CN114635515B - 一种具有超低频减震特性的地震超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有超低频减震特性的地震超材料，属于建筑物抗震领域。本发明的地震超材料由若干个地震超材料单胞按照正方形晶格沿二维延展周期排列构成。该地震超材料的单胞是由钢芯作为散射体，钢芯每个面的中轴处粘贴与其等高的泡沫板。具有超低频减震特性的关键在于钢芯和粘贴泡沫板组成的地震超材料可以产生局域共振，且泡沫板作为基体的填充率较小，进而产生超低频的带隙。利用该带隙特性对0～22Hz的地震兰姆波进行有效的衰减与屏蔽，从而达到减震以及保护建筑物的作用，被证明具有很强的新颖性和实用性。
Description
技术领域
本发明涉及通过设计地震超材料的胞元结构和材料来调控地震超材料所产生的带隙，并提出了一种具有超低频减震特性的地震超材料，属于建筑物抗震领域。
背景技术
地震以及其所引发的次生灾害会造成极大的破坏性，造成大量的财产损失和人员伤亡。究其根本是地震引起了建筑物的破坏和倒塌。我国的地震活动表现为震源浅、分布广、频度高和强度大。我国现阶段的减震、隔震技术以单一应用为主且应用形式创新性不足，且抗震减震的思路大多为利用阻尼器来减少建筑结构主体的振动，亦或是加强建筑的局部结构的刚度。
声子晶体产生的带隙可以衰减或屏蔽弹性波在一定频率范围内的传播。因此近年来声子晶体作为“超材料”受到了众多学者广泛的关注和研究，声子晶体是一种人工设计的周期结构介质材料，通过对声子晶体局部结构和材料的设置，可以做到对声子晶体带隙的调控，而经过设计的声子晶体所产生的带隙可用于相关地震波的频率相对应，这种声子晶体被称为“地震超材料”。
受此启发，大量研究者从设防建筑或结构本身的抗震设想转变为在设防建筑或结构周围布设地震超材料，利用地震超材料的带隙特性对地震波进行衰减或屏蔽，减少或消除地震波对设防建筑或结构造成的影响，同时降低了抗震设防的成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有地震超材料的不足，如尺寸过大、实用性低、造价过高、带隙起始频率过高等问题，提出了一种新型的地震超材料单胞结构，在设防建筑或结构周围布设地震超材料，利用地震超材料的带隙特性对地震波进行衰减或屏蔽，减少或消除地震波对设防建筑或结构造成影响，保护建筑或结构在地震灾害中受到的损害，具有比传统地震超材料更好的带隙特性。
本发明采用的技术方案为：一种具有超低频减震特性的地震超材料，所述地震超材料由若干个地震超材料单胞按照正方形晶格沿两个水平特定方向周期排列构成，所述地震超材料单胞是局域共振结构，能够产生超低频带隙(0～22Hz)；
所述地震超材料单胞包括散射体和基体，由钢芯作为散射体，泡沫板作为基体，所述钢芯每个面的中轴处粘贴与其等高的泡沫板，利用其带隙特性，将所述地震超材料埋置于被保护的建筑周围地表，从而对0～22Hz的地震兰姆波进行衰减与屏蔽。
作为优选，所述钢芯的材料参数为：密度ρ1＝7850kg/m3，杨氏模量E1＝ 2.10×1011Pa，泊松比μ1＝0.3；泡沫板的材料参数为：密度ρ2＝1053kg/m3，杨氏模量E2＝1.50×106Pa，泊松比μ2＝0.39。
作为优选，所述地震超材料单胞的晶格常数a＝2m。
作为优选，所述地震超材料散射体钢芯宽度c和晶格常数a的关系满足：0.85 ＞c/a＞0.6。
作为优选，所述地震超材料散射体钢芯厚度t与晶格常数a的关系满足：0.45 ＞t/a＞0.2。
作为优选，所述地震超材料基体泡沫板厚度d与晶格常数a的关系满足：0.6 ＞d/a＞0.1。
作为优选，所述地震超材料基体泡沫板宽度e与晶格常数a的关系满足：0.2 ＞e/a＞0.075。
作为优选，所述地震超材料单胞的高度h与晶格常数a的关系满足：1＞h/a ＞0.25。
作为优选，所述地震超材料散射体钢芯竖直投影面积S1与基体泡沫板竖直投影面积S2的关系满足：8.44＞S1/S2＞2.5。
本发明其具有超低频减震特性的关键在于钢芯和粘贴泡沫板构成的地震超材料可以产生局域共振，且泡沫板作为基体的填充率较小，进而产生超低频的带隙，利用该带隙特性对0～22Hz的地震兰姆波进行有效的衰减与屏蔽，从而达到减震以及保护建筑物的作用。在满足钢芯和泡沫板形成局域共振体系的前提下，适当降低泡沫板作为基体的填充率，可以使其在0～22Hz这一频率段内形成更宽和下界频率更低频的带隙，从而达到更优良的带隙特性。
有益效果：本发明提出的地震超材料具有更小的晶格常数(a＝2m)，但却能在0～22Hz形成更加低频和更宽的带隙，达到现大多10m体量级地震超材料不能达到的优良带隙特性，可以针对建筑物整体以及部分重点结构进行地震超材料的设防布置。本发明设计的地震超材料具有小尺寸和超低频宽带隙的特点，建造成本极大减小，能够更好地满足实际应用的需求。
附图说明
图1为本发明实施例中地震超材料单胞结构示意图；
图2为本发明实施例中地震超材料单胞结构俯视图；
图3a为本发明实施例中地震超材料布置在被保护结构或建筑物周围的示意图；
图3b为本发明实施例中地震超材料布置在被保护结构或建筑物周围的示意图；
图4为本发明实施例中地震超材料针对地震波解耦后兰姆波的能带图；
图5为本发明实施例中地震超材料针对地震波解耦后兰姆波的透射谱；
图6为本发明实施例中地震超材料的结构图；
图中：1.钢芯，2.泡沫板，3.被保护的建筑，4.地震超材料。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明做进一步描述：
如图1-6所示，一种具有超低频减震特性的地震超材料，所述地震超材料4 由若干个地震超材料单胞按照正方形晶格沿两个水平特定方向周期排列构成，所述地震超材料单胞是局域共振结构，能够产生超低频带隙(0～22Hz)；
所述地震超材料单胞包括散射体和基体，由钢芯1作为散射体，泡沫板2 作为基体，所述钢芯1每个面的中轴处粘贴与其等高的泡沫板2，利用其带隙特性，将所述地震超材料4埋置于被保护的建筑3周围地表，从而对0～22Hz的地震兰姆波进行衰减与屏蔽。
所述地震超材料单胞的晶格常数a＝2m；
所述地震超材料钢芯1宽度c和晶格常数a的关系满足：0.85＞c/a＞0.6；
所述地震超材料钢芯1厚度t与晶格常数a的关系满足：0.45＞t/a＞0.2；
所述地震超材料泡沫板2厚度d与晶格常数a的关系满足：0.6＞d/a＞0.1；
所述地震超材料泡沫板2宽度e与晶格常数a的关系满足：0.2＞e/a＞0.075；
所述地震超材料单胞的高度h与晶格常数a的关系满足：1＞h/a＞0.25；
所述地震超材料钢芯1竖直投影面积S1与泡沫板(基体)2竖直投影面积S2的关系满足：8.44＞S1/S2＞2.5；
具体材料参数为：
钢芯：密度ρ1＝7850kg/m3，杨氏模量E1＝2.10×1011Pa，泊松比μ1＝0.3；
泡沫板：密度ρ2＝1053kg/m3，杨氏模量E2＝1.50×106Pa，泊松比μ2＝ 0.39；
本发明实例中地震超材料4在0～22Hz区间内存在带隙，第一带隙为2.414～10.221Hz，第二带隙为10.226～12.197Hz，第三带隙为12.927～21.857Hz。在该带隙区域，地震波会受到衰减或屏蔽，从而使得被保护的建筑3或结构不会受到地震波带来的影响。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种具有超低频减震特性的地震超材料，其特征在于，所述地震超材料由若干个地震超材料单胞按照正方形晶格沿两个水平特定方向周期排列构成，所述地震超材料单胞是局域共振结构，能够产生超低频带隙；
所述地震超材料单胞包括散射体和基体，由钢芯作为散射体，泡沫板作为基体，所述钢芯每个面的中轴处粘贴与其等高的泡沫板，利用其带隙特性，将所述地震超材料埋置于被保护的建筑周围地表，从而对0～22Hz的地震兰姆波进行衰减与屏蔽；
所述钢芯的材料参数为：密度ρ1＝7850kg/m3，杨氏模量E1＝2.10×1011Pa，泊松比μ1＝0.3；泡沫板的材料参数为：密度ρ2＝1053kg/m3，杨氏模量E2＝1.50×106Pa，泊松比μ2＝0.39；
所述地震超材料单胞的晶格常数a＝2m；
所述地震超材料散射体钢芯宽度c和晶格常数a的关系满足：0.85＞c/a＞0.6；
所述地震超材料散射体钢芯厚度t与晶格常数a的关系满足：0.45＞t/a＞0.2；
所述地震超材料基体泡沫板厚度d与晶格常数a的关系满足：0.6＞d/a＞0.1；
所述地震超材料基体泡沫板宽度e与晶格常数a的关系满足：0.2＞e/a＞0.075；
所述地震超材料单胞的高度h与晶格常数a的关系满足：1＞h/a＞0.25；
所述地震超材料散射体钢芯竖直投影面积S1与基体泡沫板竖直投影面积S2的关系满足：8.44＞S1/S2＞2.5。
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