一种地震超材料的制作方法

本发明涉及固体力学和建筑物抗震领域，尤其涉及一种地震超材料。

背景技术：

根据美国地质调查局的统计，全世界每年有数百万次地震，其中高于5.0级的地震有1000余次。地震造成大量人员伤亡和财产损失，其主要原因是地震引起了建筑物的损伤和倒塌。地震威胁着人类的生命安全，在人们选择的主动预防措施中除了地震预测和地震预警之外，从工程上建造经得起强震的抗震建筑是减少地震灾害最直接的方法。

最早期的建筑防震措施主要是对建筑结构进行抗震设计，该设计的工作原理是利用单个结构本身的非线性状态来储存和消耗地震能量。一般方法是加大建筑结构断面，增加配筋，保证结构具有足够的强度、刚度和延性，进而增强主体结构本身的抗震性能来抵御地震作用。但是该方法存在一些弊端，如减振装置的耐久性一般较差，使用寿命较短，在腐蚀性等恶劣环境中应谨慎使用，而且其中隔振支座价格昂贵，大面积铺设隔振支座受制于成本；而且工程上将建筑物加固抗震是有限的，对抗突发的高强度大地震也无能为力；此外，对一栋已经建成的建筑物，如古迹遗址，采用这种隔振方法是很难实现的。

考虑到以上问题，研究者逐渐从研究建筑结构本身的抗震设计转向了通过在目标建筑周围放置人工减震结构，将地震波与建筑分隔开来达到保护建筑的目的。把当前科学界的研究热点-超材料-应用到建筑物抗震中是解决上述问题的一个新思路。超材料(mtm)是指具有天然材料所不具有的特殊属性的人工复合材料。如图1所示，在建筑物周围建造超材料，在地震波到达建筑物之前对其进行控制并减弱，低成本实现建筑物的防震减灾。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种能够控制并减弱地震波的地震超材料，在建筑物周围地表掩埋地震超材料使地震波到达建筑物之前被控制并减弱，保护建筑物免受地震的破坏。

本发明提供了一种地震超材料，所述地震超材料由若干地震超材料单胞按照正方晶格周期排列而构成，地震超材料埋设在建筑物周围的地表下面，形成的地震超材料整体上为圆环形保护屏包围建筑物，用于对建筑物进行防震减灾。

进一步的，所述地震超材料单胞由橡胶块和钢块组成，钢块的每个面黏贴相应的橡胶块，橡胶块组合成封闭的空间将钢块包裹在其中；其中橡胶块的材料参数为：杨氏模量es＝1.6*10⁵pa，泊松比μs＝0.39和质量密度ρs＝1053kg/m³，钢块的材料参数为：杨氏模量est＝210gpa，泊松比μst＝0.3和质量密度ρst＝7850kg/m³。

进一步的，所述地震超材料单胞和钢块的形状均为长方体，钢块的体心和超材料单胞的体心重合；所述地震超材料单胞等效为质量-弹簧共振模型，其中钢块等效为质量块，橡胶块等效为弹簧；所述地震超材料单胞作为地震超材料中的共振单元在地震波作用下产生偶极共振，使地震超材料具有等效负质量密度，实现对带隙内地震波的有效衰减。

进一步的，所述钢块为一个1.2m*1.2m*4.2m的长方体，长方体钢块六个面的包裹橡胶块的厚度均为0.15m，地震超材料单胞为一个1.5m*1.5m*4.5m的长方体。可以通过调节地震超材料单胞(共振单元)的几何参数来获得不同频段处的带隙，从而适应固有频率不同的建筑物。

本发明提供了一种用于隔离地震波的地震超材料，将其放置于被保护建筑物周围，并嵌入地面，在地震波到达建筑物之前，对地震波进行有效的散射和衰减。

与现有技术相比，本发明的技术方案带来如下有益效果：本发明中的地震超材料由价格便宜易得的橡胶块和钢块组合而成；本发明不同于工程上传统抗震方法，不是在建筑物中安装减震结构，而是在建筑物周围地表掩埋地震超材料，利用它的带隙特性，使处于带隙内的地震波到达建筑物之前被控制并减弱，低成本实现建筑物的防震减灾。同时通过调整所述的地震超材料单胞中的橡胶块厚度和钢块的体积，可以得到不同地震波段带隙，从而适应不同固有振动频率的被保护建筑物。地震超材料能大幅度衰减地震波的能量，为建筑物的地震防护提供了一种新途径。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1是现有技术中在建筑物周围建造超材料实现建筑物防震减灾的示意图；

图2是本发明实施例中地震超材料埋设在建筑物周围的示意图；

图3是本发明实施例中地震超材料单胞的透视图；

图4是图3所示地震超材料单胞的另一视角的透视图；

图5是图3所示地震超材料单胞的另一视角的透视图；

图6是本发明实施例中地震超材料产生的表面波带隙图；

图7是本发明实施例中制作的地震超材料单胞的实验样品图；

图8是本发明实施例抗震模拟实验中实验测试系统框架图；

图9是本发明实施例抗震模拟实验的实验装置实物图；

图10是本发明实施例抗震模拟实验的样品布置图；

图11是本发明实施例抗震模拟实验的透射谱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

如图2所示，地震超材料埋在建筑物周围的地表下面，如树木、草坪下面，组成地震超材料的单胞之间是按照正方晶格周期排列；最后形成的地震超材料整体上形成圆环形保护屏包围建筑物。

请参考图3-图5，本发明的实施例提供了一种用于隔离地震波的超材料，将其放置于被保护建筑物的周围，并嵌入地面，在地震波到达建筑物之前，对地震进行有效的散射和衰减。

本发明实施例中地震超材料是由若干个橡胶块包裹着的钢块按照正方晶格周期排列而形成的人工材料，地震超材料单胞的形状为长方体，其底面为正方形，边长a＝1.5m，长方体的高h＝4.5m。包裹在橡胶块中的钢块为一个1.2m*1.2m*4.2m的长方体，钢块四周包裹橡胶块的厚度b均为0.15m，钢块的体心与超材料单胞的体心重合。地震超材料中所使用的钢块的材料参数为：杨氏模量est＝210gpa，泊松比μst＝0.3和质量密度ρst＝7850kg/m³；地震超材料中所使用的橡胶块的材料参数为：杨氏模量es＝1.6*10⁵pa，泊松比μs＝0.39和质量密度ρs＝1053kg/m³。

所述地震超材料单胞等效为质量-弹簧共振模型，其中钢块等效为质量块，橡胶块等效为弹簧；所述地震超材料单胞作为地震超材料中的共振单元在地震波作用下产生偶极共振，使地震超材料具有等效负质量密度，实现对带隙内地震波的有效衰减；同时可以通过调节超材料单胞(共振单元)的几何参数来获得不同频段处的带隙，从而适应固有频率不同的建筑物。本发明实施例中的地震超材料能大幅度降低地震波的能量，为建筑物的地震防护提供一种新途径。

本发明实施例中的地震超材料的是基于共振结构产生带隙特性，使带隙内的地震波都无法透过该屏障。其中隔震频率与结构的几何参数有关，可以调整参数适应不同被保护的建筑物。与传统的工程抗震相比，本发明实施例中的能对一定波段地震波进行衰减，不仅可以保护目标建筑物，而且对目标建筑物后面区域的建筑物也有保护作用。

本发明实施例中地震超材料的能带结构是描述其带隙特性的主要方法。能带结构是指系统的能量与动量之间的关系，又叫色散曲线或者频散曲线。能带结构中，存在色散曲线的频率范围称为通带；通带内能带切线的斜率为群速度，可以用来表征波动能量传播的方向和快慢。声波或弹性波在人工周期结构即地震超材料中传播会出现频散现象，通过质量密度和弹性常数的周期性调制会出现带隙，频率落在带隙内的声波或弹性波不能通过地震超材料传播。

本发明实施例中地震超材料产生的表面波带隙为4hz-10hz，如图6所示。在该带隙频率范围内，地震波无法透射过去，从而保护地震超材料后方的建筑物。本发明实施例中的地震超材料既具备了带隙的特性，又易于实现，且结构简单。另外，可以通过调整本发明实施例中的地震超材料中的橡胶厚度和钢块的体积，从而得到不同地震波段带隙以适应不同固有频率的被保护建筑物。

本发明实施例中地震超材料的抗震模拟实验

因为地震超材料的实地测试需要较大的试验场地和大型设备，本发明实施例进行了按照1:30比例缩小的模型实验。其中地震超材料单胞是用橡胶块包裹钢块构成，钢块的长和宽均为40mm，高为140mm，围绕钢块六个面的橡胶块包层厚度均为5mm，用胶水将两者粘在一起，制成的实验样品如图7所示。另外，定制了一个长1.2m、宽0.5m、深0.5m的玻璃盒，里面填充沙土作为地震波的传播介质。

减震测试系统包括激振器、信号发生器、两个加速度计和动态信号收集器等设备，如图8所示。具体的测试过程：信号发生器(标号a)产生激励信号，其扫描频率为40-360hz，通过功率放大器放大，使激振器在盒子的一侧激发弹性波，弹性波在本发明实施例制作的地震超材料的实验样品中传播，在样品后安装加速度计(标号f)测量地表振动位移，为了进行对比分析，同时在没有经过样品的地方安装一个加速度计(标号e)，测量没有经过样品的地表振动位移，然后经过数据采集系统输入到计算机(标号h)，经过系统软件处理得到频率响应谱，本发明实施例中抗震模拟实验的实验装置实物图如图9所示。

本实施例中分别测得了地震超材料布置成一排共振单元、二排共振单元、四排共振单元和环绕一圈共振单元时对应的透射谱，样品布置图和实验结果谱图分别如图10和图11所示。分析图10和图11可以发现在110hz-300hz地震面波发生衰减，而且随着样品布置排数增多，衰减幅度增大。该衰减域对应于30倍尺寸地震超材料的带隙频率范围为3.6hz-10hz。

综上所述，本发明实施例提供了一种地震超材料，其由价格便宜易得的橡胶块和钢块组合而成；通过在建筑物周围地表掩埋地震超材料，利用它的带隙特性，使处于带隙内的地震波到达建筑物之前被控制并减弱，低成本实现建筑物的防震减灾。本发明实施例中的地震超材料能大幅度衰减地震波的能量，为建筑物的地震防护提供了一种新途径。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。