点振型埋地超材料带隙机理及地震波衰减性能研究

摘要

超材料隔震屏障作为一种新型的建筑结构减隔震技术，近年来得到了广泛的关注和研究，但是已有的研究普遍存在体积大和带隙较窄的问题。论文提出了一种内部结构由钢块和橡胶柱交替排列而成，外部由钢板围成的点振型埋地超材料。首先，通过理论推导和有限元计算得到超材料的能带结构和频响关系，并结合其振型分析了带隙的形成机理；其次，研究了屏障层数和正斜入射波对超材料滤波特性的影响规律，参数化分析了填土层数、橡胶密度及弹性模量对超材料带隙的影响，并进一步计算了超材料在考虑分层土时的滤波特性；最后，采用主频率分别为0.7、5.0、8.0 Hz的人工波和El-Centro等地震波对超材料屏障进行时程分析。结果表明：点振型埋地超材料由于局域共振效应可以产生较宽的低频带隙且与频率响应的衰减范围相对应；多层屏障并不能显著提高滤波效果，超材料对正斜入射波都具有很好的衰减作用，较少的填土层数、密度较大和弹性模量较小的橡胶有利于拓宽低频带隙，分层土相比均匀土带隙拓宽了5.04 Hz；超材料对处于带隙内的人工波和地震波的衰减率均超过60%，且不会对频率带隙外的地震波产生放大作用。研究结果可为设计低频宽带隙的地震超材料结构提供一定的借鉴和参考。

关键词

地震波 / 超材料 / 带隙 / 局域共振