地震波完美吸收装置的制作方法

本公开涉及阻隔和吸收地震波的地下装置。

背景技术：

地震是对人类和建筑设施最具破坏力的自然灾害之一。在过去的几十年里，有许多研究工作提出了各种减轻地震对建筑设施破坏的方法，但对于8级地震效果有限，直到最近几年才提出了一些在地震波到达建筑物之前就对其衰减的方法。现代建筑可抵抗7级地震，因此，需要额外提供抗震防护措施所针对的是8级及以上的地震。大部分地震的频谱集中在一定范围内，震级越高，频率越低。8级地震频率约1hz左右，对其减震极度困难。距离震央足够远处地段地震波破坏性最强的是瑞利波，而纵波和横波由于几何衰减，其破坏性明显较弱。2016年的两起大地震引发的巨大灾害说明，人类对抗地震还有很长的路要走，急需技术上有大的突破。

声子晶体和局域共振超材料提供了一个可行的选择。周期分布打入地下空心圆管或混凝土填充方形钢管构成声子晶体，依据布拉格散射原理可在特定频段阻隔地震波[phys.rev.b59(19):12169(1999)]。这些在理论层面验证了用声子晶体屏障地震波的可行性研究揭示了对8级地震减震的三个必要条件。第一个是声子晶体的周期尺度要和地震波波长相若，在松软地层里对抗8级地震的声子晶体周期要在100米的量级。第二个是声子晶体对地震的衰减高度依赖于晶体的完美分布。一个至少数百米尺度的巨大规模、高度一致的地层是声子晶体所必需的，任何不规则和不均匀的土壤、岩石分布，都会显著减弱声子晶体的隔震性能。同样的，阳光曝晒或雨水湿润对土壤湿度的改变也会影响地层里地震波的波速和声子晶体的阻带频率。第三个条件是组成声子晶体的每个单元需具有足够大的尺度和重量以达到散射地震波所需的强度。由于这些限制，尽管声子晶体可能是低频地震减震，或其它振动源减振的方法，但它并不是8级地震减震的可行方法。

由质量振子、薄膜和基座组成的局域共振声学超材料[发明-1，us8,960,365]提供了另一个方法。究其本质，局域共振声学超材料中每一个独立的局域共振结构单元都单独发挥功能，不受其它单元影响。超材料阵列的总体功能为所有独立结构单元的功能之和，而不须依靠精确分布以形成布拉格散射。由于散射地震波的相互干涉不再是衰减地震波的主要原因，消振器的几何尺寸与地震波波长无关，因此可以大幅减小。局域共振结构的共振频率是决定衰减地震波频率的核心参数。由类似包覆球体的局域共振结构形成的阵列看似对地震波有很好、甚至完美的减震效果[extrememechanicsletters8:30–37(2016)]，但实际上因为研究者忽略了局域共振结构的耗散，使阵列的隔震效果被大大高估了。其直接结果就是在共振频率的微小扰动会几百倍地放大振子的位移。由于每一个局域共振结构的基底都紧紧固定在地里，8级地震引起地面10厘米的位移将使得局域共振结构的振子位移幅度放大至几十米，这是目前的任何设计都不可能实现。另外，目前所有提出的单个结构均是几米到几十米的尺度，单个结构重量几到几十吨。当地震波来临时，最初几秒的震动就有可能使这些巨大的结构与周围的泥层脱离，甚至倾倒，从而失效，使屏障不能阻隔后续地震波。

至今，所有基于局域共振结构的地震波阻隔研究还停留在定性、概念性验证的层面，没有考虑实际耗散的影响。要更上一层楼，就必须基于实际材料参数进行严谨的、定量的研究。由于大部分现代建筑可抵抗7级地震，所以有实际需求的是可以将8级地震衰减至7级或以下的屏障。为了这个目的，我们发明的地下地震波屏障必须具备4个条件：(1)屏障的衰减频率范围中心应在1hz附近，范围从大约0.5hz到大约2hz。(2)局域共振结构的振子在地表位移10cm时仍有足够的振动空间。(3)地震波持续的约100秒内，屏障应具有足够的结构强度以及与周围泥层保持良好接触以保证其阻隔功能。(4)屏障对8级地震波的衰减要接近20分贝，因为只有这样才能保证屏障后的建筑不被破坏。

技术实现要素：

在本项实用新型里，我们给出一种小体积的局域共振结构，以及将其应用于对8级地震阻挡、甚至完全吸收的方法。该方法满足前述四个必要条件。包括：多个超材料消震器，置于掘入地下的多个竖井内，所述竖井内没有被所述超材料消震器占据的空间由泥土填充。其中所述竖井具有各种不同的长度和直径。其中所述竖井排成实质上平行的行列，每所述行列竖井的长度和直径相同。其中前排所述竖井的长度较所针对吸收的地震波的波长为短，后行所述竖井的长度依次递增，直到长度与所针对吸收的地震波的波长相若，之后的每行所述竖井的长度不再增加。其中超材料消震器包括长条形皱褶金属片，所述长条形皱褶金属片的两端固定在实质上刚性的二维平面框架上，所述长条形皱褶金属片悬空的部位放置一个或多个实质上刚性的物块，从而构成超结构振子。所述物块与所述长条形皱褶金属片一起振动时的振动模态频率由所属二维平面框架的尺度、所述长条形皱褶金属片的尺度和皱褶结构、所述物块的尺度和重量共同决定。所述超结构振子被实质上刚性的壳完全包围，所述超结构振子的所述框架固定在所述刚性壳上。作为一个选项，所述刚性壳内其余空间注满液体。

附图说明

图1(a)众多配重薄膜消振器埋在掘入地下的一个阵列的竖井里的侧剖面。

图1(b)是图1(a)竖井的俯视图。

图1(c)是图1(a)中配重薄膜消振器原理性结构示意图。

图1(d)一个质量块的配重薄膜消振器。

图1(e)两个质量块的配重薄膜消振器。

图1(f)两个消振器的自由振动谱。

图2(a)300米长的单排竖井的地震波透射率与井内配重薄膜消振器有效质量密度的函数关系。

图2(b)是图1(a)中所示的楔形阵列井的散射能量密度与地震波频率的函数关系。

具体实施方式

地下衰减器

调谐质量消振器是在一百年前发明的针对特定频率的减振装置。消振器在其基座的动态作用可以用动态质量来描述，其表达式为

其中m0是振子的静态质量，w0是所述消振器的工作频率，w是振动频率，q是品质因子，

发明-1中的配重薄膜消振器是具有一个或多个工作频率、紧凑而又轻质的调谐质量消振器。图1(c)显示的所述消振器的原理性结构。一个重物101通过弹性条或弹性片102连接到容器103的壁上。所述重物101在垂直于所述弹性片102方向的运动受到在垂直于所述弹性片102的弹性回复力作用，成为一个实质上的简谐振子，所述重物便是振子。这与发明-2(us7,395,898b2(2008))里的结构原理实质上相同。所述容器103的壁相当于发明-1里的刚性框。图1(d)显示了一个真实样品消振器-1。发明-2里原来的柔软橡胶薄膜在本实用新型的消振器-1中被替换成0.1mm厚度的褶皱金属片111，所述褶皱金属片两端固定在刚性框112上。一个m6号螺母113作为消振器的重物固定在所述褶皱金属片111上。图1(e)给出了两个螺母的消振器样品，从图1(f)中所述样品消振器-1和消振器-2的自由振动谱曲线121、曲线122可以看到它们在10hz附近有多个振动模态。消振器-1的自由振动谱(曲线121)在10.5hz和9.1hz有共振峰，表明它在这二个频率具有消振作用。钢片的褶皱是能量集中的位置，大的曲率比平面提供了更多的能量耗散，在那里涂上一点油脂加强粘滞阻尼耗散、调低品质因子q，因此图1(d)的消振器在10hz的品质因子q仅为30左右，而平面钢片的品质因子通常可达到1000以上。通过这些实验测量的参数值和数值仿真，我们估计一个长度300毫米的褶皱钢片配上重量为20克的质量块即可构成共振频率低至1hz的消振器。如果质量块保持2克不变，则褶皱钢片的长度需为560毫米。

把大量的所述褶皱钢片消振器埋在泥地104里，可用来阻隔地震波105。虽然有很多可能的所述消振器排布场景，在本实用新型里我们只考虑把所述消振器埋在如图1(a)所示具有一定的深度的井结构106里。每个所述消振器的周围用与井外相同的土壤104填充。对于8级地震这样波长超过100米的地震波来说，所述消振器就像质点一样随着周围土壤一起移动，表现如同具有式(1)动态质量的“超土壤”，其动态质量密度等于单位体积内所有褶皱钢片消振器的动态质量之和。超土壤的动态质量密度用一个对角矩阵描述，没有y分量是因为模型中瑞利波在y方向没有位移。作为一个代表性例子，我们选择ρz(w)＝ρ0f(w)，ρx(w)＝ρ0＝1000kg/m³，f(w)由式(1)给出，其中w0＝1hz，q＝10。这个值的质量密度ρ0对应大约1/8的井内空间是由消振器占据的工况。消振器只在方向竖直的z方向振动，因此质量密度是各向异性的，在x方向只有静态质量。

图2(a)给出了单列300米深的井动态质量密度不同时的透射系数曲线，例如质量密度倍数5意味着式(1)中超土壤的动态质量密度，而ρz(w)＝5ρ0f(w)、共振频率1hz和q＝10均不变。其它倍数依次类推。曲线201是1hz地震波传播经过井后的透射系数仿真结果。根据我们推导的比例法则，当动态质量密度与频率乘积为常数时，透射系数保持不变。因此，当地震频率与超土壤的共振频率均增加至10hz，而动态质量密度由ρ0降低至0.1ρ0，新的透射系数与质量密度的相关数据点202和曲线201完全一致，简单推导得到的比例法则通过数值仿真进行了验证。这也可以用于对其它频率地震波的衰减进行估计。一个重要的推测是，高频地震波的衰减只需要较低的动态质量密度，或较少的消振器数量，这样可以很好地指导减震装置的设计和降低成本。比例法则也是声学质量密度定律的一个体现。我们的地震波局域共振消振器本质上是利用动态质量效应，由共振引起质量的放大和能量耗散的最大化。

完美吸收器

以上例子是个很好的地震屏障，但是会产生相当大的反射波。考虑到浅井的反射系数小，我们设计了一个图1(a)所示的楔形井阵列来实现完美吸收。前9列井的深度分别为10、20、30、40、50、60、70、80、90米，最后5列井的深度都是100米深。所有的井都是充满工作频率为1hz的超土壤。图2(b)给出了反射系数曲线211、透射系数曲线212和吸收系数曲线213，以及入射波强度曲线214。在给出的频率范围内，反射系数均小于0.04，透射系数最小值为0.13，相当于17.7分贝的衰减。吸收系数的最高值达到了0.982。如果在楔形阵列后再增加两列100米深的井，透射衰减即可超过20分贝。

可以预期的是，在本实用新型精神前提下，在所附权利要求限定的保护范围内，本领域的技术人员可对本文所描述的用于解释本主题特性的有关细节、材料、步骤和安排方面作出许多其它的改变。