二维框格式表面波屏障设计与减震性能研究

摘要

针对表面波中破坏性较强的Rayleigh波，设计一种二维框格式表面波屏障。该表面波屏障由空心长方体结构单元组成，其内部通过4个内置长方体分隔形成5个独立填充腔室。首先，采用有限元方法计算得到框格式表面波屏障的频散特性和传输特性，并通过对带隙处单胞振动模态的分析揭示其形成机理；通过参数化分析，系统研究屏障几何尺寸、材料特性及土体参数对带隙宽度的影响。针对分层土体工况，开展周期式屏障的频域响应计算，并通过振动模态图解析其波能衰减的形成机理。最后，计算正、逆梯度表面波屏障的频域响应分析以及在人工波和El-Centro地震波作用下周期式屏障的动力响应，验证该表面波屏障对地震波的衰减规律。结果表明，框格式表面波屏障存在较宽带隙，该带隙是由布拉格散射将表面波转换成体波向土体下方传播时形成；土体参数对带隙上限具有显著影响，其中屏障高度和长方体柱宽度是调控衰减区域的关键参数。通过优化这些波屏障参数，可实现对不同波段Rayleigh波的有效衰减。在分层土体情况下，表面波主要集中在前三层土体中，周期式屏障依然具有一定的衰减效果；正、逆梯度排列的周期性屏障的衰减效果优于周期式排列；周期式屏障在带隙范围内对地震波的加速度整体衰减值达到70.5%。研究结果可为新型减震结构的设计提供参考。

关键词

带隙 / 地震表面波 / 隔震 / 传输谱 / 时域响应分析