[發明專利]地震波完美吸收裝置

在審

• 申請號: 201910879455.8
• 申請日: 2019-09-18
• 公開（公告）號: CN112526596A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 楊志宇;許飛龍;甄良;赫曉東
• 申請（專利權）人: 凌波怡聲科技（深圳）有限公司
• 主分類號: G01V1/18
• 分類號: G01V1/18;G01V1/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

地震是對人類和建筑設施最具破壞力的自然災害之一。現有的抗震方法對于8級地震效果有限。在本項發明里，我們給出一種小體積的局域共振結構裝置，以多列平行地下豎井的排列方式面向地震波，前排豎井長度較短，后排長度逐次加大，最后面的數列長度達到地震波波長的尺度。這樣的陣列可將8級地震阻擋和完全吸收。

技術領域

本公開涉及阻隔和吸收地震波的地下裝置。

技術背景

地震是對人類和建筑設施最具破壞力的自然災害之一。在過去的幾十年里，有許多研究工作提出了各種減輕地震對建筑設施破壞的方法，但對于8級地震效果有限，直到最近幾年才提出了一些在地震波到達建筑物之前就對其衰減的方法。現代建筑可抵抗7級地震，因此，需要額外提供抗震防護措施所針對的是8級及以上的地震。大部分地震的頻譜集中在一定范圍內，震級越高，頻率越低。8級地震頻率約1 Hz左右，對其減震極度困難。距離震央足夠遠處地段地震波破壞性最強的是瑞利波，而縱波和橫波由于幾何衰減，其破壞性明顯較弱。2016年的兩起大地震引發的巨大災害說明，人類對抗地震還有很長的路要走，急需技術上有大的突破。

聲子晶體和局域共振超材料提供了一個可行的選擇。周期分布打入地下空心圓管或混凝土填充方形鋼管構成聲子晶體，依據布拉格散射原理可在特定頻段阻隔地震波[Phys. Rev. B59 (19): 12169 (1999)]。這些在理論層面驗證了用聲子晶體屏障地震波的可行性研究揭示了對8級地震減震的三個必要條件。第一個是聲子晶體的周期尺度要和地震波波長相若，在松軟地層里對抗8級地震的聲子晶體周期要在100米的量級。第二個是聲子晶體對地震的衰減高度依賴于晶體的完美分布。一個至少數百米尺度的巨大規模、高度一致的地層是聲子晶體所必需的，任何不規則和不均勻的土壤、巖石分布，都會顯著減弱聲子晶體的隔震性能。同樣的，陽光曝曬或雨水濕潤對土壤濕度的改變也會影響地層里地震波的波速和聲子晶體的阻帶頻率。第三個條件是組成聲子晶體的每個單元需具有足夠大的尺度和重量以達到散射地震波所需的強度。由于這些限制，盡管聲子晶體可能是低頻地震減震，或其它振動源減振的方法，但它并不是8級地震減震的可行方法。

由質量振子、薄膜和基座組成的局域共振聲學超材料[發明-1，US 8,960,365]提供了另一個方法。究其本質，局域共振聲學超材料中每一個獨立的局域共振結構單元都單獨發揮功能，不受其它單元影響。超材料陣列的總體功能為所有獨立結構單元的功能之和，而不須依靠精確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減地震波的主要原因，消振器的幾何尺寸與地震波波長無關，因此可以大幅減小。局域共振結構的共振頻率是決定衰減地震波頻率的核心參數。由類似包覆球體的局域共振結構形成的陣列看似對地震波有很好、甚至完美的減震效果[Extreme Mechanics Letters8: 30–37 (2016)]，但實際上因為研究者忽略了局域共振結構的耗散，使陣列的隔震效果被大大高估了。其直接結果就是在共振頻率的微小擾動會幾百倍地放大振子的位移。由于每一個局域共振結構的基底都緊緊固定在地里，8級地震引起地面10 厘米的位移將使得局域共振結構的振子位移幅度放大至幾十米，這是目前的任何設計都不可能實現。另外，目前所有提出的單個結構均是幾米到幾十米的尺度，單個結構重量幾到幾十噸。當地震波來臨時，最初幾秒的震動就有可能使這些巨大的結構與周圍的泥層脫離，甚至傾倒，從而失效，使屏障不能阻隔后續地震波。

至今，所有基于局域共振結構的地震波阻隔研究還停留在定性、概念性驗證的層面，沒有考慮實際耗散的影響。要更上一層樓，就必須基于實際材料參數進行嚴謹的、定量的研究。由于大部分現代建筑可抵抗7級地震，所以有實際需求的是可以將8級地震衰減至7級或以下的屏障。為了這個目的，我們發明的地下地震波屏障必須具備4個條件：（1）屏障的衰減頻率范圍中心應在1 Hz附近，范圍從大約0.5Hz到大約2 Hz。（2）局域共振結構的振子在地表位移10 cm時仍有足夠的振動空間。（3）地震波持續的約100秒內，屏障應具有足夠的結構強度以及與周圍泥層保持良好接觸以保證其阻隔功能。（4）屏障對8級地震波的衰減要接近20分貝，因為只有這樣才能保證屏障后的建筑不被破壞。

發明內容