CN114606989B - 一种负泊松比-局部共振隔震结构及共振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负泊松比‑局部共振隔震结构及共振器，属于地震波隔震技术领域，包括顶部混凝土帽、第一负泊松比垫层、第二负泊松比垫层、钢柱、底部混凝土帽、混凝土封装箱，所述第一负泊松比垫层和第二负泊松比垫层均为负泊松比泡沫材质组成的构件。本发明优点为传统隔震屏障无法实现超低频地震波的隔离，本发明可得到超低频超宽频率带隙，对低频地震波的隔离具有很好的效果。此外，本发明利用负泊松比泡沫、混凝土、钢三种材料组成，三种材料参数不一，可充分利用其性质差异大特点，实现频率带隙的灵活调节。

Description

一种负泊松比-局部共振隔震结构及共振器

技术领域

本发明涉及地震波隔震技术领域，尤其涉及一种负泊松比-局部共振隔震结构及共振器。

背景技术

传统隔离地震波的措施是在波传播途中设置排桩、波阻板等隔震屏障以阻碍地震波的传播。但以往的隔震措施对高频地震波具有较好的隔振效果，却对低频地震波的隔离效果较差。

为解决传统隔震屏障难以隔离低频地震波的不足。本发明专利结合负泊松比超材料具有很好阻尼、吸能特性及局部共振型地震超材料可实现低频隔震的特点，提出一种负泊松比-局部共振型新型地震超材料结构。组成该新型超材料的负泊松比局部共振型共振器同时具有局部共振、阻尼及吸能特性，可得到超底超宽频率带隙，可实现超频地震波的隔离，减小地震波对建筑物的破坏，对保护人们生命及财产安全具有重要作用。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种负泊松比-局部共振隔震结构及共振器，通过结构自身的谐振特性与地震波中的Rayleigh波相互作用而产生低频带隙，当位于频率带隙范围内的面波传播至埋置于地表的负泊松比-局部共振型地震超材料时，面波将会转化为向下传播的体波，从而有效抑制低频共振现象，进而达到衰减低频地震波的目的，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种负泊松比-局部共振型共振器，包括顶部混凝土帽、第一负泊松比垫层、第二负泊松比垫层、钢柱、底部混凝土帽、混凝土封装箱，所述第一负泊松比垫层和第二负泊松比垫层均为负泊松比泡沫材质组成的构件，负泊松比泡沫具有很好阻尼、吸能特性，可实现低频隔震，负泊松比泡沫、混凝土、钢三种材料性能差异大，可充分利用其性能差异大特点，实现频率带隙的灵活调节。

在一个优选地实施方式中，所述顶部混凝土帽与底部混凝土帽均设置成长方体结构，所述顶部混凝土帽与底部混凝土帽结构尺寸大小相等设置，便于安装。

在一个优选地实施方式中，所述钢柱设置为实心圆柱体结构，所述钢柱半径与第一负泊松比垫层和第二负泊松比垫层的半径均相等设置，所述第一负泊松比垫层上端面与顶部混凝土帽的下端面相连接，所述第一负泊松比垫层下端面与钢柱的上端面相连接，成为一个联合体；所述第二负泊松比垫层的上端面与钢柱的下端面相连接，所述第二负泊松比垫层的下端面与底部混凝土帽的上端面相连接，成为一个联合体，使得安装后的第一负泊松比垫层、钢柱和第二负泊松比垫层结构整体呈现一体化，没有明显凸出或凹陷的部位。

在一个优选地实施方式中，所述混凝土封装箱设置成带有壁厚的空心长方体结构，所述混凝土封装箱外侧壁的横截面、顶部混凝土帽横截面和底部混凝土帽横截面形状均设置成正方形，并且混凝土封装箱外侧壁的正方形横截面尺寸与顶部混凝土帽正方形横截面尺寸和底部混凝土帽正方形横截面尺寸相等设置。

在一个优选地实施方式中，所述混凝土封装箱的壁厚设置成外侧壁正方形横截面边长的0.06倍，所述混凝土封装箱将内部结构封装并与顶部混凝土帽和底部混凝土帽形成一个整体。

在一个优选地实施方式中，还包括一种负泊松比-局部共振型新型隔震屏障，所述负泊松比-局部共振型新型隔震屏障由负泊松比局部共振型共振器周期性排列而形成，负泊松比局部共振型共振器埋置在土中，不能裸露在外界，充分利用负泊松比泡沫、混凝土、钢三种材料性能差异大特点，并结合结构自身的谐振特性与基体中弹性波相互作用而产生频率带隙，当位于频率带隙范围内的面波传播至埋置于地表的负泊松比-局部共振型新型地震超材料隔震屏障时，对建构筑物有害的面波将会转化为向下传播对建构筑物无害的体波，从而有效衰减低频地震波，进而达到减振的目的。

在一个优选地实施方式中，还包括一种安装方法，具体步骤如下：首先安装好底部混凝土帽，其次在底部混凝土帽上连接第二负泊松比垫层，之后，在第二负泊松比垫层上设置钢柱，然后在其正上方连接第一负泊松比垫层，再连接顶部混凝土帽，最后使用混凝土封装箱将上述内部结构进行封装并与顶部、低部混凝土帽形成一个整体。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、通过设置本发明设计的整体结构，与现有技术相比，本发明将所提出的负泊松比局部共振型超材料周期性地布置于既有建筑物周围地基表面，形成超材料隔震屏障，并利用结构自身的谐振特性与地震波中的Rayleigh波相互作用而产生低频带隙，当位于频率带隙范围内的面波传播至埋置于地表的负泊松比-局部共振型地震超材料时，面波将会转化为向下传播的体波，从而有效抑制建筑物低频共振现象，进而达到衰减低频地震波的目的。

2、通过组成构件的材质所存在的差异，根据材料本身的特性，与传统隔震屏障相比，其优点为传统隔震屏障无法实现超低频地震波的隔离，本发明可得到超低频超宽频率带隙，对低频地震波的隔离具有很好的效果。此外，本发明利用负泊松比泡沫、混凝土、钢三种材料组成，三种材料参数不一，可充分利用其性质差异大特点，实现频率带隙的灵活调节。

附图说明

图1为本发明所提出的一种负泊松比-局部共振型新型共振器结构示意图；

图2为本发明所提出的一种负泊松比-局部共振型新型共振器结构内部主视图；

图3为本发明所提出的一种负泊松比-局部共振型新型共振器结构俯视图；

图4为本发明所提出的一种负泊松比-局部共振型新型隔震屏障示意图；

图5为本发明所提出的一种负泊松比-局部共振型新型共振器结构局部共振频散曲线图。

图6为本发明中所处的一种用于衰减低频地震波的负泊松比-局部共振型新型隔震屏障示意图。

图中：1、第一混凝土帽；2、第一负泊松比垫层；3、钢柱；4、第二负泊松比垫层；5、第二混凝土帽；6、混凝土封装箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如附图1-6所示，本实施例提供一种负泊松比-局部共振型共振器，包括顶部混凝土帽1、第一负泊松比垫层2、第二负泊松比垫层4、钢柱3、底部混凝土帽5、混凝土封装箱6六部分组成，首先安装好底部混凝土帽5，其次在底部混凝土帽5上连接第二负泊松比垫层4，之后，在第二负泊松比垫层4上设置钢柱3，然后在其正上方连接第一负泊松比垫层2，再连接顶部混凝土帽1，最后使用混凝土封装箱6将上述内部结构进行封装并与顶部混凝土帽1、底部混凝土帽形成一个整体。

参照图1-3，顶部混凝土帽1和底部混凝土帽5的尺寸相等，两者均为a:b:c＝1.7m:1.7m:0.3m；第一负泊松比垫层2和第二负泊松比垫层4半径与钢柱3横截面半径相等设置，均为r＝0.5m；第一负泊松比垫层2和第二负泊松比垫层4厚度相等设置，两者均为t＝0.1m；钢柱3高度h＝1.7m。混凝土封装箱6外侧壁长方体结构的尺寸为长:宽:高＝1.7m:1.7m:1.9m，其壁厚为0.1m。

具体的，负泊松比泡沫密度120kg/m³、杨氏模量E＝2.5×10⁴pa、泊松比为μ＝-0.8；混凝土密度ρ＝2500kg/m³、杨氏模量E＝4×10¹⁰pa、泊松比μ＝0.2；钢柱3密度ρ＝7800kg/m³、杨氏模量E＝2.1×10¹¹pa、泊松比μ＝0.3。

参照图5，该图是对一种负泊松比-局部共振型新型共振器结构进行数值模拟仿真，以上述材料参数并添加Floquet周期性边界条件与设置参数在布里渊区上扫描进行计算得到的频散曲线，图5中竖直模拟结构上下两根横线之间形成的区域是本申请设计的结构所打开的带隙，带隙的范围0.42-18.27Hz，通常地震波的频率范围为0.1-20Hz，所以该结构能够有效的针对低频地震波的衰减，将多个本发明设计的整体结构周期性的分布在地表上，进而构成本发明一种用于衰减地震波的负泊松比-局部共振型新型隔震屏障，参照图4，说明本发明对低频地震波的衰减非常有效。

参考图5，图中的另外两条线，一条点划线、一条直线分别代表地震所产生的剪切波波速和瑞利波波速，此处两条线的意义就在于，图中剪切波波速线和瑞利波波速线左半部分为对既有建筑物有害的面波，两条线的右半部分为对地面建筑物无害的体波。本图充分说明了本发明设计的整体结构可衰减频率为0.42-18.27Hz下的地震波。

实施例2

参照说明书附图1-6，本实施例提出了一种负泊松比-局部共振型新型共振器，并将其周期性布置在地基中得到隔震屏障，负泊松比-局部共振型共振器包括顶部混凝土帽1、第一负泊松比泡沫垫层2、钢柱3、第二负泊松比泡沫垫层4、底部混凝土帽5、混凝土封装箱6，负泊松比-局部共振型新型隔震屏障，是将负泊松比局部共振型共振器周期性地排列形成地震超材料隔震屏障。

负泊松比-局部共振型地震超材料，当地震波中Rayleigh波经过该超材料时由于局部共振作用会产生低频带隙，位于带隙内的Rayleigh波经过超材料时会转化为向下传播的体波而起到隔震效果。

第一负泊松比垫层2和第二负泊松比垫层4均为实心圆柱体结构，并且半径和厚度相等设置，半径均为r，厚度均为t；

钢柱3为实心圆柱体结构，其半径与第一负泊松比垫层2和第二负泊松比垫层4相等设置，钢柱3高度设置为h；

顶部混凝土帽1和底部混凝土帽5都是长方体结构，两者的结构尺寸均为长:宽:高＝a:b:c；

第一负泊松比垫层2上端面与顶部混凝土帽1的下端面相连接，第一负泊松比垫层2下端面与钢柱3的上端面相连接，成为一个联合体；第二负泊松比垫层4的上端面与钢柱3的下端面相连接，第二负泊松比垫层4的下端面与底部混凝土帽5的上端面相连接，成为一个联合体，使得安装后的第一负泊松比垫层2、钢柱3和第二负泊松比垫层4结构整体呈现一体化，没有明显凸出或凹陷的部位。

实施例3

本实施例提供一种负泊松比-局部共振型共振器的安装方法，具体步骤为：首先安装好底部混凝土帽5，其次在底部混凝土帽5上连接第二负泊松比垫层4，之后，在第二负泊松比垫层4上设置钢柱3，然后在其正上方连接第一负泊松比垫层2，再连接顶部混凝土帽1，最后使用混凝土封装箱6将上述内部结构进行封装并与顶部、低部混凝土帽形成一个整体。

本发明工作原理：如图6所示，本发明的工作原理为，当地震发生时，地震所产生的能量带来的Rayleigh波传播到一种用于衰减地震波的负泊松比-局部共振型新型超材料隔振屏障上，由于其谐振作用产生的0.42-18.27Hz带隙，当地震波的频率在此带隙范围内，就会被禁止传播，进而对地震所产生的面波转化为体波，使得地震波不能对既有建构筑物产生危害，最后达到衰减低频地震波的作用。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种负泊松比-局部共振型共振器，其特征在于：包括顶部混凝土帽（1）、第一负泊松比垫层（2）、第二负泊松比垫层（4）、钢柱（3）、底部混凝土帽（5）、混凝土封装箱（6）；

所述第一负泊松比垫层（2）上端面与顶部混凝土帽（1）的下端面相连接，所述第一负泊松比垫层（2）下端面与钢柱（3）的上端面相连接，成为一个联合体；

所述第二负泊松比垫层（4）的上端面与钢柱（3）的下端面相连接，所述第二负泊松比垫层（4）的下端面与底部混凝土帽（5）的上端面相连接，成为一个联合体；

所述混凝土封装箱（6）设置成带有壁厚的空心长方体结构，所述混凝土封装箱（6）外侧壁的横截面、顶部混凝土帽（1）横截面和底部混凝土帽（5）横截面形状均设置成正方形，并且混凝土封装箱（6）外侧壁的正方形横截面尺寸与顶部混凝土帽（1）正方形横截面尺寸和底部混凝土帽（5）正方形横截面尺寸相等设置。

2.根据权利要求1所述的一种负泊松比-局部共振型共振器，其特征在于：所述顶部混凝土帽（1）与底部混凝土帽（5）均设置成长方体结构，所述顶部混凝土帽（1）与底部混凝土帽（5）结构尺寸大小相等设置。

3.根据权利要求1所述的一种负泊松比-局部共振型共振器，其特征在于：所述钢柱（3）设置为实心圆柱体结构，所述钢柱（3）半径与第一负泊松比垫层（2）和第二负泊松比垫层（4）的半径均相等设置。

4.根据权利要求1所述的一种负泊松比-局部共振型共振器，其特征在于：所述混凝土封装箱（6）的壁厚设置成外侧壁正方形横截面边长的0.06倍，所述混凝土封装箱（6）将内部结构封装并与顶部混凝土帽（1）和底部混凝土帽（5）形成一个整体。

5.根据权利要求1所述的一种负泊松比-局部共振型共振器，其特征在于：所述第一负泊松比垫层（2）和第二负泊松比垫层（4）均为负泊松比泡沫材质组成的构件。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种负泊松比-局部共振型共振器，其特征在于：还包括一种负泊松比-局部共振型隔震屏障，所述一种负泊松比-局部共振型隔震屏障由负泊松比局部共振型共振器周期性排列而形成。

7.根据权利要求6所述的一种负泊松比-局部共振型共振器，其特征在于，还包括一种安装方法，具体步骤如下：首先安装好底部混凝土帽（5），其次在底部混凝土帽（5）上连接第二负泊松比垫层（4），之后，在第二负泊松比垫层（4）上设置钢柱（3），然后在其正上方连接第一负泊松比垫层（2），再连接顶部混凝土帽（1），最后使用混凝土封装箱（6）将内部结构进行封装并与顶部、低部混凝土帽形成一个整体。

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