钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面

1.本发明涉及建筑抗震领域，特别是一种钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面。


背景技术：

2.地震是一种突然而破坏力巨大的自然灾害，对人们的生命安全和财产安全造成了严重危害。目前，抵御地震这种巨大自然灾害的方式主要是通过在建筑内设置各种抗震构造来实现。虽然抗震支座和剪力墙等抗震措施取得了一定的抗震效果，但仍然存在成本较高和难以对已建建筑进行防护的问题。
3.地震波分为体波和表面波，其中瑞丽波作为表面波的一种，具有传播距离远、破坏力巨大的特点，是造成结构破坏的主要因素。应用超表面对地震表面波进行调控是一种较为创新的抗震方式，它能够通过表面谐振调控瑞丽波，从而将表面波进行模式转换而导入到地壳深层，使建筑物和城市免受地震影响。针对0-8hz内的超低频带隙问题，现有地震超材料仍然存在带隙位偏高和制造成本偏高的问题，导致了超表面难以在实际工程中应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种用于衰减8hz以下的地震表面波的钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面，将其固定在被保护物周围的地面上，在面波到达阵列时，通过波动模式转换将瑞丽波等面波分量转换为深层体波，实现结构抗震。
5.本发明的技术方案是：一种钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面，其中，包括
6.树形谐振器，数个谐振器将被保护物封闭的围合在中心；
7.树形谐振器包括钢制树干和钢制树枝，钢制树干垂直固定在地表表面上，钢制树枝包括数阶钢制树枝，其中钢制一阶树枝与钢制树干的顶部固定连接，钢制树枝的顶部依次与其下阶钢制树枝的底部固定连接。
8.本发明中，所述树形谐振器包括钢制树干和钢制一阶树枝，钢制树干的顶部固定有数个钢制一阶树枝，钢制一阶树枝与钢制树干之间呈倾斜设置。
9.所述树形谐振器包括钢制树干、钢制一阶树枝和钢制二阶树枝，钢制树干的顶部固定有数个钢制一阶树枝，钢制一阶树枝与钢制树干之间呈倾斜设置；
10.所述钢制一阶树枝的顶部固定有数个钢制二阶树枝，钢制二阶树枝和钢制一阶树枝之间呈倾斜设置。
11.所述钢制树干呈长方体，钢制一阶树枝呈斜四棱柱，钢制树干和钢制一阶树枝的截面形状均呈正方形。
12.所述钢制二阶树枝呈斜三棱柱，钢制二阶树枝的截面形状呈等腰直角三角形。
13.所述钢制树干和钢制树枝的材料参数为：杨氏模量e
st
＝210gpa，泊松比μ
st
＝0.3，质量密度ρ
st
＝7850kg/m3。
14.本发明的有益效果是：
15.(1)该地震超表面仅由钢一种材料组成，在组装时仅需通过螺栓或焊接将预制的钢柱组装起来即可，不涉及钢与橡胶等其他材料的组合，也不需要将钢柱或其他人造体埋入地下，而是直接固定在地面上被保护建筑周围的地面上；
16.(2)该超表面可以利用带隙特性，将传播距离远而十分有害的瑞丽波转换为深层体波，使得建筑结构免受地震影响；
17.(3)通过改变钢制树干的直径、钢制树枝的角度及数量，可以进一步降低带隙中心频率的位置，并打开更多的带隙，能够大幅度降低建筑周围表面的瑞丽波能量，为建筑抗震和城市区域抗震提供一种新途径。
18.综上所述，本发明提供了一种用于衰减8hz以下的地震表面波的超低频地震超表面，将其固定在被保护物周围的地面上，在面波到达阵列时通过波动模式转换将瑞丽波等面波分量转换为深层体波。
附图说明
19.图1是将本发明布设在建筑周围的防震示意图；
20.图2是实施例1中对任意被保护建筑布置钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面的结构示意图；
21.图3是实施例1中本发明的结构示意图；
22.图4是实施例1中本发明的带隙分布；
23.图5是实施例1中本发明的稳态频域响应；
24.图6是实施例1中本发明的稳态面波模式转换模拟结果；
25.图7是实施例2中本发明的结构示意图；
26.图8是实施例3中对指定的任意被保护区域布置钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面的结构示意图。
27.图中：1瑞丽波；2树形谐振器；3被保护建筑物；4被保护区域；5钢制树干；6钢制树枝ⅰ；7钢制树枝ⅱ；8钢制树枝ⅲ；9钢制树枝ⅳ；10钢制一阶树枝；11钢制二阶树枝。
具体实施方式
28.为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
29.在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
30.实施例1
31.钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面包括数个树形谐振器，这些树形谐振器在空间上按照一定的周期分布围合在被保护建筑物的周围，并将被保护建筑物封闭地围合在中心。
32.如图1和图2所示，本实施例中的钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面包括数个树形谐振器2，这些树形谐振器2按正方形晶格周期排列，将这些树形谐振器2竖直固定在被保护建筑物3周围的地表地面上，形成地震超表面。地震超表面在总体上围绕被保护建筑物
3一周，将被保护建筑物3封闭地围合起来，实现被保护建筑物的地震保护。当任意方向的瑞丽波1到达此地震超表面时，瑞丽波1被该超表面结构转换为地壳深层内的体波，实现结构抗震。
33.如图3所示，树形谐振器包括垂直于地表设置的钢制树干5、以及固定于钢制树干5的顶部的四个钢制树枝，分别为钢制树枝ⅰ6、钢制树枝ⅱ7、钢制树枝ⅲ8和钢制树枝ⅳ9。本实施例中，钢制树干5为1.5m*1.5m*15m的长方体，钢制树干5的底端垂直固定在地面上。钢制树枝为0.5m*0.5m*10m的斜四棱柱，钢制树枝与钢制树干5之间呈倾斜设置，四个钢制树枝的底端分别与钢制树干的顶部中心固定连接，可以采用焊接或者螺栓方式固定连接。通过调节钢制树干和钢制树枝的长度、以及钢制树干和钢制树枝之间的倾角，可以调整带隙位置和带隙宽度。
34.所用钢材为普通的q235钢或其他建筑用钢，钢材的材料参数如下所述：杨氏模量e
st
＝210gpa，泊松比μ
st
＝0.3，质量密度ρ
st
＝7850kg/m3。
35.树形谐振器固定在地面，谐振器与地面的接触面两侧是阻抗比极大的两种材料。此时这个接触面两侧的材料能够形成阻抗匹配，因此树形谐振器能够通过阻抗匹配机制将带隙范围内的表面波转换为深层地壳内的体波，实现被保护建筑物的抗震。
36.如图4所示，是本实施例中钢制树枝-树干超低频地震超表面的带隙分布，根据该图可知，本实施例中钢制树枝-树干超低频地震超表面具有四条低频带隙分别为0hz-0.5hz、3.7hz-4hz、4.1hz-5.6hz、6.8hz-8.0hz，并且这四条带隙均位于8hz以下，
37.如图5所示，是本实施例中钢制树枝-树干超低频地震超表面的稳态频域响应，其在0hz-0.5hz、3.7hz-4hz、4.1hz-5.6hz、6.8hz-8.0hz具有四条明显的传输谷，说明这些频率范围内的表面波被显著抑制。
38.如图6所示，是5hz的弹性波稳态响应结果，可以看到，5hz的超低频表面波在钢制树枝-树干超低频地震超表面的作用下改变了原有的传播方向，转换为了深层体波。
39.实施例2
40.如图7所示，本实施例中，树形谐振器中钢制树枝的阶数可以进一步增加，也就是说，在实施例1中的钢制树枝上进行进一步的分支。
41.本实施例中的树形谐振器包括钢制树干5、钢制一阶树枝10和钢制二阶树枝11，其中钢制树干5的底部垂直固定在地表表面，钢制树干5的顶部固定有数个钢制一阶树枝10，钢制一阶树枝10与钢制树干5之间呈倾斜设置。钢制一阶树枝10的底部通过焊接或者螺栓的方式与钢制树干5的顶部固定连接。钢制一阶树枝10的顶部固定有数个钢制二阶树枝11，钢制二阶树枝11与钢制一阶树枝10之间呈倾斜设置。
42.钢制树干5为1.5m*1.5m*15m的长方体，钢制树干5的底端垂直固定在地面上。钢制一阶树枝10为0.5m*0.5m*10m的斜四棱柱，钢制二阶树枝11采用斜三棱柱，三棱柱的截面形式为0.5m*0.5m的等腰直角三角形。通过调节钢制树干、钢制一阶树枝和钢制二阶树枝的长度、以及钢制树干和钢制一阶树枝之间的倾角、钢制一阶树枝和钢制二阶树枝之前的倾角，可以调整带隙位置和带隙宽度。另外，通过调整钢制二阶树枝的高度和角度，进一步引起其他频率共振，使得更多的局域共振带隙被打开。
43.其他同实施例1。
44.实施例3
45.如图8所示，树形谐振器2在空间上按照一定的周期分布围合在被保护区域4周围，树形谐振器2将被保护区域4封闭地围合在中心。被保护区域4可以为任意大小的指定区域。
46.本实施例中1中的树形谐振器2可以采用实施例1中标准形式的树形谐振器，也可以采用实施例2中的延拓形式的树形谐振器。
47.其他同实施例1。
48.以上对本发明所提供的钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面，其特征在于，包括树形谐振器，数个树形谐振器将被保护物封闭的围合在中心；树形谐振器包括钢制树干和钢制树枝，钢制树干垂直固定在地表表面上，钢制树枝包括数阶钢制树枝，其中钢制一阶树枝与钢制树干的顶部固定连接，钢制树枝的顶部依次与其下阶钢制树枝的底部固定连接。2.根据权利要求1所述的钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面，其特征在于，所述树形谐振器包括钢制树干和钢制一阶树枝，钢制树干的顶部固定有数个钢制一阶树枝，钢制一阶树枝与钢制树干之间呈倾斜设置。3.根据权利要求1所述的钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面，其特征在于，所述树形谐振器包括钢制树干、钢制一阶树枝和钢制二阶树枝，钢制树干的顶部固定有数个钢制一阶树枝，钢制一阶树枝与钢制树干之间呈倾斜设置；所述钢制一阶树枝的顶部固定有数个钢制二阶树枝，钢制二阶树枝和钢制一阶树枝之间呈倾斜设置。4.根据权利要求2或3所述的钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面，其特征在于，所述钢制树干呈长方体，钢制一阶树枝呈斜四棱柱,钢制树干和钢制一阶树枝的截面均为正方形。5.根据权利要求3所述的钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面，其特征在于，所述钢制二阶树枝呈斜三棱柱，钢制二阶树枝的截面形状呈等腰直角三角形。6.根据权利要求1所述的钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面，其特征在于，所述钢制树干和钢制树枝的材料参数为：杨氏模量e
st
＝210gpa，泊松比μ
st
＝0.3，质量密度ρ
st
＝7850kg/m3。

技术总结
本发明涉及建筑抗震领域，特别是一种钢制树干-树枝仿生超低频地震超表面。包括树形谐振器，数个谐振器将被保护物封闭的围合在中心，树形谐振器包括钢制树干和钢制树枝，钢制树干垂直固定在地表表面上，钢制树枝包括数阶钢制树枝，其中钢制一阶树枝与钢制树干的顶部固定连接，钢制树枝的顶部依次与其下阶钢制树枝的底部固定连接。将其固定在被保护物周围的地面上，在面波到达阵列时，通过波动模式转换将瑞丽波等面波分量转换为深层体波，实现结构抗震。抗震。抗震。


技术研发人员：李晓磊 白涌滔
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/18