CN114703906B - 一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可同时隔离体波及面波的新型超材料隔震屏障置，属于土木工程环境隔震技术领域，包括可同时隔离体波及面波的新型超材料结构，所述超材料结构包括交叉十字形钢柱、第一负泊松比垫片、第二负泊松比垫片、第三负泊松比垫片、第四负泊松比垫片、第一混凝土盖、第二混凝土盖、第三混凝土盖和第四混凝土盖。本发明实现灵活打开低频频率带隙，与传统隔震屏障相比，传统隔震屏障只能实现将面波中对地表建筑物危害最大的Rayleigh波转化成体波，进而实现对Rayleigh波的隔离，本发明可同时对地表既有建筑物危害最大的Rayleigh波和既有地下建筑物危害大的体波同时进行隔离，并且可以得到比传统隔震屏障更低的超宽频率带隙。

Description

一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置
技术领域
本发明涉及土木工程环境隔震技术领域，尤其涉及一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置。
背景技术
我国是地震频发的国家，50％的国土面积位于Ⅶ度以上的地震烈度区域。地震波包含纵波、横波及Rayleigh波，其中纵波与横波为体波，传播方向与振动方向一致，是对既有地下建筑物危害最大的一种波；而Rayleigh波为面波，振动方向与椭圆形传播形态方向垂直，是对既有地表建筑物危害最大的一种波。而以往的隔震屏障仅考虑对面波或体波其中一种波进行隔离，而没有考虑同时对面波和体波进行隔离，以致隔震效果不佳。
为此，我们提出了一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置来解决上述问题，结合负泊松比(NPR)超材料具有很好阻尼、吸能特性及局部共振型共振器的谐振特性，提出一种可同时隔离纵波及体波的超材料隔震屏障。具体为将NPR材料与局部共振超材料结合形成NPR局部共振型超材料结构，并将其交叉布置，实现同时对体波及面波的隔离。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障置，同时隔离地震波中对既有地表建筑物危害最大的Rayleigh波与往地下深处传播对既有地下建筑物有危害的体波，可将对既有地表与地下建筑物危害较大的Rayleigh波及体波，尤其是低频Rayleigh波及体波进行隔离，进而对地表与地下既有建筑物的保护，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：一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障置，包括可同时隔离体波及面波的超材料结构，所述超材料结构包括交叉十字形钢柱、第一负泊松比垫片、第二负泊松比垫片、第三负泊松比垫片、第四负泊松比垫片、第一混凝土盖、第二混凝土盖、第三混凝土盖和第四混凝土盖。
在一个优选地实施方式中，所述可同时隔离体波及面波的超材料结构的数量设置成若干个，若干个可同时隔离体波及面波的超材料结构呈现矩形阵列分布。
在一个优选地实施方式中，所述可同时隔离体波及面波的超材料结构的数量设置为36个，所述超材料结构横向6列，纵向6列地布置组成，并布置于既有地表和地下建筑物地表上。
在一个优选地实施方式中，所述超材料结构采用人造晶体超材料NPR，可同时隔离体波及面波的超材料结构由人造晶体超材料负泊松比泡沫、钢筋混凝土、碳素钢三种材料组成。
在一个优选地实施方式中，所述交叉十字形钢柱采用优质碳素钢制成，所述交叉十字形钢柱为两根规格和材料相同的实心钢柱结构构成，其中一根钢柱设置在竖直方向上，另一根钢柱设置在水平方向上，两根钢柱的中点位置处相交。
在一个优选地实施方式中，所述第一混凝土盖、第二混凝土盖、第三混凝土盖、第四混凝土盖均为尺寸规格都相同的长方体结构，钢筋混凝土其抗裂性能，调节温度性能，粘结性能非常优良，可以更好的接收地震的波能量，并且在周期性的组合而成隔振屏障，使每个超材料结构整体连接性能，传递性能更加紧密。
在一个优选地实施方式中，所述交叉十字形钢柱中两根分别处于竖直方向和水平方向的钢柱半径相等设置，并且与第一负泊松比垫片、第二负泊松比垫片、第三负泊松比垫片和第四负泊松比垫片的半径也相等设置，交叉十字形钢柱材质为优质的碳素钢，可以很好的接收地震波传递过来的能量并不产生大变形进而使整体结构失稳。
在一个优选地实施方式中，所述第二负泊松比垫片、第四负泊松比垫片的竖直方向的两个面，一面与交叉十字形钢柱的水平轴的垂直方向面连接，另一面分别与垂直方向的第四混凝土盖、第二混凝土盖相连接；第一负泊松比垫片、第三负泊松比垫片的水平方向两个面，一面与交叉十字形钢柱的竖直轴的垂直方向面连接，另一面分别与水平方向第一混凝土盖、第三混凝土盖相连接，成为一个联合体。
在一个优选地实施方式中，所述第一混凝土盖、第二混凝土盖、第三混凝土盖、第四混凝土盖通过周期性的组合生成隔振屏障。
在一个优选地实施方式中，还包括一种超材料隔震屏障装置的安装方法，具体步骤如下：首先设置第三混凝土盖，其次在第三混凝土盖上连接第三负泊松比垫片，之后，在第三负泊松比垫片上安装交叉十字形钢柱，然后在其正上方连接第一负泊松比垫片，再连接第一混凝土盖，其次在交叉十字形钢柱的左边安装第四负泊松比垫片，并在交叉十字形钢柱的右边安装第二负泊松比垫片，最后在第四负泊松比垫片左边连接第二混凝土盖，并在第二负泊松比垫片的右边连接第四混凝土盖，进而使全部构件形成一个联合体。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、通过本发明设计的整体结构，与现有技术相比，将可同时隔离体波及面波的超材料结构周期性的布置在既有地表或地下建(构)筑物周围地表形成一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障，本发明可同时隔离体波及面波的超材料结构与地震波相互作用，打开低频超宽带隙，当位于此带隙频率范围内的地震波作用在一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障时，隔震屏障将此频率范围内的低频Rayleigh波与体波全部隔离，从而达到衰减低频地震波的目的，进而保护了地表与地下的既有建(构)筑物。
2、充分利用本发明所组成的三种性能特点不同的材料钢、NPR泡沫、混凝土，实现灵活打开低频频率带隙，与传统隔震屏障相比，传统隔震屏障只能实现将地震波中对既有地表建筑物危害最大的Rayleigh波中转化的体波，进而实现对Rayleigh波隔离，本发明可同时将对地表既有建筑物危害最大的Rayleigh波和既有地下建筑物危害较大体波进行隔离，并且可以得到比传统隔震屏障更低的超宽频率带隙。
附图说明
图1为本发明所提出的可同时隔离体波及面波的超材料结构主视图；
图2为本发明所提出的可同时隔离体波及面波的超材料结构俯视图；
图3为本发明所提出的一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障示意图；
图4为可同时隔离体波及面波的超材料结构与一种负泊松比-局部共振型新型共振器结构局部共振频散曲线图。
图中：1、交叉十字形钢柱；2、第一负泊松比垫片；3、第二负泊松比垫片；4、第三负泊松比垫片；5、第四负泊松比垫片；6、第一混凝土盖；7、第二混凝土盖；8、第三混凝土盖；9、第四混凝土盖。
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1-4所示的一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置，包括可同时隔离体波及面波的超材料结构，超材料结构包括交叉十字形钢柱1、第一负泊松比垫片2、第二负泊松比垫片3、第三负泊松比垫片4、第四负泊松比垫片5、第一混凝土盖6、第二混凝土盖7、第三混凝土盖8和第四混凝土盖9。
具体的，超材料结构周期性得布置于既有地表和地下建筑物地表上，可以同时隔离对既有地表建筑物有害的面波和既有地下建筑物有害的体波并可以有低频带隙特点。
进一步的，超材料结构采用人造晶体超材料NPR，可同时隔离体波及面波的超材料结构由人造晶体超材料负泊松比泡沫、钢筋混凝土、碳素钢三种材料组成。
值得说明的是，交叉十字形钢柱1采用优质碳素钢制成，交叉十字形钢柱1为两根规格和材料相同的实心钢柱结构构成，其中一根钢柱设置在竖直方向上，另一根钢柱设置在水平方向上，两根钢柱的中点位置处相交。
值得注意的是，第一混凝土盖6、第二混凝土盖7、第三混凝土盖8、第四混凝土盖9均为尺寸规格都相同的长方体结构，钢筋混凝土其抗裂性能，调节温度性能，粘结性能非常优良，可以更好的接收地震的波能量，并且在周期性的组合而成隔振屏障，使每个超材料结构整体连接性能，传递性能更加紧密。
除此之外，交叉十字形钢柱1中两根分别处于竖直方向和水平方向的钢柱半径相等设置，并且与第一负泊松比垫片2、第二负泊松比垫片3、第三负泊松比垫片4和第四负泊松比垫片5的半径也相等设置，交叉十字形钢柱1材质为优质的碳素钢，可以很好的接收地震波传递过来的能量并不产生大变形进而使整体结构失稳。
不得不说的是，所述第二负泊松比垫片3、第四负泊松比垫片5的竖直方向的两个面，一面与交叉十字形钢柱1的水平轴的垂直方向面连接，另一面分别与垂直方向的第四混凝土盖9、第二混凝土盖7相连接；第一负泊松比垫片2、第三负泊松比垫片4的水平方向两个面，一面与交叉十字形钢柱1的竖直轴的垂直方向面连接，另一面分别与水平方向第一混凝土盖6、第三混凝土盖8相连接，成为一个联合体。
更进一步的，第一混凝土盖6、第二混凝土盖7、第三混凝土盖8、第四混凝土盖9通过周期性的组合生成隔振屏障。
实施例2
参照说明书附图1-4,本实施例提供一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置，由同时隔离体波及面波的超材料结构包括交叉十字形钢柱1、第一负泊松比垫片2、第二负泊松比垫片3、第三负泊松比垫片4、第四负泊松比垫片5、第一混凝土盖6、第二混凝土盖7、第三混凝土盖8、第四混凝土盖9九部分组成，首先设置第三混凝土盖8，其次在第三混凝土盖8上连接第三负泊松比垫片4，之后，在第三负泊松比垫片4上安装交叉十字形钢柱1，然后在其正上方连接第一负泊松比垫片2，再连接第一混凝土盖6，其次在交叉十字形钢柱1的左边和右边分别安装好第四负泊松比垫片5与第二负泊松比垫片3，最后在第四负泊松比垫片5与第二负泊松比垫片3的左边和右边连接第二混凝土盖7和第四混凝土盖9进而使全部构件形成一个联合体。
参照图1-2，本实施例中部分结构由第一负泊松比垫片2、第二负泊松比垫片3、第三负泊松比垫片4和第四负泊松比垫片5组成，每个负泊松比垫片的尺寸均为半径r＝0.15m，厚度t＝0.1m；交叉十字形钢柱1中竖直方向上和水平面方向上的钢柱的尺寸为：半径r＝0.15m，高度h＝1.16m；第一混凝土盖6、第二混凝土盖7、第三混凝土盖8、第四混凝土盖9，每个混凝土盖的尺寸均为，长度a：宽度b：深度c＝0.6m：0.6m：0.17m；负泊松比垫片中材料密度120kg/m3、杨氏模量2.5×104Pa、泊松比μ＝-0.8；混凝土密度ρ＝2500kg/m3、杨氏模量E＝4×1010Pa、泊松比μ＝0.28；钢柱密度ρ＝7850kg/m3、杨氏模量E＝2.1×1011Pa、泊松比μ＝0.28。
参照图4，本实施例提供可同时隔离体波及面波的超材料结构与一种负泊松比-局部共振型新型共振器结构同时进行软件模拟计算得到的频散曲线对比图。其中图4左半部分区域是可同时隔离体波及面波的超材料结构所打开的带隙，其带隙范围为0.08-17.83Hz，另外右半部分是一种负泊松比-局部共振型新型共振器结构所打开的带隙，其带隙的范围0.1-18.27Hz，通过对比左半部分区域与右半部分区域可以知道右半部分频散图中一条点划线、一条直线分别代表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地下建筑物有害的体波，两条线的右边为对既有地表建筑物有害的面波，再看本发明的频散图就可以看出，本发明可以同时隔离对既有地表建筑物有害的面波和既有地下建筑物有害的体波，通过对比更加可以说明本发明对低频地震波中的面波和体波隔离非常有效。
实施例3
参照说明书附图1-4,本实施例提供一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障置，由同时隔离体波及面波的超材料结构组成，具体包括交叉十字形钢柱1、第一负泊松比垫片2、第二负泊松比垫片3、第三负泊松比垫片4、第四负泊松比垫片5、第一混凝土盖6、第二混凝土盖7、第三混凝土盖8和第四混凝土盖9。
安装时，首先设置第三混凝土盖8，其次在第三混凝土盖8上连接第三负泊松比垫片4，之后，在第三负泊松比垫片4上安装交叉十字形钢柱1，然后在其正上方连接第一负泊松比垫片2，再连接第一混凝土盖6，其次在交叉十字形钢柱1的左边和右边分别安装好第四负泊松比垫片5与第二负泊松比垫片3，最后在第四负泊松比垫片5与第二负泊松比垫片3的左边和右边连接第二混凝土盖7和第四混凝土盖9进而使全部构件形成一个联合体。
本发明工作原理：当地震波辐射到一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障上，由于可同时隔离体波及面波的超材料结构谐振作用产生的带隙，在此带隙范围内的对既有地表建筑物有害的面波和既有地下建筑物有害的体波就会被同时隔离，进而达到低频地震波隔振效果。
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 (5)

1.一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置，包括可同时隔离体波及面波的超材料结构，其特征在于：所述超材料结构包括交叉十字形钢柱（1）、第一负泊松比垫片（2）、第二负泊松比垫片（3）、第三负泊松比垫片（4）、第四负泊松比垫片（5）、第一混凝土盖（6）、第二混凝土盖（7）、第三混凝土盖（8）和第四混凝土盖（9）；
所述交叉十字形钢柱（1）采用优质碳素钢制成，所述交叉十字形钢柱（1）为两根规格和材料相同的实心钢柱结构构成，其中一根钢柱设置在竖直方向上，另一根钢柱设置在水平方向上，两根钢柱的中点位置处相交；
所述第一混凝土盖（6）、第二混凝土盖（7）、第三混凝土盖（8）、第四混凝土盖（9）均为尺寸规格都相同的长方体结构；
所述交叉十字形钢柱（1）中两根分别处于竖直方向和水平方向的钢柱半径相等设置，并且与第一负泊松比垫片（2）、第二负泊松比垫片（3）、第三负泊松比垫片（4）和第四负泊松比垫片（5）的半径也相等设置；
所述第二负泊松比垫片（3）、第四负泊松比垫片（5）的竖直方向的两个面，一面与交叉十字形钢柱（1）的水平轴的垂直方向面连接，另一面分别与垂直方向的第四混凝土盖（9）、第二混凝土盖（7）相连接；第一负泊松比垫片（2）、第三负泊松比垫片（4）的水平方向两个面，一面与交叉十字形钢柱（1） 的竖直轴的垂直方向面连接，另一面分别与水平方向第一混凝土盖（6）、第三混凝土盖（8）相连接，成为一个联合体；
所述可同时隔离体波及面波的超材料结构的数量设置成若干个，若干个可同时隔离体波及面波的超材料结构呈现矩形阵列分布。
2.根据权利要求1所述的一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置，其特征在于：所述可同时隔离体波及面波的超材料结构的数量设置为36个，所述超材料结构横向6列，纵向6列地布置组成，并布置于既有地表和地下建筑物地表上。
3.根据权利要求1所述的一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置，其特征在于：所述可同时隔离体波及面波的超材料结构采用人造晶体超材料NPR。
4.根据权利要求1所述的一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置，其特征在于：所述第一混凝土盖（6）、第二混凝土盖（7）、第三混凝土盖（8）、第四混凝土盖（9）通过周期性的组合生成隔振屏障。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种可同时隔离体波及面波的超材料隔震屏障装置，其特征在于：还包括一种超材料隔震屏障装置的安装方法，具体步骤如下：首先设置第三混凝土盖（8），其次在第三混凝土盖（8）上连接第三负泊松比垫片（4），之后，在第三负泊松比垫片（4）上安装交叉十字形钢柱（1），然后在其正上方连接第一负泊松比垫片（2），再连接第一混凝土盖（6），其次在交叉十字形钢柱（1）的左边安装第四负泊松比垫片（5），并在交叉十字形钢柱（1）的右边安装第二负泊松比垫片（3），最后在第四负泊松比垫片（5）左边连接第二混凝土盖（7），并在第二负泊松比垫片（3）的右边连接第四混凝土盖（9），进而使全部构件形成一个联合体。
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