CN113389293A - 一种逆梯度十字型钢式波屏障结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种逆梯度十字型钢式波屏障结构及制作方法，该十字型钢式地震表面波屏障结构的单胞主要由十字型钢(1)和土壤(2)组成。将不同高度的十字型钢(1)预制好，之后将其按高度从大到小，从远离建筑一侧逐渐向建筑所在方向依次布置在土壤层(2)上方。通过改变十字型钢结构的截面尺寸和材料特性等因素，改变和调整衰减域的位置和宽度，用于保护不同地区的多种建筑。本发明所涉及逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构主要由逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构单胞按高度从大到小逐渐递减的逆梯度排列顺序组成，将上述不同高度的单胞结构预制完成后，按照逆梯度顺序布置在土壤层上方，结构构造简单。

Description

一种逆梯度十字型钢式波屏障结构及制作方法
技术领域
本发明涉及一种逆梯度十字型钢式波屏障结构，是对地震表面波有良好控制和衰减作用的新结构。
背景技术
地震是最具灾难性的自然灾害之一，它会对建筑物造成广泛的破坏，并导致环境、经济和社会的破坏。全世界每年都会发生数百万次地震，这严重影响着人民群众的生命和财产安全。当地震发生时，地震波从地下深处的震源传播，并携带巨大的能量向各个方向发射，这可能会对民用建筑造成重大破坏。传统的抗震设计主要集中在结构本身的抗震设计上，对结构的刚度、强度和延性要求很高。此外，在过去的几十年里，隔震和消能减震也得到了广泛的研究。一般来说，这些设计方法都是为了提高结构本身的抗震性能。然而，这些设计对于处理大地震引起的结构变化是无效的。近年来，周期性波屏障结构的发展提供了一种新的方法，它可以在一定的频率范围内显著降低地震波能量来保护建筑结构，特别是在0.1-20Hz的范围内，这相当于许多民用建筑的共振基频。这些周期性波屏障结构具有天然材料所没有的非凡的特性。
按照周期性地震波屏障产生带隙的机理可以分为布拉格散射型周期性地震波屏障和局域共振型周期性地震波屏障。前者结构尺寸与地震波波长相近，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，更有利于周期性地震波屏障的应用，但其产生的带隙通常较窄。上述两种类型的周期性波屏障结构都存在不同问题，这限制了其广泛应用。因此，发明一种结构简单、适应性强、具有广泛应用特性，并且可以有效控制和衰减低频地震表面波的结构，对保护古建筑、核电站和炼油厂，以及城市居民区建筑都具有十分重要意义！本发明借鉴周期性地震波屏障控制地震波的机理，采用逆梯度排列的特定顺序，布置不同高度的十字型钢式波屏障结构，实现对低频地震表面波的衰减。
发明内容
本发明所设计的一种逆梯度十字型钢式波屏障结构涉及一种具有逆梯度排列性质且用于衰减低频地震表面波的十字型钢式地震波屏障。其目的是为了提供一种衰减地震表面波的装置、保护建筑、有效减少地震灾害、减小建筑灾后修复和维护成本的十字型钢式地震表面波屏障结构。
本发明涉及的一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，该地震表面波屏障结构由十字型钢式波屏障结构单胞高度从远离建筑一侧逐渐向建筑所在方向递减，高度从十米以相同倾斜角逐渐递减至一米，呈逆梯排列，布置在建筑周边。十字型钢式地震表面波屏障结构单胞主要由十字型钢(1)和土壤(2)组成。将不同高度的十字型钢(1)预制好，之后将其按高度从大到小，从远离建筑一侧逐渐向建筑所在方向依次布置在土壤层(2)上方。
十字型钢式地震表面波屏障结构中，腹板部分长度为1.0m，翼缘部分长度为0.6m，厚度均为0.1m，高度从10m开始，以0.3m为公差，逐渐递减至1m。高度为1m的十字型钢式波屏障结构单胞距离建筑最近，其距离为10m。两个相邻单胞结构形心之间的间距均为2m。
本发明所设计的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构布置在建筑周边，沿建筑物环向布置，距离建筑物最近的水平距离10m。本发明所设计的逆梯度排列单胞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：
一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，由所设计的地震表面波屏障结构单胞沿高度方向从高到低，以等梯度递减排列构成。布置在建筑周边的地表上方，在一定范围内沿建筑环向布置，利用梯度排列结构的带隙特性，衰减频率位于2.1-24Hz范围内的地震表面波，保护建筑免受特定频率范围内的地震表面波的危害。
当地震表面波到达所设计的逆梯度十字型钢式波屏障结构后，由于土壤和上部结构之间阻抗不同，在结构与土壤层交接处和结构顶部都会产生振动，从而使梯度排列结构产生带隙，频率落在衰减域范围内的地震表面波无法通过所设计结构。因此，可以控制和衰减特定频段的地震表面波，保护结构。
逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构单胞由十字型钢(1)和土壤层(2)组成。将相同截面尺寸，不同高度十字型钢(1)预支完成后，按照从高到低的逆梯度排列顺序，将其布置在土壤层(3)上方。
相邻单胞结构之间的形心距离均为2m。靠近建筑一侧的单胞结构距建筑10m。
本发明所设计的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构主要涉及两种不同材料。
本发明所设计的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构的材质包括钢和土壤。请参阅图2和图3，其中，钢的密度ρ1＝7784kg/m3；杨氏模量E1＝2.07×1011Pa；泊松比γ1＝0.3；土壤层的密度ρ2＝1300kg/m3；杨氏模量E2＝2×107Pa；泊松比γ2＝0.3。
与布拉格散射型周期性波屏障结构相比，本发明具有以下优点：
1)尺寸相对较小。布拉格散射型波屏障结构主要依赖于结构的周期性，而用于控制和衰减地震波时，其结构尺寸往往在十几米甚至几十米。这大大限制了用这种结构保护特殊建筑的应用范围。而本发明所设计的逆梯度十字型钢式波屏障结构，其单胞的晶格常数仅为2m，这与布拉格散射型结构相比，尺寸相对更小，更易于实现。
2)应用范围广。本发明所设计的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构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，通过改变十字型钢结构的截面尺寸和材料特性等因素，改变和调整衰减域的位置和宽度，用于保护不同地区的多种建筑。
3)具有超宽衰减域特性。与常见周期性排列不同，本发明所设计的逆梯度排列结构采用高度逐渐减小的特定排列方式，这比周期性排列具有更宽的衰减域，能够控制2.1-24Hz范围内的地震表面波。
4)能够兼具不同用途。除了对2.1-24Hz范围内的地震表面波具有有效控制和衰减作用外，对出现在2.1-24Hz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效果。
5)结构简单。本发明所涉及逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构主要由逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构单胞按高度从大到小逐渐递减的逆梯度排列顺序组成，将上述不同高度的单胞结构预支完成后，按照逆梯度顺序布置在土壤层上方，结构构造简单。
6)材料常见，本发明所设计的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，所用材料主要为钢，也可以用铝和铜代替。而土壤也是常见的砂土。这些材料在建筑施工过程中较为常见，且容易获得。
附图说明
图1为本发明所提供的十字型钢式地震表面波屏障结构单胞示意图；
图2为本发明所提供的十字型钢式地震表面波屏障结构单胞俯视图；
图3为本发明所提供的十字型钢式地震表面波屏障结构能带结构图；
图4为本发明所提供的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障布置示意图；
图5为本发明所提供的当激发地震表面波时，逆梯度十字型钢式波屏障结构透射谱；
其中：1.十字型钢；2.土壤层。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明：逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构单胞包括十字型钢(1)和土壤(2)。
首先，将建筑周边的土壤换成具有特定材料性质的土壤(2)，并将建筑周边场地清理后，压实整平。
请参阅图1和图2，预制一批十字型钢(1)，每个十字型钢截面尺寸相同，腹板长度为1m，翼缘长度为0.6m，厚度均为0.1m。高度从1m开始，以0.3m为公差，逐渐增加至10m，共31根。
上述十字型钢式波屏障结构预支完成后，按照从高到低的逆梯度顺序，将其分别布置在建筑周边。从10m开始，以0.3m为公差，逐渐降低至1m，倾斜角为tanα＝3/20。高度为1m的十字型钢波屏障结构靠近建筑的最小距离为10m。相邻单胞结构的距离均为2m。
请参阅图4，逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构单胞预支完成后，按照从高到低的特定顺序布置在建筑周围的土壤层(2)上方。组成十字型钢的钢板腹板长度为1m，翼缘长度为0.6m，厚度均为0.1m，高度从10m开始，以0.3m公差逐渐递减至1m。
重复上述步骤，制作地震表面波屏障结构单胞数量至可以沿建筑周围环向布置，两个相邻十字型钢式波屏障结构单胞的形心间距均为2m。布置方式请参阅图4。
具体材料参数为：
钢：密度ρ1＝7784kg/m3；杨氏模量E1＝2.07×1011Pa；泊松比γ1＝0.3；
土壤：密度ρ2＝1800kg/m3；杨氏模量E2＝2×107Pa；泊松比γ2＝0.3。
请参阅图5，其中，浅灰色区域表示高度为10m的十字型钢式周期性波屏障结构能带结构的全带隙范围。能带结构计算发现，结构在0.1-20Hz范围内存在两条带隙。第一条全带隙位于0.37-0.46Hz范围内，带隙宽度为0.9Hz。第二条全带隙位于9.27-16.37Hz范围内，带隙宽度为7.1Hz。
请参阅图5，其中，浅灰色区域为本发明所设计的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构透射谱的衰减域。在距离地震表面波屏障10m处，当激发地震表面波时，通过计算本发明所设计的高度为10m的周期性波屏障结构透射谱发现，在0.1-20Hz范围内存在两个明显衰减域，第一衰减域位于0.3-0.5Hz范围内，第二衰减域位于8.8-18.5Hz范围内，这与上述能带结构的全带隙范围基本重合。而逆梯度排列的十字型钢式地震表面波屏障结构其衰减域位于2.1-24Hz，相比于周期性排列，逆梯度排列具有更宽的衰减域，同时对5.58-10.6Hz地震表面波具有更强的衰减性。
能带结构与周期性排列透射谱计算结果的相互佐证，以及周期性排列与逆梯度排列的相互比较表明，本发明所设计的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构可以有效控制和衰减超宽频率范围内的地震表面波。
综上所述，本发明所设计的一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构具有低频超宽带隙特性，从而可以有效控制和衰减超宽带隙频率范围内的地震表面波，具有良好的隔震性能和保护建筑的作用。

Claims (9)

1.一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：该地震表面波屏障结构由十字型钢式波屏障结构单胞高度从远离建筑一侧逐渐向建筑所在方向递减，高度从十米以相同倾斜角逐渐递减至一米，呈逆梯排列，布置在建筑周边；十字型钢式地震表面波屏障结构单胞由十字型钢(1)和土壤(2)组成；将不同高度的十字型钢(1)预制好，之后将其按高度从大到小，从远离建筑一侧逐渐向建筑所在方向依次布置在土壤层(2)上方。
2.根据权利要求1所述的一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：十字型钢式地震表面波屏障结构中，腹板部分长度为1.0m，翼缘部分长度为0.6m，厚度均为0.1m，高度从10m开始，以0.3m为公差，逐渐递减至1m；高度为1m的十字型钢式波屏障结构单胞距离建筑最近，其距离为10m；两个相邻单胞结构形心之间的间距均为2m。
3.根据权利要求1所述的一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：所设计的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构布置在建筑周边，沿建筑物环向布置，距离建筑物最近的水平距离10m；所设计的逆梯度排列单胞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所述的一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：布置在建筑周边的地表上方，在一定范围内沿建筑环向布置，利用梯度排列结构的带隙特性，衰减频率位于2.1-24Hz范围内的地震表面波，保护建筑免受上述特定频率范围内的地震表面波的危害。
5.根据权利要求1所述的一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：当地震表面波到达所设计的逆梯度十字型钢式波屏障结构后，由于土壤和上部结构之间阻抗不同，在结构与土壤层交接处和结构顶部都会产生振动，从而使梯度排列结构产生带隙，频率落在衰减域范围内的地震表面波无法通过所设计结构；控制和衰减特定频段的地震表面波，保护结构。
6.根据权利要求1所述的一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构单胞由十字型钢(1)和土壤层(2)组成；将相同截面尺寸，不同高度十字型钢(1)预制完成后，按照从高到低的逆梯度排列顺序，将其布置在土壤层(3)上方。
7.根据权利要求1所述的一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：相邻单胞结构之间的形心距离均为2m；靠近建筑一侧的单胞结构距建筑10m。
8.根据权利要求1所述的一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：所设计的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构主要涉及两种不同材料。
9.根据权利要求1所述的一种逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：所设计的逆梯度十字型钢式地震表面波屏障结构的材质包括钢和土壤；其中，钢的密度ρ1＝7784kg/m3；杨氏模量E1＝2.07×1011Pa；泊松比γ1＝0.3；土壤层的密度ρ2＝1300kg/m3；杨氏模量E2＝2×107Pa；泊松比γ2＝0.3。
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