CN218176217U - 一种井字组合型钢地震超材料结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种井字组合型钢地震超材料结构，包括减震体，减震体设置在建筑物的四周，减震体由若干个结构单胞沿平面内x、y方向对称延拓而成，相邻的结构单胞的形心间距为2m，结构单胞包括组合型钢结构和土壤层，组合型钢结构包括钢板一和钢板二，组合型钢结构的下部设置有土壤层，四个钢板一设置为井字形，钢板二设置在钢板一的端头，三个钢板二设置为工字形。本实用新型采用上述结构的一种井字组合型钢地震超材料结构，基于局域共振原理，利用其带隙特性对地震波进行特定频率范围内的衰减，通过周期性排列在建筑物周边，能够有效的在地震波到达目标保护建筑物之前进行衰减，实现低成本抗震。

Description

一种井字组合型钢地震超材料结构

技术领域

本实用新型涉及地震减震材料结构技术领域，尤其是涉及一种井字组合型钢地震超材料结构。

背景技术

地震是最具破坏力的自然灾害之一，其产生携带着巨大能量的地震波从震源传播到地面附近，对建筑物产生巨大的破坏作用，严重威胁人们的生命和财产安全。早期的建筑物传统抗震设计主要是通过减震消能或设置隔振支座等方式实现，但其存在明显弊端：减震隔振装置耐久性较差，使用寿命较短，难以更换维修。对于传统古建筑物难以实现上述抗震措施，而对于目前结构形式复杂的大型建筑，传统的抗震措施难以满足其抗震要求，因此设计一种有效且经济的防震结构十分必要。

考虑到上述问题，近年来提出的地震超材料结构为结构抗震设计提供了新的思路，通过研究结构本身的抗震设计转为在建筑物周围设置周期性波屏障结构，在一定程度上将地震波抑制或衰减至地震波屏障处，从而达到保护目标建筑物的目的。

地震超材料是一种人工设计的周期排列结构，具有带隙特性，处于带隙频率范围内的地震波无法通过该结构。地震瑞利波属于表面波，具有振幅大、频率低等特点，而传统建筑的共振基频较低，一般属于瑞利波的频率范围内，因此对结构的危害极大。因此可设计一种具有低频带隙特性的周期性波屏障结构实现对低频瑞利波的抑制和衰减。周期性波屏障属于地震超材料，根据其调节原理可以分为布拉格散射机制和局域共振机制，其中布拉格散射机制产生的带隙频率所对应的波长与晶格常数处在同一量级，因此基于布拉格散射机制设计的结构尺寸过大，难以实现广泛应用；局域共振机制则具有“小尺寸控制大波长”的特点，但由于其带隙较窄，难以实现频率的大范围衰减。因此本发明旨在设计一种基于局域共振机制的低频宽带隙地震超材料结构，进而能够有效的控制地震波的衰减，达到抗震目的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种井字组合型钢地震超材料结构，其成本低、效果强、适用范围广、具有低频减震特性，以解决现有减震结构无法控制地震波的衰减的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种井字组合型钢地震超材料结构，包括减震体，减震体设置在建筑物的四周，减震体由若干个结构单胞沿平面内x、y方向对称延拓而成，相邻的结构单胞的形心间距为2m，结构单胞包括组合型钢结构和土壤层，组合型钢结构包括钢板一和钢板二，组合型钢结构的下部设置有土壤层，四个钢板一设置为井字形，钢板二设置在钢板一的端头，三个钢板二设置为工字形。

优选的，钢板一的长度为1.6m，钢板一的厚度为0.1m，钢板一的高度为10m。

优选的，钢板二的长度为0.4m，钢板二的厚度为0.01m，钢板二的高度为10m。

优选的，组合型钢结构和土壤层的交界面与地面平齐设置。

因此，本实用新型采用上述结构的井字组合型钢地震超材料结构，具有以下有益效果：

1、本实用新型采用此种结构能够多角度、全方位、分层次的衰减地震波从而保护目标建筑物。地震超材料结构周期性排列布置在建筑物周围，可以有效衰减各个方向传来的地震表面波，甚至对目标建筑物后方区域的建筑物也有保护作用；

2、本实用新型适用范围广泛，可兼具不同用途。该结构不仅可用于抗震，还可应用于衰减因地下作业、轨道施工、隧道开挖、大型振动设备的使用等情况下所产生的振动；

3、本实用新型的组成材料易于获得，成本低。该结构由钢板和土壤组成，两种材料都属于建筑施工过程中常用的材料，价格低且易获得，尤其适用于此类结构体量较大，材料消耗较多的工程，且该结构便于更换维修。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型一种井字组合型钢地震超材料结构实施例的减震体部分结构示意图；

图2为本实用新型一种井字组合型钢地震超材料结构实施例的结构单胞位置示意图；

图3为本实用新型一种井字组合型钢地震超材料结构实施例的结构单胞仰视图。

附图标记

1、减震体；2、建筑物；3、结构单胞；4、土壤层；5、钢板一；6、钢板二。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“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后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

图1为本实用新型一种井字组合型钢地震超材料结构实施例的整体结构示意图；图2为本实用新型一种井字组合型钢地震超材料结构实施例的结构单胞示意图；图3为本实用新型一种井字组合型钢地震超材料结构实施例的结构单胞仰视图。

如图所示，本实用新型所述的一种井字组合型钢地震超材料结构，包括减震体1，减震体1围绕设置在建筑物2的四周。减震体1由若干个结构单胞3沿平面内x、y方向对称延拓而成，相邻的结构单胞3的形心间距为2m，结构单胞3包括组合型钢结构和土壤层4，组合型钢结构的下部设置有土壤层4。结构单胞3上部的组合型钢结构和结构单胞3下部土壤层4的土柱的交界面与地面平齐设置。

组合型钢结构包括钢板一5和钢板二6，四个钢板一5设置为井字形，钢板二6设置在钢板一5的端头，三个钢板二6设置为工字形。四个钢板一5按照对称垂直布置，钢板一5两两相交处焊接为一个整体，钢板一5相交处使每个钢板一5三等分。钢板二6以工字形与钢板一5的井字形结构端头焊接为一个整体，钢板二6形成的工字形结构与钢板一5形成的井字形结构中心线在一条水平线上。

钢板一5的长度为1.6m，钢板一5的厚度为0.1m，钢板一5的高度为10m。钢板二6的长度为0.4m，钢板二6的厚度为0.01m，钢板二6的高度为10m。钢板一5和钢板二6的密度ρ₁＝7784kg/m³，杨氏模量E₁＝2.07×10¹¹Pa；泊松比γ₁＝0.3。土壤层4的密度ρ₂＝1800kg/m³；杨氏模量E₂＝2×10⁷Pa；泊松比γ₂＝0.3。

结构单胞3的尺寸较小，易于工艺生产。结构单胞3的特点为其晶格常数可远小于波长，该结构单胞3晶格常数为2m，而基于布拉格散射机制所设计的结构晶格常数通常达到10m及以上，因此结构单胞3所涉及的结构尺寸较小，易于生产制备。减震体1适用条件灵活，减震体1能够根据建筑物2本身抗震设计要求，可通过改变结构的材料参数从而获得不同的带隙频率范围，以适应不同的地质、气候、水文等外界环境条件。

本结构适用范围广泛，可兼具不同用途，减震体1不仅可用于抗震，还可应用于衰减因地下作业、轨道施工、隧道开挖、大型振动设备的使用等情况下所产生的振动。本结构组成材料易于获得，成本低，减震体1由两种不同类型的钢板和土壤组成，钢材的价格较低，土壤为常见的砂土，两种材料都属于建筑施工过程中常用的材料，价格低且易获得，尤其适用于此类结构体量较大，材料消耗较多的工程。

本结构覆盖范围广，对地震波衰减效果强。减震体1可以多角度、全方位、分层次的衰减地震波从而保护目标建筑物2。结构单胞3周期性排列布置在建筑物2周围，可以有效衰减各个方向传来的地震表面波，甚至对目标建筑物2后方区域的建筑物2也有保护作用。本结构易于更换维修，二次装卸，使用周期延长。工程传统抗震方法是在建筑物2内设置减震结构，如隔振支座等，其弊端是耐久性较差，无法更换支座。而本结构掩埋在建筑物2周围的地表，在长期使用后，对于受损严重无法继续满足使用要求的部分超材料结构，更换方便且易于实现。

因此，本实用新型采用上述结构的井字组合型钢地震超材料结构，基于局域共振原理，利用其带隙特性对地震波进行特定频率范围内的衰减，通过周期性排列在建筑物周边，能够有效的在地震波到达目标保护建筑物之前进行衰减，实现低成本抗震。另外，根据建筑物本身抗震设计要求，可通过改变结构的材料参数从而获得不同的带隙频率范围，以适应不同地质、气候、水文等外界环境条件，具有灵活抗震的性质，尤其适合核电站、古建筑群、精密实验室等对振动敏感性较高的建筑结构。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种井字组合型钢地震超材料结构，其特征在于：包括减震体，减震体设置在建筑物的四周，减震体由若干个结构单胞沿平面内x、y方向对称延拓而成，相邻的结构单胞的形心间距为2m，结构单胞包括组合型钢结构和土壤层，组合型钢结构包括钢板一和钢板二，组合型钢结构的下部设置有土壤层，四个钢板一设置为井字形，钢板二设置在钢板一的端头，三个钢板二设置为工字形。

2.根据权利要求1所述的井字组合型钢地震超材料结构，其特征在于：钢板一的长度为1.6m，钢板一的厚度为0.1m，钢板一的高度为10m。

3.根据权利要求1所述的井字组合型钢地震超材料结构，其特征在于：钢板二的长度为0.4m，钢板二的厚度为0.01m，钢板二的高度为10m。

4.根据权利要求1所述的井字组合型钢地震超材料结构，其特征在于：组合型钢结构和土壤层的交界面与地面平齐设置。

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