[发明专利]一种方形桩地震表面波超颖结构

说明书

本发明公开了一种方形桩地震表面波超颖结构，包括空心钢管、橡胶层和混凝土层。空心钢管为方形结构，橡胶层包覆在空心钢管外部，混凝土层围护在橡胶层外部。本发明所设计的地震超颖结构布置在建筑基础周边，不与建筑相连。在不改变原建筑结构形式的前提下，能有效控制和衰减地震表面波。本发明的结构是基于声子晶体理论所设计的周期性结构，具有带隙特性。当地震表面波来袭时，在带隙范围内的地震表面波将无法通过所设计结构。所设计的地震超颖结构可以兼具不同用途。除了对2‑16Hz范围内的地震表面波具有有效控制和衰减作用外，对所有可能出现在2‑16Hz范围内的弹性表面波都具备有效衰减能力。

技术领域

本发明涉及一种方形桩地震表面波超颖结构，是一种能够有效衰减地震表面波的新结构。

背景技术

根据中国地震台网中心的统计数据，过去100年(1919-2018年)发生了836次6级及以上的大地震，平均为一年八次以上。地震造成的重大人员伤亡主要是由于建筑物倒塌。地震发生后，地下深处的震源会向四面八方辐射携带大量能量的地震波。当这些地震波与地表相遇时，能量沿着地表传播，即地震表面波。瑞利波是表面波之一，频率在0.1到20Hz之间，对人造结构极为有害，因为建筑物的共振频率恰好在该频率范围内。此外，如果使用常规方法，则这些低频表面波难以控制或隔离。而一些重要建筑物和设施的破坏将带来毁灭性灾难和无法弥补的破坏，例如核电站和古建筑。地震超颖结构是一种基于声子晶体理论的周期性结构，具有带隙特性。在带隙频率范围内，地震波无法穿过地震超颖结构。本发明借鉴声子晶体控制机械波原理，采用混凝土、橡胶和钢等材料组成减震结构，实现对地震波的控制和衰减，本发明引述的技术结构定义为“地震超颖结构”。

基础隔震是一种常见的抗震方法，其目的是通过设置刚性较弱且存在阻尼的隔震层，延长上部结构的自振周期，从而减小上部结构的地震响应和层间位移。然而，由于隔震层刚度很小，在地震作用下，隔震层往往出现较大的水平位移，因此采用基础隔震的结构都会在建筑周围留设隔震沟。同时，研究发现，采用基础隔震对竖向地震作用的衰减很弱，且对低频表面波不能控制和隔离。基础隔震对于大地震是低效的，并且不能适应结构变化。因此，发明一种结构简单，适应性强，能够在不改变建筑结构的前提下，还可以有效控制和衰减地震表面波的减隔震结构，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的方形桩地震表面波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方形桩地震表面波超颖结构。

本发明涉及的一种方形桩地震表面波超颖结构，该方形桩地震表面波超颖结构设计在建筑物基础周边，其特征在于：地震超颖结构单胞包括空心钢管(1)、橡胶层(2)和混凝土层(3)。空心钢管(1)为方形结构，橡胶层(2)包覆在空心钢管(1)的外部，混凝土层围护在橡胶层(2)的外部。

空心钢管(1)的外边长为1.4m，内边长0.8m，厚度0.3m，高度20m，采用热轧无缝钢管。橡胶层(2)的外边长1.6m，内边长为1.4m，厚度0.1m，高度20m，选用工业橡胶。混凝土层(3)的外边长2m，内边长1.6m，厚度0.2m，高度20m，选用C20-C40素混凝土。

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沿建筑环向布置的周期性结构外围尺寸不小于建筑物基础尺寸。

本发明的技术方案是：

一种方形桩地震表面波超颖结构，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。布置于建筑周边地面下方，在一定范围内沿建筑环向布置，利用周期性结构的带隙特性，衰减2-16Hz范围内的地震表面波，保护建筑免受地震表面波的危害。

当地震表面波来袭时，空心钢管、结构单胞与单胞之间将发生振动，组合后的地震超颖结构会产生的带隙，从而有效衰减或隔绝地震表面波，保护建筑。