CN113389295A - 一种组合型钢式地震表面波屏障结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合型钢式地震表面波屏障结构及其制作方法，所涉及组合型钢式地震表面波屏障结构主要由组合型钢式地震表面波屏障结构单胞在水平面内两个相互垂直的方向延拓组成，而组合型钢式地震表面波屏障结构单胞主要由十字型钢(1)和H型钢(2)组成，最后将其按照特定顺序布置在土壤层(3)上方，结构构造简单。组合型钢式地震表面波屏障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，通过改变组合型钢的长度、厚度、高度和间距等几何参数与密度、弹性模量等材料参数，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

一种组合型钢式地震表面波屏障结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种低频减震地震表面波屏障结构，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
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。全世界每年发生数百万次地震，其中震级为5.0级及以上的地震次数超过1000次。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。低频地震表面波频率在0.1-20Hz范围内，大量震害表明，对建筑物产生较大影响的地震表面波其频率在2Hz左右。采用传统抗震方法很难衰减上述频段内的低频表面波，而且传统抗震方法对大震也是是低效的。最近，固体物理领域研究的周期性地震波屏障，又被称为地震超材料，为控制和衰减低频表面波，保护建筑提供了新的研究思路。周期性地震波屏障是一种人工设计的周期性排列结构，具有带隙特性。频率落在带隙范围内的地震波到达周期性地震波屏障后将会被衰减甚至隔绝。
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，更有利于周期性地震波屏障的应用，但其产生的带隙通常较窄。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，同时其应用性也较低。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！本发明借鉴周期性地震波屏障控制地震波的机理，采用不同形式的型钢组成组合型钢式地震表面波屏障，实现对低频地震表面波的控制和衰减。
发明内容
本发明所设计的一种组合型钢式地震表面波屏障结构涉及一种用于衰减低频地震表面波的组合型钢式地震波屏障。其目的是为了提供一种衰减地震表面波的装置、保护建筑、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组合型钢式地震表面波屏障结构。
本发明涉及的一种组合型钢式地震表面波屏障结构，该地震表面波屏障结构由组合型钢式波屏障结构单胞在水平面内沿两个相互垂直的方向延拓组成，并设计在建筑物周边。组合型钢式地震表面波屏障结构单胞由十字型钢(1)和H型钢(2)组成。将十字型钢(1)和H型钢(2)预制好后，通过焊接等工艺手段组装在一起，之后将组合好的组合型钢布置在建筑周边的土壤层(3)上方。
组合型钢式地震表面波屏障结构中，十字型钢部分长度为1.2m，厚度为0.1m，高度10m。H型钢部分腹板位置长度为0.6m，翼缘部分长度为0.4m，厚度均为0.1m，高度均为10m。两个相邻单胞形心之间的间距均为2m。
本发明所设计的组合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：
一种组合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水平面内两个相互垂直的方向不断延拓构成。布置于建筑周边，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，衰减频率位于0.43-2.73Hz和8.97-16.33Hz两个频段范围内地震表面波，保护建筑免受特定频段地震表面波的危害。
当地震表面波到达所设计的组合型钢式波屏障后，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，从而使周期性结构产生带隙，频率落在带隙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。
组合型钢式地震表面波屏障结构单胞由十字型钢(1)和H型钢(2)组成。将十字型钢(1)和H型钢(2)按照本发明所设计形式组合后，将其布置在土壤层(3)上方。
一个结构单胞中的四个H型钢(2)形心位置到十字型钢(1)形心的距离均相等。
本发明所设计的组合型钢式地震表面波屏障结构主要涉及两种不同材料。
本发明所设计的组合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)尺寸较小，易于实现。布拉格散射型地震表面波屏障主要依赖结构周期性，同时结构尺寸与地震波波长尺寸相近。而地震波波长可以达到十几米甚至上百米。而本发明所设计的组合型钢结构，其单胞的晶格常数仅为2m，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，同时具有良好的带隙特性。
2)全带隙范围较宽，且在大部分建筑共振基频范围内。已有研究表明，大部分建筑物的共振基频在2Hz左右，而本发明所设计的组合型钢式地震表面波屏障结构可以有效控制和衰减频率位于0.43-2.73Hz和8.97-16.33Hz范围内的地震表面波，保护共振基频位于上述范围内的各种建筑。
3)可以应用于不同环境的不同建筑。本发明所设计的组合型钢式地震表面波屏障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，通过改变组合型钢的长度、厚度、高度和间距等几何参数与密度、弹性模量等材料参数，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。
4)材料常见，本发明所设计的组合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。
5)所设计的型钢式地震表面波屏障结构可以兼具不同用途。除了对0.43-2.73Hz和8.97-16.33Hz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0.43-2.73Hz和8.97-16.33Hz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。
6)结构简单。本发明所涉及组合型钢式地震表面波屏障结构主要由组合型钢式地震表面波屏障结构单胞在水平面内两个相互垂直的方向延拓组成，而组合型钢式地震表面波屏障结构单胞主要由十字型钢(1)和H型钢(2)组成，最后将其按照特定顺序布置在土壤层(3)上方，结构构造简单。
附图说明
图1为本发明所提供的组合型钢式地震表面波屏障布置示意图；
图2为本发明所提供的组合型钢式地震表面波屏障结构单胞示意图；
图3为本发明所提供的组合型钢式地震表面波屏障结构单胞俯视图；
图4为本发明所提供的组合型钢式地震表面波屏障能带结构图；
图5为本发明所提供的当沿ΓХ方向激发地震表面波时，十排组合型钢式波屏障单胞结构所组成的地震表面波屏障透射谱；
其中：1.十字型钢；2.H型钢；3.土壤层；4.建筑物。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明：组合型钢式地震表面波屏障结构单胞包括十字型钢(1)和H型钢(2)。
首先，将两块钢板通过工艺手段焊接成十字型钢(1)，并将其布置在核心位置。组成十字型钢的两块钢板长度均为1.2m，厚度为0.1m，高度为10m。
之后，在十字型钢(1)的四个顶端位置，分别依次焊接H型钢。H型钢腹板长度为0.6m，翼缘长度为0.4m，厚度为0.1m，高度为10m。
将十字型钢(1)和H型钢(2)按照特定形式组合好后，将其布置在建筑周围的土壤层(3)上方。
四个H型钢(2)各自形心位置距离十字型钢(1)的形心相等。
请参阅图2和图3，组合型钢式地震表面波屏障结构单胞是由十字型钢和H型钢通过焊接等工艺手段组合以后，按照特定顺序布置在建筑周围的土壤层(3)上方。组成十字型钢的两块钢板长度均为1.2m。H型钢腹板长度为0.6m，翼缘长度为0.4m。两种型钢厚度均为0.1m，高度均为10m。
完成一个组合型钢式地震表面波屏障结构单胞后，将上述地震表面波屏障结构单胞布置于建筑周边。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，两个相邻单胞的形心间距均为2m。布置位置请参阅图1。
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，浅灰色区域为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0.43-2.73Hz范围内，带隙宽度为2.3Hz。第二条全带隙位于8.97-16.33Hz范围内，带隙宽度为7.36Hz。
请参阅图5，其中，浅灰色区域为本发明所设计的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20m处，当沿ΓX方向激发地震表面波时，通过计算本发明所设计的由十排组合型钢式波屏障结构单胞所组成的地震表面波屏障透射谱发现，在0.1-20Hz范围内存在两个明显衰减域，第一衰减域位于0.40-2.80Hz范围内，第二衰减域位于8.16-16.67Hz范围内，这与上述能带结构的全带隙范围基本重合。能带结构和透射谱计算结果的相互佐证表明，本发明所设计的组合型钢式地震表面波屏障结构可以有效控制和衰减频率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组合型钢式地震表面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表面波，具有良好的减震性能和保护建筑的作用。

Claims (8)

1.一种组合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组合型钢式波屏障结构单胞在水平面内沿两个相互垂直的方向延拓组成，并设计在建筑物周边；组合型钢式地震表面波屏障结构单胞由十字型钢(1)和H型钢(2)组成；将十字型钢(1)和H型钢(2)预制好后，通过焊接等工艺手段组装在一起，之后将组合好的组合型钢布置在建筑周边的土壤层(3)上方。
2.根据权利要求1所述的一种组合型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：组合型钢式地震表面波屏障结构中，十字型钢部分长度为1.2m，厚度为0.1m，高度10m；H型钢部分腹板位置长度为0.6m，翼缘部分长度为0.4m，厚度均为0.1m，高度均为10m；两个相邻单胞形心之间的间距均为2m。
3.根据权利要求1所述的一种组合型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：所设计的组合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所述的一种组合型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：布置于建筑周边，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，衰减频率位于0.43-2.73Hz和8.97-16.33Hz两个频段范围内地震表面波，保护建筑免受特定频段地震表面波的危害。
5.根据权利要求1所述的一种组合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组合型钢式波屏障后，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，从而使周期性结构产生带隙，频率落在带隙范围内的地震表面波无法通过所设计结构。
6.根据权利要求1所述的一种组合型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：将十字型钢(1)和H型钢(2)按照本发明所设计形式组合后，将其布置在土壤层(3)上方。
7.根据权利要求1所述的一种组合型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：一个结构单胞中的四个H型钢(2)形心位置到十字型钢(1)形心的距离均相等。
8.根据权利要求1所述的一种组合型钢式地震表面波屏障结构，其特征在于：所设计的组合型钢式地震表面波屏障结构的材质包括钢和土壤；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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