结构后，波屏障结构单胞振动与土壤振动的竖直分量发生耦合，进而产生带隙，从而可以衰减特定范围内的地震兰姆波和表面波，保护建筑。
5.根据权利要求1所述的一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，其特征在于：贫铀块(1)为正方体结构，钢管层(2)包覆在贫铀块(1)外部，橡胶层(3)包覆在钢管层(2)外部。
6.根据权利要求1所述的一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，其特征在于：钢管层(2)介于贫铀块(1)和橡胶层(3)之间，钢管层(2)内壁紧密贴合贫铀块(1)，外壁紧密贴合橡胶层(3)内壁。
7.根据权利要求1所述的一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，其特征在于：所设计的具有低频超宽衰减域的波屏障结构采用不同材料制备。
8.根据权利要求1所述的一种具有低频超宽衰减域的波屏障结构，其特征在于：所设计的具有低频超宽衰减域的波屏障结构的材质包括贫铀、钢和橡胶；贫铀的密度ρ1＝19100kg/m3；杨氏模量E1＝1.77×1011Pa；泊松比γ1＝0.25；钢的密度ρ2＝7784kg/m3；杨氏模量E2＝2.07×1011Pa；泊松比γ2＝0.3；橡胶的密度ρ3＝1300kg/m3；杨氏模量E3＝1.02×105Pa；泊松比γ3＝0.47。
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