CN114703904A - 一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，该地震超颖板结构单胞在被保护建筑结构基础所在平面内沿基础周围周期性排列，在基础周围5m远左右距离形成环形地震波屏障，利用该地震超颖板结构的带隙特性，主要对0‑13Hz内的地震兰姆波进行控制和衰减，从而达到对建筑物及其附属设施的地震防护作用。本发明利用周期结构的带隙特性，由于波在通过本发明所涉及的地震超颖结构时，带隙频段内的波会被衰减，因此能有效地降低被保护建筑结构的在地震来临时的动力响应。根据被保护建筑的共振频率以及基础附件的地质条件等，可对本发明所述地震超颖板结构的相关几何、材料参数以及单胞围绕基础的布置形式进行调整，抗震效益高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，涉及结构控制中的基础隔震技术领域。
背景技术
地震是由地壳板块碰撞释放能量产生地震波并造成地面震动的一种自然现象。由于其随机突发性，强烈的地震往往会给人类带来灾难性的后果，造成土木建筑结构的倒塌破坏、大量的人员伤亡，导致城市的瘫痪并带来巨大的经济财产损失。
传统的抗震设计方法通常采用延性结构体系对建筑结构进行设计改造，依靠建筑结构本身抵抗地震作用，但利用建筑结构的自身构件变形来消耗地震能量不能满足人们对建筑结构日益严苛的功能需求。
地震超材料是指由人工设计的、对特定频率范围内地震波具有衰减控制作用的周期结构，属于被动控制系统的基础隔震领域。通过对传向被保护建筑结构的地震波进行控制和衰减，减小结构的地震动响应，从而实现被保护建筑结构及其附属设施的地震防护。
现有相关技术中，大量研究集中在屏蔽对建筑物具有强烈破坏作用的面波上，而对屏蔽兰姆波的地震超材料研究较少。兰姆波是在一定特殊地质环境下产生的板波，在一些地震记录中，兰姆波是对建筑结构造成破坏的主导因素。本发明设计的一种内凹六边形截面地震超颖板结构，可以在13Hz内产生较宽带隙，主要针对带隙频率范围内的兰姆波。
发明内容
本发明设计提供了一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，能够有效的控制和衰减频率在带隙范围内的地震兰姆波。
本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，不与被保护建筑结构直接接触，设置在被保护建筑结构基础周围，形成环形屏障，衰减基础所在平面内从各个方向传播过来的地震兰姆波。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明涉及一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，该地震超颖板结构单胞在被保护建筑结构基础所在平面内沿基础周围周期性排列，在基础周围5m远左右距离形成环形地震波屏障，利用该地震超颖板结构的带隙特性，主要对0-13Hz内的地震兰姆波进行控制和衰减，从而达到对建筑物及其附属设施的地震防护作用。
本发明涉及一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，由多个周期性排列的地震超颖结构单胞构成，所述地震超颖板结构的结构单胞包括铅芯(1)和拉胀泡沫块(2)两部分，所述铅芯截面呈内凹六边形，内凹的两部分均有向外伸出的支撑，中部存在内凹六边形空腔，所述拉胀泡沫块外围呈立方体，内部存在空腔，所述铅芯位于所述拉胀泡沫块空腔内，所述拉胀泡沫块通孔形状与所述铅芯的外围形状相匹配，所述铅芯与所诉拉胀泡沫块具有相同的几何中心，接触面紧密贴合，且上下表面齐平。
所述铅芯(1)的内凹六边形截面是双轴对称结构，最外围尺寸为3.6m，厚度为0.4m，内部的锐角为60°，内凹处向外伸出的支撑外侧与同侧两锐角角点在同一直线上，所述铅芯(1)高度为4m。所述拉胀泡沫块(2)外围呈立方体，立方体边长为4m。铅芯(1)选用工业用铅，拉胀泡沫块(2)利用普通泡沫材料制造。
在本发明涉及的一种地震超颖板结构单胞中，铅芯(1)内部设有一内凹六边形截面空腔，所述空腔贯穿所述铅芯(1)在高度方向上的两个表面。
在本发明涉及的一种地震超颖板结构单胞中，拉胀泡沫块(2)内部设有一空腔，所述空腔截面形状与铅芯(1)内凹六边形截面外围形状相同，且所述空腔贯穿所述拉胀泡沫块(2)在高度方向上的两个表面。
在本发明涉及的一种地震超颖板结构单胞中，所述铅芯(1)及其内部空腔、所述拉胀泡沫块(2)及其内部空腔在高度方向上具有相同的中轴线。
在本发明涉及的一种地震超颖板结构单胞中，所述铅芯(1)的高度与所述拉胀泡沫块(2)的边长相等。
在本发明涉及的一种地震超颖板结构单胞中，所述铅芯(1)与所述拉胀泡沫块(2)的接触面紧密贴合，所述铅芯(1)与所述拉胀泡沫块(2)的上下表面齐平。
参照附图1和附图2，本发明所设计的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构由铅和拉胀泡沫两种材料制备。其中，铅的密度ρ1＝11343.7kg/m3；杨氏模量E1＝1.7×1010Pa；泊松比γ1＝0.42；拉胀泡沫的密度ρ2＝120kg/m3；杨氏模量E2＝2.5×104Pa；泊松比γ2＝-0.8。
与传统的抗震方式和其他已知的隔震减震方法相比，本发明在地震防护方面至少具备以下优势：
1)本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，主要是利用周期结构的带隙特性，由于波在通过本发明所涉及的地震超颖结构时，带隙频段内的波会被衰减，因此能有效地降低被保护建筑结构的在地震来临时的动力响应。
2)本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构的带隙范围在0-13Hz，带隙范围包含了大部分建筑工程的共振基频，说明本发明所涉及该地震超颖结构所保护的对象局限性小，应用对象广泛。
3)本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构不设置在建筑结构上，而是对地震波传播途径的控制，当地震来临时，地震波经过本发明所涉及的地震超颖板结构，带隙频率范围内的地震波将被所述结构衰减，从而有效降低地震波对共振频率在带隙范围内的建筑结构的破坏作用。
4)本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，制作流程简单，可重复批量生产。
5)本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，制作所需的工业材料来源广泛方便获取，对被保护建筑结构的地震防护作用大，经济效益高。
6)本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构应用灵活性高，根据被保护建筑的共振频率以及基础附件的地质条件等，可对本发明所述地震超颖板结构的相关几何、材料参数以及单胞围绕基础的布置形式进行调整，抗震效益高。
附图说明
图1为本发明所设计的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构单胞。
图2为本发明所设计的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构单胞俯视图。
图3为本发明所提供的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构频散曲线图。
图4为本发明所提供的基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构单胞所组成的地震超颖板结构透射谱。
其中：1.铅芯；2.拉胀泡沫块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行更全面的描述。
本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构单胞由铅芯(1)、拉胀泡沫块(2)两部分构成。
第一步，制作铅芯(1)的铸铅模具，参照附图1和附图2，铅芯(1)的内凹六边形截面内部四个锐角均为60°，厚度为0.4m，外围尺寸为3.6m，高度为4m。
向铸铅模具中浇铸铅液得到内凹六边形截面铅芯(1)，铸铅模具可以反复使用，重复浇铸成型步骤得到所需数目的铅芯(1)。铅芯采用工业用铅。
第二步，将普通聚氨酯泡沫按照拉胀泡沫的制造方法流程制成拉胀泡沫，用泡沫切割机切割成所需的拉胀泡沫块(2)的形状。参照附图1和附图2，拉胀泡沫块(2)外围呈立方体，立方体边长为4m，内部存在空腔，所述空腔截面形状与铅芯(1)内凹六边形截面外围形状相同。重复拉胀泡沫的制作及切割步骤得到所需数目的拉胀泡沫块(2)。
之后，将铅芯(1)与拉胀泡沫块(2)组合，铅芯(1)与拉胀泡沫块(2)的接触面紧密贴合，铅芯(1)与拉胀泡沫块(2)的上下表面齐平，且高度方向上的中轴线重合。
重复上述组合步骤，得到设计所需的地震超颖板结构单胞数目，环向布置在被保护建筑结构基础周围，间隔基础5m左右的位置。
本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构埋置在被保护建筑结构基础周围的土层中，结构上表面与地表齐平。
具体材料参数为：
铅：密度ρ1＝11343.7kg/m3；杨氏模量E1＝1.7×1010Pa；泊松比γ1＝0.42；
拉胀泡沫：密度ρ2＝120kg/m3；杨氏模量E2＝2.5×104Pa；泊松比γ2＝-0.8。
附图3中显示了本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构的频散曲线图。本发明所涉及地震超颖板结构的全带隙由图中浅灰色阴影区域示出，共两条全带隙，第一条全带隙范围：1.43Hz-10.98Hz，第二条全带隙范围：11.14Hz-12.46Hz，计算得带隙总宽度为10.87Hz。可以看到浅灰色阴影区域所示的全带隙范围内没有相应的波矢，表明地震兰姆波在该区域沿平面内任何方向都无法传播。
附图4中显示了本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构的透射谱。有限元模拟计算模型采用8×10排本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构的结构单胞，为了模拟兰姆波入射，在距离结构20m远处的完美匹配层和均质土壤之间的平面上沿x和y方向均施加一个位移荷载。图中浅灰色阴影区域显示的是附图3中频散曲线得到的全带隙范围，不难看出两者结果的一致性，表明本发明所述地震超颖板结构对13Hz以下带隙范围内的地震兰姆波具有控制和衰减作用。
综上所述，本发明所涉及的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构对13Hz以下超宽带隙范围内的地震兰姆波具有控制和衰减作用。同时，本发明所涉及的该地震超颖板结构具有结构简单，方便制造加工，利于批量生产等优点。本发明所涉及的该地震超颖板结构为低频区地震兰姆波的防护提供了新思路。
Claims (7)
1.一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，其特征在于：由多个周期性排列的地震超颖结构单胞构成，所述地震超颖板结构的结构单胞包括铅芯(1)和拉胀泡沫块(2)两部分，所述铅芯截面呈内凹六边形，内凹的两部分均有向外伸出的支撑，中部存在内凹六边形空腔，所述拉胀泡沫块外围呈立方体，内部存在空腔，所述铅芯位于所述拉胀泡沫块空腔内，所述拉胀泡沫块通孔形状与所述铅芯的外围形状相匹配，所述铅芯与所诉拉胀泡沫块具有相同的几何中心，接触面紧密贴合，且上下表面齐平。
2.根据权利要求1所述的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，其特征在于：所述铅芯(1)的内凹六边形截面是双轴对称结构，最外围尺寸为3.6m，厚度为0.4m，内部的锐角为60°，内凹处向外伸出的支撑外侧与同侧两锐角角点在同一直线上，所述铅芯(1)高度为4m；所述拉胀泡沫块(2)外围呈立方体，立方体边长为4m；铅芯(1)选用工业用铅，拉胀泡沫块(2)利用普通泡沫材料制造。
3.根据权利要求1所述的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，其特征在于：铅芯(1)内部设有一内凹六边形截面空腔，所述空腔贯穿所述铅芯(1)在高度方向上的两个表面。
4.根据权利要求1所述的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，其特征在于：拉胀泡沫块(2)内部设有一空腔，所述空腔截面形状与铅芯(1)内凹六边形截面外围形状相同，且所述空腔贯穿所述拉胀泡沫块(2)在高度方向上的两个表面。
5.根据权利要求1所述的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，其特征在于：所述铅芯(1)及其内部空腔、所述拉胀泡沫块(2)及其内部空腔在高度方向上具有相同的中轴线。
6.根据权利要求1所述的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，其特征在于：所述铅芯(1)的高度与所述拉胀泡沫块(2)的边长相等。
7.根据权利要求1所述的一种基于兰姆波的内凹六边形截面地震超颖板结构，其特征在于：所述铅芯(1)与所述拉胀泡沫块(2)的接触面紧密贴合，所述铅芯(1)与所述拉胀泡沫块(2)的上下表面齐平。
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