一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障

1.本发明涉及土木工程环境隔震技术领域，尤其涉及一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障。


背景技术：

2.地震发生时，由震源处向外辐射地震波，地震波传播至地面建(构)筑物的地表处，造成既有建(构)筑物的震动进而导致其倒塌，严重危害人们生命财产安全。其中地震波中的rayleigh波对地表建筑结构危害最大。现如今的在传播路径上的隔震方法主要是在地震波的辐射方向上设置隔震周期性排桩、空心管桩、填充沟等隔震屏障，这些隔振结构对低频地震波的隔离效果较差。
3.为解决上述问题。本发明通过调控弹簧数量来改变弹簧刚度和一个便携式密度可改变的核心质量块，结合共振器自身谐振特性，进而可应对不同频率范围的低频地震波来实现带隙便携式根据需要可调控的性能，从而提出一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障。该结构由可调节频率带隙的新型共振器结构组成，可在各种大型基础建筑上作为隔震使用，并且应用方式简便，同时应对不同范围对基础建筑有害的震动频率的波可实现便携式打开不同范围低频带隙，进而对各种低频地震波进行隔离。为此，我们提出了一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障来解决上述问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障，包括若干个新型共振器，若干个新型共振器矩形阵列分布，所述新型共振器包括顶部盖板、外部壳体、螺栓、弹簧组和核心质量块，可通过调节共振器填充物块的材料和弹簧组的刚度，得到不同频率带宽，实现不同频率弹性波的隔离；
6.顶部盖板为截面尺寸边长为a，厚度为t的长方体结构，其作用为方便开合盖去便携式的调节弹簧组的数量，进而改变弹簧组的刚度；外部壳体为带有壁厚的长度为a，宽度为a，深度为h，壁厚为t的无盖长方体空腔结构，其作用用来保护内部弹簧组和核心质量块，以免受到土壤的侵袭，使其成为一个整体；外部壳体的截面尺寸与顶部盖板的截面尺寸相同；核心质量块尺寸为长度:宽度:深度:厚度＝a1:a1:a1:t的无盖空心正方体空腔结构。
7.在一个优选地实施方式中，所述核心质量块位于外部壳体内部，所述外部壳体的上方安装有顶部盖板，所述顶部盖板的四个边角位置处均设置有螺栓，所述顶部盖板和外部壳体通过螺栓可拆卸连接，所述核心质量块和外部壳体之间安装有弹簧组。
8.在一个优选地实施方式中，所述核心质量块包括核心壳体、核心盖板、垂直抽拉盒和填充物块，所述核心盖板位于核心壳体的上方，且四角位置处均设置有螺栓,核心盖板通过螺栓与核心壳体固定，垂直抽拉盒位于核心壳体的内部，并呈直线阵列分布，填充物块位
于垂直抽拉盒内部，通过对每个垂直抽拉盒可放不同材质密度的填充物块和改变盒内分区物体的数量进而来达到可调节频率带隙的目的；
9.核心盖板为截面尺寸边长为a，厚度为t的长方体结构。
10.在一个优选地实施方式中，所述弹簧组包括五组弹簧，分别位于核心质量块的四个侧面和底部，位于核心质量块底部的弹簧数量不变，位于核心质量块四个侧面的弹簧数量均可改变，所述弹簧可选择锰钢材质构成。
11.在一个优选地实施方式中，通过调节侧面的四组弹簧，使得所述弹簧组的弹性刚度为9.8
×
103n/m、9.8
×
104n/m、9.8
×
105n/m、9.8
×
106n/m、9.8
×
107n/m中的某一种。
12.在一个优选地实施方式中，所述填充物块的材质可选择木块、硅渣块、大理石、铝渣块、花岗岩、铸铁块、镍渣块、钨渣块中的一种。
13.在一个优选地实施方式中，所述垂直抽拉盒的数量设置成四个，四个垂直抽拉盒的竖截面尺寸总和与核心壳体的内腔竖截面尺寸相等设置，垂直抽拉盒中可以放置不同的填充物块。
14.在一个优选地实施方式中，位于核心质量块下方的所述弹簧的两端分别与核心质量块的外底壁和外部壳体的内底壁固定连接，位于核心质量块四侧的所述弹簧的两端分别与核心质量块的外侧壁和外部壳体的内侧壁可拆卸连接。
15.在一个优选地实施方式中，所述顶部盖板和外部壳体均采用混凝土材质构成，所述核心壳体和核心盖板均采用混凝土材质构成。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
17.1、通过本发明设置的整体结构，与现有技术相比，在地震波辐射过程中，可以便携式地调控弹簧刚度和核心质量块材质密度，进而隔离不同频率范围的地震波来保护各种大型基础建筑不因为共振而倒塌。本发明针对传统传播路径隔震措施装置不能实现低频、便携的去调控打开不同频率范围带隙的问题，通过分析可调节频率带隙的新型共振器结构能带图，发现利用本发明通过周期性地布置在既有建构筑物地震波传播路径地表处，当地震发生时，通过可调节频率带隙的新型共振器结构谐振特性和改变其弹簧刚度和核心质量块的密度来得到带隙的灵活调控性。
18.2、与现有技术相比，本发明将可调节频率带隙的新型共振器结构周期性地布置在距离既有建(构)筑物地表一定深度下方，进而形成一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障。本发明通过可调刚度的弹簧和可调密度的核心质量块，进而使可调节频率带隙的新型共振器结构谐振特性充分发挥并产生不同频率的带隙，当与不同频率范围内的地震波相互作用时而灵活的将地震波进行隔离，并将不同频率范围内的地震波中对既有建构筑物有害的面波完全隔离来达到其便携式可调带隙的特点。
19.3、通过本发明设计的整体结构，与传统在地震波辐射路径隔震措施相比有以下优点：(1)可便携式的调节核心块的密度与弹簧的刚度来灵活得到不同频率范围的低频带隙；(2)本发明构造简单，安装方便，造价低，尺寸小发挥作用大；(3)本发明可充分利用其不同频率范围带隙并结合其周期性排列充分发挥了其隔震能力。
附图说明
20.图1为本发明提出的一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障外部壳体的结构
示意图。
21.图2为本发明提出的一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障的整体结构示意图。
22.图3为本发明提出的一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障的外壳体横截面剖视图。
23.图4为本发明提出的一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障的核心质量块的结构示意图。
24.图5为本发明提出的一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障的外壳体竖截面剖视状态下的爆炸图。
25.图6为本发明提出的一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障安装时的示意图。
26.图7为本发明利用数值软件对一种可调节频率带隙的新型共振器结构进行数值软件模拟图。
27.图8为本发明提出的不同填充物块与不同刚度对应的带隙宽度的曲线示意图。
28.图9为本发明提出的木块、硅渣块、大理石、铝渣块与不同刚度对应的带隙宽度的表格示意图。
29.图10为花岗岩、铸铁块、镍渣块和钨渣块与不同刚度对应的带隙宽度的表格示意图。
30.图中：1、顶部盖板；2、外部壳体；3、螺栓；4、弹簧组；5、核心质量块；501、核心壳体；502、核心盖板；503、垂直抽拉盒；504、填充物块。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.实施例1
33.如附图1-5所示的一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障，包括若干个新型共振器，若干个新型共振器矩形阵列分布，新型共振器包括顶部盖板1、外部壳体2、螺栓3、弹簧组4和核心质量块5，核心质量块5位于外部壳体2内部，外部壳体2的上方安装有顶部盖板1，顶部盖板1的四个边角位置处均设置有螺栓3，顶部盖板1和外部壳体2通过螺栓3可拆卸连接，顶部盖板1和外部壳体2均采用混凝土材质构成，核心质量块5和外部壳体2之间安装有弹簧组4。
34.具体的，核心质量块5包括核心壳体501、核心盖板502、垂直抽拉盒503和填充物块504，核心盖板502位于核心壳体501的上方，且四角位置处均设置有螺栓3,核心盖板502通过螺栓3与核心壳体501固定，垂直抽拉盒503位于核心壳体501的内部，并呈直线阵列分布，填充物块504位于垂直抽拉盒503内部，本实施例中填充物块504为硅渣块，核心壳体501和核心盖板502均采用混凝土材质构成。
35.进一步的，弹簧组4包括五组弹簧，分别位于核心质量块5的四个侧面和底部，位于核心质量块5底部的弹簧数量不变，位于核心质量块5四个侧面的弹簧数量均可改变，弹簧可选择锰钢材质构成，通过调节侧面的四组弹簧，使得弹簧组4的弹性刚度为9.8
×
103n/m。
36.除此之外，垂直抽拉盒503的数量设置成四个，四个垂直抽拉盒503的竖截面尺寸总和与核心壳体501的内腔竖截面尺寸相等设置，垂直抽拉盒503中可以放置不同的填充物块504。
37.不得不说的是，位于核心质量块5下方的弹簧的两端分别与核心质量块5的外底壁和外部壳体2的内底壁固定连接，位于核心质量块5四侧的弹簧的两端分别与核心质量块5的外侧壁和外部壳体2的内侧壁可拆卸连接。
38.本实施例还提供一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障的安装方法，首先安装好外部壳体2，将外部壳体2埋设在地里，之后在核心质量块5的外底壁安装弹簧，并使得弹簧的顶端与核心质量块5的外底壁固定连接，之后在核心质量块5的外侧壁安装弹簧，使得弹簧的一端部与核心质量块5的外侧壁可拆卸连接，然后将连接弹簧的核心质量块5放置进外部壳体2中，并将核心质量块5下方的弹簧的另一端部与外部壳体2的内底壁固定连接，将核心质量块5四侧壁的弹簧的另一端与外部壳体2的内侧壁可拆卸连接，从而使得所有弹簧形成弹簧组4；
39.接着将填充物块504放置在垂直抽拉盒503，之后将四个装有填充物块504的垂直抽拉盒503放置进核心壳体501中，在核心壳体501上方盖好核心盖板502后通过螺栓3将核心盖板502固定，接着盖好顶部盖板1，并通过螺栓3将顶部盖板1进行固定，安装完毕。
40.实施例2
41.本实施例提供另一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障，由若干个新型共振器矩形阵列分布而成，其中新型共振器包括顶部盖板1、外部壳体2、螺栓3、弹簧组4和核心质量块5，核心质量块5位于外部壳体2内部，外部壳体2的上方安装有顶部盖板1，顶部盖板1的四个边角位置处均设置有螺栓3，顶部盖板1和外部壳体2通过螺栓3可拆卸连接，核心质量块5和外部壳体2之间安装有弹簧组4，核心质量块5包括核心壳体501、核心盖板502、垂直抽拉盒503和填充物块504，核心盖板502位于核心壳体501的上方，且四角位置处均设置有螺栓3,核心盖板502通过螺栓3与核心壳体501固定，垂直抽拉盒503位于核心壳体501的内部，并呈直线阵列分布，填充物块504位于垂直抽拉盒503内部。
42.进一步的，弹簧组4包括五组弹簧，分别位于核心质量块5的四个侧面和底部，位于核心质量块5底部的弹簧数量不变，位于核心质量块5四个侧面的弹簧数量均可改变，弹簧可选择锰钢材质构成，通过调节侧面的四组弹簧，使得弹簧组4的弹性刚度为9.8
×
103n/m、9.8
×
104n/m、9.8
×
105n/m、9.8
×
106n/m、9.8
×
107n/m中的某一种。
43.值得注意的是，填充物块504的材质可选择木块、硅渣块、大理石、铝渣块、花岗岩、铸铁块、镍渣块、钨渣块中的一种。
44.除此之外，垂直抽拉盒503的数量设置成四个，四个垂直抽拉盒503的竖截面尺寸总和与核心壳体501的内腔竖截面尺寸相等设置，垂直抽拉盒503中可以放置不同的填充物块504。
45.不得不说的是，位于核心质量块5下方的弹簧的两端分别与核心质量块5的外底壁和外部壳体2的内底壁固定连接，位于核心质量块5四侧的弹簧的两端分别与核心质量块5的外侧壁和外部壳体2的内侧壁可拆卸连接。
46.更进一步的，顶部盖板1和外部壳体2均采用混凝土材质构成，核心壳体501和核心盖板502均采用混凝土材质构成
47.首先安装好外部壳体2，将外部壳体2埋设在地里，之后在核心质量块5的外底壁安装弹簧，并使得弹簧的顶端与核心质量块5的外底壁固定连接，之后在核心质量块5的外侧壁安装弹簧，使得弹簧的一端部与核心质量块5的外侧壁可拆卸连接，然后将连接弹簧的核心质量块5放置进外部壳体2中，并将核心质量块5下方的弹簧的另一端部与外部壳体2的内底壁固定连接，将核心质量块5四侧壁的弹簧的另一端与外部壳体2的内侧壁可拆卸连接，从而使得所有弹簧形成弹簧组4；
48.接着将填充物块504放置在垂直抽拉盒503，之后将四个装有填充物块504的垂直抽拉盒503放置进核心壳体501中，在核心壳体501上方盖好核心盖板502后通过螺栓3将核心盖板502固定，接着盖好顶部盖板1，并通过螺栓3将顶部盖板1进行固定，安装完毕。
49.参照图1-6，可知结构顶部盖板1的尺寸为a:b:t＝2m:2m:0.1m；混凝土盒a:b:h:t＝2m:2m:1.9m:0.1m；弹簧间距d为0.2m，且通过卸下弹簧，进而来改变弹簧的间距；核心质量块5的尺寸a1:b1:h1:t＝1.2m:1.2m:1.1m:0.1m；核心盖板502的尺寸为a1:t＝1.2m:0.1m。
50.其中材料参数中混凝土密度ρ＝2500kg/m3、杨氏模量e＝4
×
10
10
pa、泊松比μ＝0.3；硅渣块密度ρ＝2330kg/m3、杨氏模量e＝1.6
×
10
11
pa、泊松比μ＝0.28；弹簧的弹性系数为k＝9.8
×
103n/m。
51.参照图7-9，利用数值软件对一种可调节频率带隙的新型共振器结构进行数值软件模拟，其中模拟结果仅是其中一种频率带隙；图7图表部分灰色区域是可调节频率带隙的新型共振器结构所打开的带隙，带隙的范围0.02-10.41hz，说明了本可调节频率带隙的新型共振器结构可有效隔离地震波中的对地表建筑结构危害最大rayleigh波，将多个本发明提出的可调节频率带隙的新型超材料隔振屏障矩形排列分布在地表上参照图6，进而构成隔震屏障，由周期性的布置本可调节频率带隙的新型共振器结构的隔震屏障的低频隔震效果更加好，隔震带隙范围更宽。
52.为了进一步说明本发明的可调节频率带隙特点，参照图7-9，是对一种可调节频率带隙的新型共振器结构在核心质量块密度和弹簧刚度都不同条件下进行数值软件模拟，图8是八种物体在不同刚度的弹簧层下带隙的上下界，图9-10表明了在同一种弹簧刚度不同材料密度下与同一种材料与不同弹簧刚度下，一种可调节频率带隙的新型共振器结构带隙打开范围曲线图，结果表明弹簧刚度相同条件下，核心质量块密度越大带隙范围就越大隔震效果越好；核心质量块密度相同条件下，弹簧刚度越大带隙范围逐渐减小，隔震效果减弱。因此可以在不同的条件下和不同的方法进行自己想要的带隙范围。
53.由以上可知，本发明一种可调节频率带隙的新型超材料隔震屏障，可以通过便携式的改变弹簧刚度和更换核心质量块的密度进而来改变本发明的隔震带隙，并且对低频地震波隔震效果优良。
54.最后应说明的几点是：首先，在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
55.其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
56.最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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。