一种基于声子晶体的全方向、大带宽的地震防护装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于声子晶体的全方向、大带宽的地震防护装置，包括基底以及嵌入基底的多个嵌入结构；多个嵌入结构分布在被防护的建筑物周侧，以改变地震波在地震防护装置中不同位置处的等效折射率，形成从外层至内层折射率逐渐变小的结构趋势。该地震防护装置通过在建筑物周围的基底中嵌入金属或混凝土等高强度材料制成的特殊结构，改变地震波在建筑周围土中不同位置处的等效折射率，使距离建筑物较近区域折射率低，较远区域折射率高，由折射定律：n1·

【技术实现步骤摘要】
一种基于声子晶体的全方向、大带宽的地震防护装置


[0001]本专利技术属于地震防护装置
，具体而言，尤其涉及一种基于声子晶体的全方向、大带宽的地震防护装置。

技术介绍

[0002]地震是最严重的自然灾害之一，降低地震所带来的灾害一直是人类的目标。传统建筑行业基本上都是通过加强建筑结构刚度或者给建筑增加调谐阻尼器等方式实现地震防护。随着弹性波声子晶体和超材料的发展，这些人造材料在抗震方面显示出巨大的应用价值。声子晶体是一种人工带隙材料，其密度和弹性常数呈周期性分布，且具有弹性波带隙。超材料是具有人工设计的结构且能呈现出天然材料所不具有的超常物理性质的复合材料。应用于地震防护的弹性波声子晶体和超材料统称为地震超材料。
[0003]地震波频率小于20Hz，其中对建筑危害最大的是瑞利波，因为其同时具有横波和纵波分量。使用地震超材料进行地震防护的主要目标就是瑞利波。目前已有的地震超材料主要分为两种，屏障型和地基型。屏障型地震超材料分布在建筑物周围，利用声子晶体的禁带机制，其禁带处于地震波频段，使得相应频率的地震波被反射或转化为体波向地底辐射，可以大幅削减地震波对建筑物的损害。地基型地震超材料分布在建筑物下方，直接与建筑物相连，主要为超材料，通过超材料自身特殊的抗震性削减经过地基传递到建筑物的震动。
[0004]由于目前依然缺乏低频、大禁带宽度的声子晶体的设计原理，因此使用屏障型地震超材料很难实现大频率范围的地震波防护，而且现有的方案多为部分带隙，不能实现全方向的保护。屏障型地震超材料因为与建筑相连，在有效作用频率范围内防护效果不如屏障型地震超材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种基于声子晶体的全方向、大带宽的地震防护装置，可防护的地震波频率带宽大，能够实现全方向、大带宽地震防护。
[0006]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于声子晶体的全方向、大带宽的地震防护装置，所述地震防护装置包括基底以及嵌入基底的多个嵌入结构；多个所述嵌入结构分布在被防护的建筑物周侧，以改变地震波在地震防护装置中不同位置处的等效折射率，形成从外层至内层折射率逐渐变小的结构趋势。
[0007]根据本专利技术的一种实施方式，所述嵌入结构分布在被保护的建筑物周侧并呈同心圆分布。
[0008]根据本专利技术的一种实施方式，所述嵌入结构为柱状、台状或锥状结构；且嵌入结构的材料为混凝土或金属或混凝土加金属。
[0009]根据本专利技术的一种实施方式，所述嵌入结构由嵌入不同尺寸的钢管和混凝土柱子的基本单元组合而成。
[0010]根据本专利技术的一种实施方式，所述嵌入结构的直径或边长为0.1～10m，高度为0.5
～100m。
[0011]根据本专利技术的一种实施方式，所述嵌入结构数量大于30个。
[0012]根据本专利技术的一种实施方式，所述基底的材料为土或岩土。
[0013]根据本专利技术的一种实施方式，地震瑞利波在基本单元中的等效折射率的计算公式如下：
[0014]公式n
eff
＝(n
ΓX
+n
ΓM
)/2；
[0015]其中，v0是基底中地震瑞利波的声速，v
ΓX
和v
ΓM
分别是沿着ΓX方向和ΓΜ方向传播的地震瑞利波的声速；
[0016]dω/dk
ΓX
和dω/dk
ΓM
分别为能带在ΓX和ΓΜ方向的斜率；
[0017]n
ΓX
和n
ΓM
为ΓX方向和ΓΜ方向的等效折射率；
[0018]n
eff
为整个基本单元的等效折射率。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]本专利技术的基于声子晶体的全方向、大带宽的地震防护装置通过在建筑物周围的基底中嵌入金属或混凝土等高强度材料制成的特殊结构，改变地震波在建筑周围土中不同位置处的等效折射率，使距离建筑物较近的区域折射率低，较远的区域折射率高。由折射定律：n1·
sinθ1＝n2·
sinθ2可知，波会从折射率低的位置向折射率高的位置偏转，故地震波会在折射率梯度的作用下向建筑物外侧偏转，达到保护建筑物的目的。本专利技术的地震防护装置可防护的地震波频率带宽大，且可实现全方向防护。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的基于声表面波声子晶体的地震防护装置的工作原理示意图；
[0022]图2a为数值仿真中使用的在土中嵌入钢管和混凝土柱子的基本单元的正视图；
[0023]图2b为数值仿真中使用的在土中嵌入钢管和混凝土柱子的基本单元的俯视图；
[0024]图3为数值仿真中地震波入射方向和地震防护装置的平面结构示意图；
[0025]图4为数值仿真得出的嵌入不同柱子半径的基本单元的能带图；
[0026]图5为地震波在基本单元中的等效折射率与嵌入的柱子半径的关系图；
[0027]图6为数值仿真方法得出的不同方向入射的地震波经过地震防护装置后到达建筑区域的能量衰减与频率关系示意图。
[0028]附图标记：1
‑
地震波；2
‑
基底；3
‑
嵌入结构；4
‑
建筑物。
具体实施方式
[0029]下文将结合具体实施例对本专利技术做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本专利技术，而不应被解释为对本专利技术保护范围的限制。凡基于本专利技术上述内容所实现的技术均涵盖在本专利技术旨在保护的范围内。
[0030]如图1所示，本专利技术提供了一种基于声子晶体的全方向、大带宽的地震防护装置，包括基底2以及嵌入所述基底2的嵌入结构3，嵌入结构3分布在被防护的建筑物4周侧以改变地震波1在地震防护装置中不同位置处的等效折射率，形成从外层至内层折射率逐渐变小的结构趋势。
[0031]优选地，所述嵌入结构3由嵌入不同尺寸的钢管和混凝土柱子的基本单元组合而成，地震防护装置外层折射率高，内层折射率低，确保不同方向入射的地震波1向地震防护装置外侧偏转。
[0032]如图3所示，所述嵌入结构3分布在被保护的建筑物4周侧并呈同心圆分布，同心圆结构相较于其它对称性较弱的结构保护性更强。
[0033]优选地，所述嵌入结构3数量大于30个，分布在被保护的建筑物周围。嵌入结构3的形状可以为柱状、台状或锥状结构，优选嵌入结构3的直径或边长为0.1～10m，高度为0.5～100m。所述嵌入结构3的材料可以为金属，如不锈钢31、混凝土32、或混凝土加金属。基底2为土或岩土，嵌入结构3嵌入基底2中，分布在被保护建筑物4周侧形成折射率渐变的结构，折射率由近及远逐渐增大。嵌入结构3埋入基底2中时，嵌入结构3顶端与基底2的表面齐平，深度只与嵌入结构3高度有关。
[0034]如图2a和图2b所示，两个嵌入结构3的圆心或中心之间的距离等于声子晶体单胞的边长a。
[0035]本专利技术通过在土本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声子晶体的全方向、大带宽的地震防护装置，其特征在于，所述地震防护装置包括基底(2)以及嵌入所述基底(2)的多个嵌入结构(3)；多个所述嵌入结构(3)分布在被防护的建筑物(4)周侧，以改变地震波(1)在地震防护装置中不同位置处的等效折射率，形成从外层至内层折射率逐渐变小的结构趋势。2.根据权利要求1所述的地震防护装置，其特征在于，所述嵌入结构(3)分布在被保护的建筑物(4)周侧并呈同心圆分布。3.根据权利要求1所述的地震防护装置，其特征在于，所述嵌入结构(3)为柱状、台状或锥状结构；且所述嵌入结构(3)的材料为混凝土或金属或混凝土加金属。4.根据权利要求3所述的地震防护装置，其特征在于，所述嵌入结构(3)的直径或边长为0.1～10m，高度为0.5～100m。5.根据权利要求3所述的地震防护装置，其特征在于，所述嵌入结构(3)由嵌入不同尺寸的钢管和混凝土柱子的基本单元组合而成。6.根据权利要求1所述的地震防护装置，其特征在于，所述嵌入结构(3)数量大于30个。7.根据权利要求2所述的地震防护装置，其特征在于，两个所述嵌入结构(3)的圆心或中心之间的距离等于声子晶体单胞的边长a，所述声子晶体单胞的边长a＝6m，高度h＝30m；所述嵌入结构(3)为钢管，所述钢管的外径r为...

【专利技术属性】
技术研发人员：余思远，陈华洋，秦祯辉，梁胜男，陈延峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：