[發明專利]一種方形樁地震表面波超穎結構

在審

• 申請號: 202011419784.3
• 申請日: 2020-12-06
• 公開（公告）號: CN112554169A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 石南南;亢志寬;羅方慧;王利輝;趙卓
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: E02D5/22
• 分類號: E02D5/22;E02D31/08
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種方形樁地震表面波超穎結構，包括空心鋼管、橡膠層和混凝土層。空心鋼管為方形結構，橡膠層包覆在空心鋼管外部，混凝土層圍護在橡膠層外部。本發明所設計的地震超穎結構布置在建筑基礎周邊，不與建筑相連。在不改變原建筑結構形式的前提下，能有效控制和衰減地震表面波。本發明的結構是基于聲子晶體理論所設計的周期性結構，具有帶隙特性。當地震表面波來襲時，在帶隙范圍內的地震表面波將無法通過所設計結構。所設計的地震超穎結構可以兼具不同用途。除了對2?16Hz范圍內的地震表面波具有有效控制和衰減作用外，對所有可能出現在2?16Hz范圍內的彈性表面波都具備有效衰減能力。

技術領域

本發明涉及一種方形樁地震表面波超穎結構，是一種能夠有效衰減地震表面波的新結構。

背景技術

根據中國地震臺網中心的統計數據，過去100年(1919-2018年)發生了836次6級及以上的大地震，平均為一年八次以上。地震造成的重大人員傷亡主要是由于建筑物倒塌。地震發生后，地下深處的震源會向四面八方輻射攜帶大量能量的地震波。當這些地震波與地表相遇時，能量沿著地表傳播，即地震表面波。瑞利波是表面波之一，頻率在0.1到20Hz之間，對人造結構極為有害，因為建筑物的共振頻率恰好在該頻率范圍內。此外，如果使用常規方法，則這些低頻表面波難以控制或隔離。而一些重要建筑物和設施的破壞將帶來毀滅性災難和無法彌補的破壞，例如核電站和古建筑。地震超穎結構是一種基于聲子晶體理論的周期性結構，具有帶隙特性。在帶隙頻率范圍內，地震波無法穿過地震超穎結構。本發明借鑒聲子晶體控制機械波原理，采用混凝土、橡膠和鋼等材料組成減震結構，實現對地震波的控制和衰減，本發明引述的技術結構定義為“地震超穎結構”。

基礎隔震是一種常見的抗震方法，其目的是通過設置剛性較弱且存在阻尼的隔震層，延長上部結構的自振周期，從而減小上部結構的地震響應和層間位移。然而，由于隔震層剛度很小，在地震作用下，隔震層往往出現較大的水平位移，因此采用基礎隔震的結構都會在建筑周圍留設隔震溝。同時，研究發現，采用基礎隔震對豎向地震作用的衰減很弱，且對低頻表面波不能控制和隔離。基礎隔震對于大地震是低效的，并且不能適應結構變化。因此，發明一種結構簡單，適應性強，能夠在不改變建筑結構的前提下，還可以有效控制和衰減地震表面波的減隔震結構，具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的方形樁地震表面波超穎結構涉及一種用于衰減地震表面波的地震超穎結構。其目的是為了提供一種全方位多角度衰減地震表面波、保護建筑、取材簡單、布置方便、有效減少地震災害、減小建筑災后修復和維護成本的方形樁地震表面波超穎結構。

本發明涉及的一種方形樁地震表面波超穎結構，該方形樁地震表面波超穎結構設計在建筑物基礎周邊，其特征在于：地震超穎結構單胞包括空心鋼管(1)、橡膠層(2)和混凝土層(3)。空心鋼管(1)為方形結構，橡膠層(2)包覆在空心鋼管(1)的外部，混凝土層圍護在橡膠層(2)的外部。

空心鋼管(1)的外邊長為1.4m，內邊長0.8m，厚度0.3m，高度20m，采用熱軋無縫鋼管。橡膠層(2)的外邊長1.6m，內邊長為1.4m，厚度0.1m，高度20m，選用工業橡膠。混凝土層(3)的外邊長2m，內邊長1.6m，厚度0.2m，高度20m，選用C20-C40素混凝土。

本發明結構布置在建筑基礎周邊，結構頂面與地表平齊，沿建筑物環向布置，距離建筑物水平距離6m。本發明的單胞結構延拓后沿建筑環向布置的周期性結構外圍尺寸不小于建筑物基礎尺寸。

本發明的技術方案是：

一種方形樁地震表面波超穎結構，由所設計的地震超穎結構單胞沿水平面內兩個相互垂直的方向不斷延拓構成。布置于建筑周邊地面下方，在一定范圍內沿建筑環向布置，利用周期性結構的帶隙特性，衰減2-16Hz范圍內的地震表面波，保護建筑免受地震表面波的危害。

當地震表面波來襲時，空心鋼管、結構單胞與單胞之間將發生振動，組合后的地震超穎結構會產生的帶隙，從而有效衰減或隔絕地震表面波，保護建筑。