本发明涉及超材料领域，具体是一种共振型超材料单胞结构及埋地式隔振屏障系统。
背景技术：
1、地震由于具有不可预测性和极大的破坏性，在世界范围内已经造成了难以估量的损失，被认为是最具灾难性的自然灾害之一。地震通过地震波的形式传递能量，地震波又可以分为体波和面波，当体波传递到地球表面时会形成rayleigh波，其具有振幅大、衰减慢、传播距离远等特点，是造成建筑破坏的主要因素。
2、由于地震烈度的不可预测，通过提高结构构件的承载力来抵抗地震作用，会增加施工成本，且在构件受损后修复代价大。为降低成本，还可选择在建筑基础或楼层间设置隔震装置(如橡胶支座、摩擦摆支座)，通过延长结构自振周期，减少地震能量向上部结构的传递；或在建筑内安装阻尼器(黏滞阻尼器、金属屈服阻尼器)吸收地震能量。然而依赖固定参数的隔震支座或阻尼器，在抗震阶段仅对特定频段有效，难以覆盖地震波的宽频特性，若地震主频超出设计范围，隔震效果显著下降，因此亟待解决。
技术实现思路
1、为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种共振型超材料单胞结构及埋地式隔振屏障系统。本发明可有效覆盖地震的主频率范围，在较宽的频率范围内完全隔断地震波能量传递，隔震效果明显且成本较低。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种共振型超材料单胞结构，包括内部处于密封状态的封闭箱，支撑柱设置在封闭箱内，且支撑柱上沿轴向等间距间隔设置有与支撑柱同轴布置的橡胶环，位于支撑柱两端的橡胶环外圈同轴固定有稳定环，稳定环与封闭箱的箱壁贴合布置，位于两稳定环之间的各橡胶环外圈同轴固定有谐振环，各谐振环的外径以及内径相等，且各谐振环的厚度不相等。
4、作为本发明进一步的方案：稳定环、支撑柱以及封闭箱均为钢材料，谐振环为铅材料。
5、作为本发明再进一步的方案：各橡胶环与其外圈相对应的稳定环以及谐振环厚度相等；各稳定环以及谐振环的内径以及外径相等。
6、作为本发明再进一步的方案：封闭箱为正立方体式构造，支撑柱沿封闭箱的轴向中心线方向布置。
7、作为本发明再进一步的方案：封闭箱为分体式构造，包括两端开口的筒体，筒状两端的开口通过盖板封闭。
8、作为本发明再进一步的方案：支撑柱、橡胶环、谐振环以及稳定环之间粘接固定，盖板与稳定环之间焊接定位。
9、作为本发明再进一步的方案：谐振环布置有两组，共振型超材料单胞结构包括两组独立频率范围的带隙，分别定义为第一带隙以及第二带隙；封闭箱以及支撑柱共同形成基体，以基体的质量、谐振环的质量以及橡胶环的有效刚度为设计变量，计算第一带隙以及第二带隙的频率范围；
10、第一带隙和第二带隙的起始频率为：
11、|k1-ω12m1|＝0
12、
13、其中：ω1为第一带隙以及第二带隙的起始频率；
14、m1为第一结构质量矩阵；
15、k1为第一结构刚度矩阵；
16、m1以及m2分别为两组谐振环的质量；
17、k1以及k2分别为两组谐振环外圈对应橡胶环的有效刚度；
18、求解得到ω1的两组取值，较小值为第一带隙的起始频率，较大值为第二带隙的起始频率；
19、第一带隙和第二带隙的截止频率为：
20、|k2-ω22m2|＝0
21、
22、ω2为第一带隙以及第二带隙的截止频率；
23、m2为第二结构质量矩阵；
24、k2为第二结构刚度矩阵；
25、m3为基体的质量；
26、求解得到ω2的两组取值，较小值为第一带隙的截止频率，较大值为第二带隙的截止频率。
27、作为本发明再进一步的方案：m1＝ρ3π(r32-r22)t2；
28、m2＝ρ3π(r32-r22)t3；
29、m3＝ρ1[2.3a2-h(a-2t1)2+πr12h+2πt2(r32-r22)]+2πρ2(r22-r12)t2；
30、其中：ρ3为谐振环的材料密度；
31、r2为谐振环的外径；
32、r3为谐振环的内径；
33、t2以及t3分别为两组谐振环的厚度；
34、ρ1为钢材料密度；
35、ρ2为橡胶环的材料密度；
36、a为晶格常数，取值为1.5m≤a≤2.5m；
37、h为支撑柱的高度；
38、t1为盖板的厚度；
39、r1为支撑柱的半径。
40、作为本发明再进一步的方案：橡胶环的有效刚度为：
41、
42、其中：e为橡胶环的杨氏模量；
43、λ以及μ均为拉梅常数，
44、ν为橡胶环的泊松比。
45、一种埋地式隔振屏障系统，待隔振建筑物周向均匀布置有所述的一种共振型超材料单胞结构，各共振型超材料单胞结构预埋至地下，并与地表平齐布置。
46、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
47、1、本发明通过橡胶环、谐振环和稳定环的刚度梯度设计，且谐振环的厚度形成差异，因此形成两个独立频率范围的带隙，分别为1.31～9.19hz、9.68～18.21hz，基本可以覆盖频率在20hz以内的rayleigh波，振动抑制频段覆盖较宽，可以有效保护位于波屏障后的既有建筑或对地震敏感性高的建筑；当rayleigh波与超材料结构相互作用后，一部分由于共振单元产生强烈的耦合作用，使其不能继续前进，一部分转化为体波模态向地底深处传播，可有效覆盖地震的主频率范围，在较宽的频率范围内完全隔断地震波能量传递，隔震效果明显且成本较低。
48、2、本发明的稳定环与封闭箱内壁贴合，且橡胶环受谐振环以及稳定环约束以阻止橡胶环产生径向变形，避免共振时结构失稳，同时保证振动能量高效传递至谐振环，密封箱的封闭式布置避免外部环境影响内部弹性元件形成，延长了结构的使用寿命；封闭箱的分体式布置，便于批量生产和组装，适合工程应用。
49、3、本发明的支撑柱沿中心线布置，确保振动传递路径对称，提高带隙频率的精准性；以粘接与焊接结合的方式兼顾结构强度与振动能量传递效率；通过钢-铅-橡胶的组合优化了质量-刚度分布，增强带隙调控能力。
50、4、本发明通过明确的质量矩阵和刚度矩阵公式，可直接计算带隙的起始/截止频率，便于针对目标频段定制单胞参数，确保带隙频率的精确匹配；根据需求更换谐振环和橡胶环的材质，通过改变谐振环和橡胶环的相关材料属性或几何属性，灵活调整产生的带隙，通过埋地式超材料波屏障的布置来衰减弹性rayleigh波，在特定频率范围内几乎完全隔断rayleigh波的传播。
51、5、本发明隔振屏障系统具有完全埋地的特性，可以布置在土体中不影响地表空间的使用，周期性布置在既有建筑或对地震敏感性高的建筑四周，形成周期性波屏障，利用单胞结构自身的谐振特性与地震rayleigh波相互作用产生带隙，处在带隙范围内的弹性波在经过波屏障后得到有效衰减。