一种低频减震九子圆桩地震超颖结构

1.本发明涉及一种低频减震九子圆桩地震超颖结构，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.我国处于欧亚地震带和环太平洋地震带之间，地震频发、强度大、震源浅、地震危险性高，城市承载体震害严重，许多工程有着庞大且复杂的结构，例如变电站，由于能源基地与用电负荷分布不均，大量变电站需建设于地震烈度高的抗震不利地区。地震造成的结构破坏、人员伤亡以及地震引起的次生灾害都会带来巨大的经济损失同时给社会带来不可逆转的伤害。因此，对于地震的防控，尤其是针对重大工程的地震防控，就显得尤为重要。在多种类型的地震波中，地震表面波由于频率低、振幅高、衰减慢等特性，其对建筑物的破坏最为严重。以往大量的震害研究表明，0.1
‑
20hz范围以内的地震波容易引起建筑物共振。
3.常用的抗震方法中，消能减震通长是在建筑中布置消能减震构件，通过构件弹塑性变形消耗一部分地震能量，进而减少施加在建筑上的地震能量。然而这种方法在大震下，可能会使建筑发生大的弹塑性变形。最近，固体力学领域研究的“地震超颖结构”为抗震保护提供了一中新途径。基于声子晶体理论，利用声子晶体控制机械波原理，对材料关键物理尺寸进行有序结构设计，获得具有超常物理性质的周期性结构，即地震超颖结构。为有效控制和衰减低频地震表面波，减少震害损失，本发明引用“地震超颖结构”这一定义，采用混凝土和钢组成减震结构，结构简单、灵活性强、便于施工操作，对于保护诸如变电站、古建筑等重大建筑结构具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明所设计的一种低频减震九子圆桩地震超颖结构涉及一种用于衰减地震表面波的地震超颖结构。其目的是为了提供一种全方位、多角度衰减地震表面波、保护建筑、取材简单、布置方便、有效减少地震灾害、减小建筑灾后修复和维护成本的低频减震九子圆桩地震超颖结构。
5.本发明涉及的一种低频减震九子圆桩地震超颖结构，该地震超颖结构由多个地震超颖结构单胞在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；每个地震超颖结构单胞包括第一钢桩(1)、第二钢桩(3)、第一空心混凝土桩(2)、第二空心混凝土桩(4)和土壤层(5)。土壤层(5)截面为方形，在其上分布有九个圆形通孔。其中，四个小圆形通孔分别位于方形四条边中心，与大圆形通孔的中心间距均相等。其余四个小圆形通孔分别位于方形的四个对角，与大圆形通孔的中心间距均相等。每个小圆形通孔中心间距相等。第一钢桩(1)和第一空心混凝土桩(2)设置在大圆形通孔中间。第二钢桩(3)和第二空心混凝土桩(4)设置在八个小圆形通孔中间。第一钢桩(1)、第二钢桩(3)截面均为圆形。第一空心混凝土桩(2)、第二空心混凝土桩(4)截面均为圆环。
6.第一钢桩(1)半径为0.4m，高度18m，选用普通碳素结构钢。第二钢桩(3)半径为
0.1m，高度18m，选用普通碳素结构钢。第一空心混凝土桩(2)外径0.45m，内径0.4m，高度18m，选用c20
‑
c30素混凝土。第二空心混凝土桩(4)外径0.15m，内径0.1m，高度18m，选用c20
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c30素混凝土。土壤层(5)方形截面边长2m，高度18m，材质为砂土。四个位于方形结构四条边中心的小型圆桩，与大圆桩的中心间距均为0.7m。其余位于方形结构的四个对角的小型圆桩，与大圆桩的中心间距均为0.99m。每个小型圆桩中心间距均为0.7m。
7.本发明结构布置在建筑基础周边，结构顶面与地表平齐，沿建筑物环向布置，距离建筑物水平距离6m。本发明的单胞结构延拓后所组成的周期性结构外围尺寸不小于建筑物基础尺寸。
8.本发明的技术方案是：
9.一种低频减震九子圆桩地震超颖结构，由所设计的地震超颖结构单胞沿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，在一定范围内沿建筑环向分段布置，利用周期性结构的带隙特性，衰减4
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16hz范围内的地震表面波，保护建筑免受地震表面波的危害。
10.第一钢桩(1)、第二钢桩(3)、第一空心混凝土桩(2)、第二空心混凝土桩(4)、土壤层(5)高度均相同，上下表面在同一水平面上。
11.第一钢桩(1)、第二钢桩(3)截面均为圆形，第一空心混凝土桩(2)、第二空心混凝土桩(4)截面均为圆环，土壤层(5)截面为方形。
12.第一钢桩(1)和第一空心混凝土桩(2)与土壤层(5)轴心相互重合。
13.本发明所设计的低频减震九子圆桩地震超颖结构采用不同材料制备。
14.本发明所设计的低频减震九子圆桩地震超颖结构的材质包括混凝土、钢和土壤。请参阅图2和图3，其中，混凝土的密度ρ1＝2500kg/m3；杨氏模量e1＝4
×
10
10
pa；泊松比γ1＝0.2；钢的密度ρ2＝7850kg/m3；杨氏模量e2＝2.1
×
10
11
pa；泊松比γ2＝0.3；土壤层的土壤密度ρ3＝1800kg/m3；杨氏模量e3＝2
×
107pa；泊松比γ3＝0.3。
15.与现有的消能减震抗震方法相比，本发明至少具有以下优点：
16.1)本发明所设计的低频减震九子圆桩地震超颖结构是一种周期性结构，本发明的结构是基于声子晶体理论所设计的，具有带隙特性，可以有效控制和衰减4
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16hz范围内地震表面波。利用此低频减震九子圆桩地震超颖结构，共振频率在4
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16hz范围内的各种建筑结构，均可以得到有效的保护。
17.2)本发明索设计的地震超颖结构，不仅可以有效的控制和衰减在4
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16hz范围内的地震表面波，对4
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16hz范围内的弹性表面波同样具备一定的衰减作用。
18.3)本发明所设计的地震超颖结构不设置在建筑结构本身，而是布置在建筑结构周边。当地震发生时，在带隙范围内的地震表面波会被所设计地震超颖结构衰减甚至隔绝，进而无法通过所设计结构，从而起到保护建筑结构的作用。
19.4)进一步的，当大震发生时，若带隙包含共振频率，在带隙频率范围内的地震表面波会被衰减或隔绝，从而避免建筑物发生危险的弹塑性变形而造成无法挽回的危害。
20.5)本发明所设计的低频减震九子圆桩地震超颖结构，所使用的材料都是建筑工程常用的材料。本设计所使用的钢、混凝土和砂土，三种材料在建筑施工过程中十分常见，容易获取。
21.6)进一步的，本发明所设计的地震超颖结构结构构造较为简单，主要由两种不同
尺寸的钢桩和空心混凝土桩以及土壤层三部分组成。便于加工制造，施工操作方便。
22.7)本发明所设计的低频减震九子圆桩地震超颖结构，应用十分灵活。由于不同地区地质条件及建筑环境等存在差异，通过调整地震超颖结构各组成部分的材料参数或尺寸大小，可以满足不同场地条件和建筑结构的抗震需求。
23.8)进一步的，根据建筑结构所在区域的环境及地质条件的不同，可以灵活地调整所设计的地震超颖结构的布置形式。可以调整所设计地震超颖结构沿建筑物的分段以及环向布置情况，充分利用场地条件，提高灵活性，增大抗震效益。
附图说明
24.图1为本发明所提供的地震超颖结构布置示意图。
25.图2为本发明所提供的一种低频减震九子圆桩地震超颖结构单胞。
26.图3为本发明所提供的一种低频减震九子圆桩地震超颖结构单胞俯视图。
27.图4为本发明所提供的一种低频减震九子圆桩地震超颖结构能带结构图。
28.图5为本发明所提供的当沿γх方向激发瑞利波时，十排低频减震九子圆桩地震超颖结构单胞所组成的地震超颖结构透射谱。
29.其中：1.第一钢桩；2.第一混凝土桩；3.第二钢桩；4.第二混凝土桩；5.土壤层。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
31.低频减震九子圆桩地震超颖结构单胞由第一钢桩(1)、第二钢桩(3)、第一空心混凝土桩(2)、第二空心混凝土桩(4)、土壤层(5)组成。
32.第一步，在第一钢桩(1)的外侧，首先包覆第一空心混凝土桩(2)，得到大圆桩。第二步，在第二钢桩(3)的外侧，包覆第二空心混凝土桩(4)，得到小型圆桩。重复第二步步骤得到八根小型圆桩。
33.第一钢桩(1)的外侧与第一空心混凝土桩(2)内侧紧密贴合。同样，第二钢桩(3)的外侧与第二空心混凝土桩(4)内侧紧密贴合。
34.之后，按图1结构布置示意图挖好土坑。按照图3所示摆放好九根圆桩。四个小型圆桩分别位于方形结构四条边中心，与大圆桩的中心间距均为0.7m。其余四个小型圆桩分别位于方形结构的四个对角，与大圆桩的中心间距均为0.99m。每个小型圆桩中心间距均为0.7m。最后装填土壤，得到边长为2m，高度为18m的低频减震九子圆桩地震超颖结构单胞。
35.第一钢桩(1)、第二钢桩(3)、第一空心混凝土桩(2)、第二空心混凝土桩(4)、土壤层(5)高度均相同，上下表面在同一水平面上。
36.重复上述步骤，参照图1所示结构布置示意图，制作剩下的地震超颖结构单胞，沿建筑物周围分段环向布置。
37.如图2和图3所示，低频减震九子圆桩地震超颖结构第一钢桩(1)半径为0.4m，高度18m，选用普通碳素结构钢。第二钢桩(3)半径为0.1m，高度18m，选用普通碳素结构钢。第一空心混凝土桩(2)外径0.45m，内径0.4m，高度18m，选用c20
‑
c30素混凝土。第二空心混凝土桩(4)外径0.15m，内径0.1m，高度18m，选用c20
‑
c30素混凝土。土壤层(5)方形截面边长2m，高度18m，材质为砂土。
38.具体材料参数为：
39.混凝土：密度ρ1＝2500kg/m3；杨氏模量e1＝4
×
10
10
pa；泊松比γ1＝0.2；
40.钢：密度ρ2＝7850kg/m3；杨氏模量e2＝2.1
×
10
11
pa；泊松比γ2＝0.3；
41.土壤：密度ρ3＝1800kg/m3；杨氏模量e3＝2
×
107pa；泊松比γ3＝0.3；
42.如图4所示，给出了本发明所设计的地震超颖结构的能带结构图，其中，能带结构的全带隙范围用浅灰色区域标出。计算发现，本发明所设计的地震超颖结构在4
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16hz范围内存在带隙，在可以调控的衰减地震表面波区域内，存在四条全带隙，分别为：第一条：4.27hz
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7.49hz；第二条：9.83
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10.84hz；第三条：11.65hz
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13.73hz；第四条：14.52hz
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15.51hz。带隙总宽度7.3hz。
43.如图5所示，给出了本发明所设计的地震超颖结构的透射谱。当在距地震超颖结构40m处，沿γx方向激发瑞利波时，由十排九子圆桩地震超颖结构单胞所组成的地震超颖结构的透射谱。其中，透射谱的衰减区由浅灰色区域标出。可以发现，透射谱计算得出的衰减区与能带结构的全带隙基本一致。这说明，位于全带隙频率范围内的地震表面波，可以被本发明所设计的低频减震九子圆桩地震超颖结构有效地控制和衰减。
44.综上所述，本发明所设计的一种低频减震九子圆桩地震超颖结构减震性能良好。与现有的消能减震抗震方式相比，其结构简单、可操作性强。因其具有低频带隙特性，在地震发生时，可以对低频地震表面波进行有效的控制和衰减。这对于保护建筑物，尤其是诸如变电站、古建筑等重大建筑结构具有十分重要的意义。