一种含有贫铀的低频宽带隙地震超颖板结构的制作方法

1.本发明涉及一种含有贫铀的低频宽带隙地震超颖板结构，是一种对地震表面波有良好控制和衰减作用的新结构。


背景技术：

2.地震是人类已知的具有社会经济和环境影响的最灾难性事件之一。全世界每年发生一百万次地震，占所有与灾害有关死亡率的近60％。建筑物的倒塌在地震中给人类造成灾难性的破坏。其中，地震表面波由于其低频率、高振幅、难衰减和传播远等特性，对建筑的影响最大。低频表面波频率主要在0.1
‑
20hz 范围内，而大量震害表明，对建筑物影响最大的地震波频率在2hz左右。当地震表面波到达结构后，由于表面波的频率范围涵盖了大多数建筑的共振基频，从而引发共振，使建筑发生损坏甚至倒塌。最近，由于周期性结构可以对特定频率范围的波产生较高衰减，这些特定频率被称为带隙，在带隙频率范围内的地震波无法通过所设计结构。此外，带隙之外的频带被称为通带，在通带频率范围内的波可以继续传输，基本不产生衰减。在防灾减灾领域，周期性结构又被称为地震超颖结构。因此，周期性结构为控制和衰减地震表面波提供了新思路。
3.迄今为止，周期性结构主要有两种，布拉格散射型和局域共振型。基于布拉格散射原理设计的周期性结构其结构尺寸往往与所控制的波长相近，而地震波波长通常在十几米甚至上百米。因此基于布拉格散射原理设计的周期性结构往往局限于大型结构。而基于局域共振原理设计的周期型结构其结构尺寸通常可以比所控制的波长小两个数量级，更适合用于对低频振动的衰减，但其产生的带隙通常较窄。因此，发明一种结构简单、适应性强、可以有效控制和衰减低频地震表面波的结构，对保护核电站、炼油厂和古建筑等重要建筑，以及保护城市居民区建筑都具有十分重要意义！本发明基于局域共振原理设计地震超颖板结构，采用贫铀和橡胶组成复合球体，埋入土壤中。在保证“小尺寸控制大波长”的基础上，还能够实现低频宽带隙特性，拓宽了对地震表面波的衰减范围。本发明引述的技术结构定义为“地震超颖结构”。


技术实现要素：

4.本发明所设计的一种含有贫铀的低频宽带隙地震超颖板结构涉及一种用于衰减地震表面波的地震超颖板结构。其目的是为了提供一种易于实现的衰减地震表面波的装置、保护建筑、取材简单、有效减少地震灾害、减小建筑灾后修复和维护成本的低频宽带隙地震超颖板结构。
5.本发明涉及的一种低频宽带隙地震超颖板结构，该地震超颖结构由地震超颖结构单胞在同一水平面内沿两个相互垂直的方向延拓组成，并设计在建筑物基础周边，地震超颖结构单胞包括贫铀球(1)、橡胶层(2)和土壤层(3)组成，贫铀球(1)为球体，橡胶层(2)为空心球体，土壤层(3)为空心正方体。
6.低频宽带隙地震超颖板结构单胞中贫铀球(1)半径为0.15m。橡胶层(2) 半径为
0.2m，厚度为0.05m，橡胶层(2)包覆在贫铀球(1)外部，形成复合球体。再将土壤包覆在上述复合球体外部，形成一个地震超颖板结构单胞，土壤层 (3)边长为0.45m。
7.本发明所设计的地震超颖板结构布置在建筑周边，结构顶面与地表平齐，沿建筑物环向布置，结构靠近建筑一侧距离建筑物的最小水平距离为2m。本发明所设计的单胞结构延拓后所组成的周期性排列结构外围尺寸不小于建筑物底部外围尺寸。
8.本发明的技术方案是：
9.一种低频宽带隙地震超颖板结构，由所设计的地震超颖结构单胞沿同一水平面内两个相互垂直的方向不断延拓构成。布置于建筑基础周边地表下方，并且结构顶面与地表平齐，在一定范围内沿建筑环向布置，利用周期性结构的带隙特性，衰减0hz
‑
3.4hz和11.29hz
‑
16.59hzhz范围内的地震表面波，保护建筑免受地震表面波的危害。
10.当地震表面波到达所设计板结构后，地震超颖结构单胞中的贫铀球；单胞和单胞间都将发生振动，组合后的地震超颖板结构会产生带隙，从而有效控制和衰减地震表面波，保护建筑。
11.低频宽带隙地震超颖板结构单胞由贫铀球(1)、橡胶层(2)和土壤层 (3)组成。在贫铀球(1)的外侧包覆橡胶层(2)，组合复合球体，再将复合球体埋入土壤层(3)中。
12.贫铀球(1)为球体、橡胶层(2)为空心球体，土壤层(3)为空心正方体结构。
13.贫铀球(1)、橡胶层(2)和土壤层(3)三部分体心相互重合。
14.本发明所设计的低频宽带隙地震超颖板结构采用不同材料制备。
15.本发明所设计的低频宽带隙地震超颖板结构的材质包括贫铀、橡胶和土壤。请参阅图2和图3，其中，贫铀的密度ρ1＝19100kg/m3；杨氏模量e1＝1.77
×
10
11
pa；泊松比γ1＝0.25。橡胶层的密度ρ2＝1300kg/m3；杨氏模量e2＝1.02
×
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；三种材料制成。
16.与布拉格散射型隔震结构相比，本发明具有以下优点：
17.1)结构尺寸相对较小，便于布置。地震超材料单胞尺寸为边长为0.45m 的正方体结构，将其设置在建筑底部外围的地表下方，沿建筑周期性排列，环向布置。所设计的隔震结构尺寸比布拉格散射型结构小很多，更便于布置等操作。
18.2)应用更加灵活，能够适应结构改变。由于单胞结构很小，当结构发生变化时，可以根据结构的变化情况，进行适度调整布置位置和排列方式。
19.3)不仅适用于特定建筑，还适用于保护某个区域。本发明的地震超颖版板结构不仅适用于单个大型或常规建筑，而且还可以保护某个区域的所有建筑。
20.4)适用范围较广。可以根据不同地区场地条件、占地尺寸和高度等因素，综合考虑，通过改变橡胶和贫铀的半径、厚度等几何参数与密度和杨氏模量等材料参数，调整全带隙的中心位置和宽度，从而保护不同地区的多种建筑。
21.5)远程控制和衰减地震表面波。结构位于地震震源和被保护建筑之间，当地震发生后，地震波到达所设计结构时，地震波被衰减。因此，在地震波传播过程中控制和衰减地震波，达到远程控制的目的。
22.6)全带隙频率范围较宽。本发明所设计的低频宽带隙地震超颖板结构全带隙位于0hz
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3.4hz和11.29hz
‑
16.59hzhz范围内，能够有效衰减频率位于上述范围内的地震表面波，保护建筑。
23.7)可以兼具不同用途。除了对0hz
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3.4hz和11.29hz
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16.59hz范围内的地震表面波具有良好衰减作用外，对可能出现上述频率范围内的道路交通、机械使用等所产生的表面波都具备良好衰减效果。
24.8)结构简单。本发明所设计的地震超颖板结构主要由结构单胞通过周期性排列布置得到，而结构单胞主要由将橡胶包覆贫铀球后，埋入土壤中得到，结构构造相对简单。
附图说明
25.图1为本发明所提供的地震超颖板结构布置示意图；
26.图2为本发明所提供的地震超颖板结构单胞立体示意图；
27.图3为本发明所提供的地震超颖板结构单胞俯视示意图；
28.图4为本发明所提供的地震超颖板结构能带结构图；
29.图5为本发明所提供的当沿γх方向激发瑞利波时，十排地震超颖板结构单胞所组成的地震超颖结构透射谱；
30.其中：1.贫铀球；2.橡胶层；3.土壤层；4.建筑物。
具体实施方式
31.下面结合附图详述本发明：低频宽带隙地震超颖板结构单胞包括贫铀球 (1)、橡胶层(2)和土壤层(3)。
32.将建筑周围场地整平，将建筑附近2m外的土壤沿建筑环向挖去深度为 0.45m，长度为4.5m的土壤。
33.将贫铀球(1)布置在核心位置，贫铀球为半径为0.15m的球体。
34.之后，在贫铀球(1)的外部包覆橡胶层(2)，组成组合球体。橡胶为边长为边长0.20m的空心球体，厚度为0.05m。
35.下一步，将土壤层(3)包覆在上述组合球体的外部，形成一个地震超颖板结构单胞。土壤层(3)为边长为0.45m的空心正方体结构。重新装填的土壤层(3)上表面与地表平齐。
36.重复上述步骤，至将上述挖掉的土坑全部填充完整，形成由十排板结构单胞沿建筑环向布置而组成的地震超颖板结构。相邻单胞之间的距离为0.45m，单胞结构靠近建筑一侧距离建筑物的最小距离为2m。布置位置请参阅图1。
37.贫铀球(1)为球体、橡胶层(2)为空心球体，土壤层(3)为空心正方体结构。
38.贫铀球(1)、橡胶层(2)和土壤层(3)三者体心相互重合。
37.具体材料参数为：
38.贫铀：密度ρ1＝19100kg/m3；杨氏模量e1＝1.77
×
10
11
pa；泊松比γ1＝0.25；
39.橡胶：密度ρ2＝1300kg/m3；杨氏模量e2＝1.02
×
105pa；泊松比γ2＝0.47。
40.土壤：密度ρ3＝1800kg/m3；杨氏模量e3＝2.0
×
107pa；泊松比γ3＝0.3。
41.请参阅图4，其中，浅灰色区域为能带结构的全带隙范围。能带结构计算发现，结构在0
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20hz范围内存在带隙。本发明所设计的地震超颖板结构可以调控的衰减地震表面波区域内，发现在0hz
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3.4hz和11.29hz
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16.59hz范围内存在两条较宽全带隙。
42.请参阅图5，其中，浅灰色区域为透射谱的衰减区。在距离地震超颖板结构10m处，
当沿γx方向激发瑞利波时，通过计算本发明所设计的十排低频宽带隙地震超颖板结构单胞的透射谱发现，两个明显衰减域区域分别位于0
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3.1hz 和9.7
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16.6hz。透射谱计算的衰减区与能带结构的全带隙基本重合。能带结构和透射谱计算结果的相互佐证表明，本发明所设计的地震超颖板结构可以有效控制和衰减位于全带隙频率范围内的地震表面波。
43.综上所述，本发明所设计的一种含有贫铀的地震超颖板结构具有低频宽带隙特性，从而可以有效控制和衰减频率位于全带隙频率范围内的地震表面波，具有良好的隔震性能和保护建筑的作用。