一种格栅式地震兰姆波屏障结构制造技术

本发明专利技术公开了一种格栅式地震兰姆波屏障结构，该地震波屏障结构由该格栅式地震兰姆波屏障结构单胞周期性排列在目标保护建筑物周围组合形成整体，其产生的带隙特性能够阻隔特定频率下的地震兰姆波。格栅式地震兰姆波屏障结构单胞包括嵌合钢芯(1)、橡胶层(2)和土壤(3)组合而成的结构。钢芯为四块相同的钢板垂直对称嵌合而成形成“井”字形中空钢芯，橡胶层以相同的厚度包裹在钢芯外侧，土壤包裹在橡胶层外侧。本发明专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构可衰减11.05

【技术实现步骤摘要】
一种格栅式地震兰姆波屏障结构


[0001]本专利技术涉及一种格栅式地震兰姆波屏障结构，阻隔地震表面波尤其是兰姆波传播的一种地震超材料结构。

技术介绍

[0002]目前为止，地震是对人类社会产生最大危害和损失的自然灾害之一，据统计，全球每年要发生500万次左右地震，仅上个世纪以来，全世界就有120多万人死于地震。因此，实现低成本、高效力抗震仍然为当今学者所研究的命题。近年来，地震超材料结构以其优异的抗震性能出现在抗震设计领域。建筑物的共振基频一般为2Hz左右，而地震表面波的频率一般为0.1至20Hz，恰在建筑物共振基频范围内，因此地震表面波对建筑物所产生的危害极大。传统的抗震方式主要通过在结构本身设置消能装置或设置隔振支座等方式，但其存在明显弊端，抗震装置耐久性差，寿命较短，且难以更换，而对于古建筑等重要建筑物，也无法采用该方法，当今复杂结构建筑日益增多，传统的抗震方法难以满足建筑结构要求。因此，基于声子晶体从固体物理领域发展至地震工程领域的波屏障结构，又称地震超材料结构，其产生的带隙特性能够阻隔特定频率下的地震表面波的传播，为抗震设计提供了新的思路。
[0003]迄今，地震超材料的调节机制主要分为两类，分别为布拉格散射机制和局域共振机制，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。因此本专利技术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，对于保护古建筑、核电站、精密仪器实验室等具有特殊抗震要求的建筑具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术所设计的一种格栅式地震兰姆波屏障结构，涉及一种能够在地震波传播至保护建筑物之前屏蔽或衰减的波屏障结构，使得通过成本低、易于取材、构型简单、适用范围广等特点达到对建筑物的抗震目的，控制和衰减地震波对建筑带来的危害，减小灾害产生的损失。
[0005]本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构，该地震波屏障结构由该格栅式地震兰姆波屏障结构单胞周期性排列在目标保护建筑物周围组合形成整体，其产生的带隙特性能够阻隔特定频率下的地震兰姆波。格栅式地震兰姆波屏障结构单胞包括嵌合钢芯(1)、橡胶层(2)和土壤(3)组合而成的结构。钢芯为四块相同的钢板垂直对称嵌合而成形成“井”字形中空钢芯，橡胶层以相同的厚度包裹在钢芯外侧，土壤包裹在橡胶层外侧，整个结构为方形柱，结构尺寸：长度为2m，厚度为2m，高度为4m。
[0006]本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构，其内部钢芯由四个几个材料参数
完全相同的钢板垂直对称嵌合形成“井”字形中空结构，每块钢板的长度为1.9m，厚度为0.2m，高度为4m。
[0007]进一步的，橡胶层以0.05m的厚度包裹在钢芯外侧，高度为4m。
[0008]进一步的，土壤包裹在橡胶层外侧，由三种尺寸的土柱组成，三种尺寸的土柱填充钢芯中空部分和橡胶外层部分，使整体尺寸成为长度为2m，厚度为2m，高度为4m的结构单胞。
[0009]本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构以周期性排列方式环绕布置在目标保护建筑物周围，单胞形心间距为2m,通过其所产生的带隙特性使得地震波在传播至目标保护建筑物之前被地震超材料阻隔，从而是地震波有效的抑制和衰减，从而保护目标建筑物。
[0010]本专利技术的技术方案是：
[0011]本专利技术提供了一种格栅式地震兰姆波屏障结构，以两方向垂直不断延伸环向布置在目标保护建筑物的周围，通过带隙特性使地震波无法穿过地震超材料结构达到建筑物，而在地震超材料结构处被阻隔或衰减，本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构可衰减11.05
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21.25Hz范围内的地震表面波，在该频率范围内的地震表面波无法通过地震超材料传播，从而达到保护目标建筑物的目的，实现抗震功能。
[0012]本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构单胞由嵌合钢芯(1)、橡胶层(2)和土壤层(3)组成。在嵌合钢芯(1)的外侧包覆厚度为0.05m的橡胶层(2)，形成一个复合的井字形中空结构，再将复合井字形中空结构放置在土壤层中，组成一个长度为2m，厚度为2m，高度为4m的结构单胞。
[0013]由嵌合钢芯(1)、橡胶层(2)、土壤层(3)各部分的的形心均重合，三种组分在水平面内垂直对称，且沿高度方向的中轴线均重合。
[0014]本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构材料常见，成分简单，容易获得。
[0015]请参阅图2和图3。本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构的材料包括钢、橡胶和土壤。各组分的材料参数如下详述，钢板的材料参数为：密度ρ1＝7784kg/m3；杨氏模量E1＝2.10
×
10
11
Pa；泊松比γ1＝0.3；橡胶层的密度ρ2＝1300kg/m3；杨氏模量E2＝1.2
×
105Pa；泊松比γ2＝0.47。土壤的密度ρ3＝1800kg/m3；杨氏模量E3＝2.0
×
107Pa；泊松比γ3＝0.3。
[0016]本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构具有如下优点：
[0017]1)尺寸较小，易于大规模工艺生产。本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构所产生的的带隙机理为局域共振，其特点为其晶格常数可远小于波长，该结构单胞晶格常数为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。故该结构的尺寸相比很小，适合规模工艺生产。
[0018]2)适用条件灵活，适用范围广泛。本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构的带隙频率为11.05
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21.25Hz两个频段，在该频率范围内的地震兰姆波无法通过地震超材料结构。值得注意的是，该结构的带隙范围并不是固定不变的，可以通过改变钢、橡胶的厚度，密度，杨氏模量等材料参数，可以产生不同的带隙范围以达到不同建筑物的抗震目的。
[0019]进一步的，该结构不仅可用于抗震，还可应用于衰减地下作业、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。
[0020]3)区域范围性保护。本专利技术涉及的一种格栅式地震兰姆波屏障结构不仅可以保护单个建筑物，其对地震波的衰减可以延伸至超材料结构后方的范围性区域，地震超材料结构可以多角度，全方位的衰减地震波从而保护目标建筑物，对建筑物群都有一定的保护作用。
[0021]4)结构组成材料易于获得，成本低。该结构的组分为钢、橡胶和土壤，均为工程领域常用的材料，成本低廉，易于获得。
[0022]5)易于再次装卸，使用周期延长。工程传统的抗震方法是在建筑物内设置减震结构，如隔振支座等，其弊端是耐久性较差，无法更换支座。而本专利技术所涉及格栅式地震兰姆波屏障结构掩埋在建筑物周围的地表，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，易本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种格栅式地震兰姆波屏障结构，其特征在于：该地震波屏障结构由该格栅式地震兰姆波屏障结构单胞周期性排列在目标保护建筑物周围组合形成整体，其产生的带隙特性能够阻隔特定频率下的地震兰姆波；格栅式地震兰姆波屏障结构单胞包括嵌合钢芯(1)、橡胶层(2)和土壤(3)组合而成的结构；钢芯为四块相同的钢板垂直对称嵌合而成形成“井”字形中空钢芯，橡胶层以相同的厚度包裹在钢芯外侧，土壤包裹在橡胶层外侧，整个结构为方形柱。2.根据权利要求1所述的一种格栅式地震兰姆波屏障结构，其特征在于：该地震波屏障结构的内部钢芯由四个几个材料参数完全相同的钢板垂直对称嵌合形成“井”字形中空结构。3.根据权利要求1所述的一种格栅式地震兰姆波屏障结构，其特征在于：橡胶层以0...

【专利技术属性】
技术研发人员：石南南，刘晗，亢志宽，王利辉，赵卓，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：