地震波完美吸收装置制造方法及图纸

地震是对人类和建筑设施最具破坏力的自然灾害之一。现有的抗震方法对于8级地震效果有限。在本项发明专利技术专利里，我们给出一种小体积的局域共振结构装置，即地震波完美吸收装置，以多列平行地下竖井的排列方式面向地震波，前排竖井长度较短，后排长度逐次加大，最后面的数列长度达到地震波波长的尺度。这样的阵列可将8级地震阻挡和完全吸收。

【技术实现步骤摘要】
地震波完美吸收装置
本公开涉及阻隔和吸收地震波的地下装置。
技术介绍
地震是对人类和建筑设施最具破坏力的自然灾害之一。在过去的几十年里，有许多研究工作提出了各种减轻地震对建筑设施破坏的方法，但对于8级地震效果有限，直到最近几年才提出了一些在地震波到达建筑物之前就对其衰减的方法。现代建筑可抵抗7级地震，因此，需要额外提供抗震防护措施所针对的是8级及以上的地震。大部分地震的频谱集中在一定范围内，震级越高，频率越低。8级地震频率约1Hz左右，对其减震极度困难。距离震央足够远处地段地震波破坏性最强的是瑞利波，而纵波和横波由于几何衰减，其破坏性明显较弱。2016年的两起大地震引发的巨大灾害说明，人类对抗地震还有很长的路要走，急需技术上有大的突破。声子晶体和局域共振超材料提供了一个可行的选择。周期分布打入地下空心圆管或混凝土填充方形钢管构成声子晶体，依据布拉格散射原理可在特定频段阻隔地震波[Phys.Rev.B59(19):12169(1999)]。这些在理论层面验证了用声子晶体屏障地震波的可行性研究揭示了对8级地震减震的三个必要条件。第一个是声子晶体的周期尺度要和地震波波长相若，在松软地层里对抗8级地震的声子晶体周期要在100米的量级。第二个是声子晶体对地震的衰减高度依赖于晶体的完美分布。一个至少数百米尺度的巨大规模、高度一致的地层是声子晶体所必需的，任何不规则和不均匀的土壤、岩石分布，都会显著减弱声子晶体的隔震性能。同样的，阳光曝晒或雨水湿润对土壤湿度的改变也会影响地层里地震波的波速和声子晶体的阻带频率。第三个条件是组成声子晶体的每个单元需具有足够大的尺度和重量以达到散射地震波所需的强度。由于这些限制，尽管声子晶体可能是低频地震减震，或其它振动源减振的方法，但它并不是8级地震减震的可行方法。由质量振子、薄膜和基座组成的局域共振声学超材料[专利技术-1，US8,960,365]提供了另一个方法。究其本质，局域共振声学超材料中每一个独立的局域共振结构单元都单独发挥功能，不受其它单元影响。超材料阵列的总体功能为所有独立结构单元的功能之和，而不须依靠精确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减地震波的主要原因，消振器的几何尺寸与地震波波长无关，因此可以大幅减小。局域共振结构的共振频率是决定衰减地震波频率的核心参数。由类似包覆球体的局域共振结构形成的阵列看似对地震波有很好、甚至完美的减震效果[ExtremeMechanicsLetters8:30–37(2016)]，但实际上因为研究者忽略了局域共振结构的耗散，使阵列的隔震效果被大大高估了。其直接结果就是在共振频率的微小扰动会几百倍地放大振子的位移。由于每一个局域共振结构的基底都紧紧固定在地里，8级地震引起地面10厘米的位移将使得局域共振结构的振子位移幅度放大至几十米，这是目前的任何设计都不可能实现。另外，目前所有提出的单个结构均是几米到几十米的尺度，单个结构重量几到几十吨。当地震波来临时，最初几秒的震动就有可能使这些巨大的结构与周围的泥层脱离，甚至倾倒，从而失效，使屏障不能阻隔后续地震波。至今，所有基于局域共振结构的地震波阻隔研究还停留在定性、概念性验证的层面，没有考虑实际耗散的影响。要更上一层楼，就必须基于实际材料参数进行严谨的、定量的研究。由于大部分现代建筑可抵抗7级地震，所以有实际需求的是可以将8级地震衰减至7级或以下的屏障。为了这个目的，我们专利技术的地下地震波屏障必须具备4个条件：(1)屏障的衰减频率范围中心应在1Hz附近，范围从大约0.5Hz到大约2Hz。(2)局域共振结构的振子在地表位移10cm时仍有足够的振动空间。(3)地震波持续的约100秒内，屏障应具有足够的结构强度以及与周围泥层保持良好接触以保证其阻隔功能。(4)屏障对8级地震波的衰减要接近20分贝，因为只有这样才能保证屏障后的建筑不被破坏。
技术实现思路
在本项技术里，我们给出一种小体积的局域共振结构，以及将其应用于对8级地震阻挡、甚至完全吸收的方法。该方法满足前述四个必要条件。包括：多个超材料消震器，置于掘入地下的多个竖井内，所述竖井内没有被所述超材料消震器占据的空间由泥土填充。其中所述竖井具有各种不同的长度和直径。其中所述竖井排成实质上平行的行列，每所述行列竖井的长度和直径相同。其中前排所述竖井的长度较所针对吸收的地震波的波长为短，后行所述竖井的长度依次递增，直到长度与所针对吸收的地震波的波长相若，之后的每行所述竖井的长度不再增加。其中超材料消震器包括长条形皱褶金属片，所述长条形皱褶金属片的两端固定在实质上刚性的二维平面框架上，所述长条形皱褶金属片悬空的部位放置一个或多个实质上刚性的物块，从而构成超结构振子。所述物块与所述长条形皱褶金属片一起振动时的振动模态频率由所属二维平面框架的尺度、所述长条形皱褶金属片的尺度和皱褶结构、所述物块的尺度和重量共同决定。所述超结构振子被实质上刚性的壳完全包围，所述超结构振子的所述框架固定在所述刚性壳上。作为一个选项，所述刚性壳内其余空间注满液体。附图说明图1(A)众多配重薄膜消振器埋在掘入地下的一个阵列的竖井里的侧剖面。图1(B)是图1(A)竖井的俯视图。图1(C)是图1(A)中配重薄膜消振器原理性结构示意图。图1(D)一个质量块的配重薄膜消振器。图1(E)两个质量块的配重薄膜消振器。图1(F)两个消振器的自由振动谱。图2(A)300米长的单排竖井的地震波透射率与井内配重薄膜消振器有效质量密度的函数关系。图2(B)是图1(A)中所示的楔形阵列井的散射能量密度与地震波频率的函数关系。具体实施方式地下衰减器调谐质量消振器是在一百年前专利技术的针对特定频率的减振装置。消振器在其基座的动态作用可以用动态质量来描述，其表达式为其中m0是振子的静态质量，w0是所述消振器的工作频率，w是振动频率，Q是品质因子，专利技术-1中的配重薄膜消振器是具有一个或多个工作频率、紧凑而又轻质的调谐质量消振器。图1(C)显示的所述消振器的原理性结构。一个重物101通过弹性条或弹性片102连接到容器103的壁上。所述重物101在垂直于所述弹性片102方向的运动受到在垂直于所述弹性片102的弹性回复力作用，成为一个实质上的简谐振子，所述重物便是振子。这与专利技术-2(US7,395,898B2(2008))里的结构原理实质上相同。所述容器103的壁相当于专利技术-1里的刚性框。图1(D)显示了一个真实样品消振器-1。专利技术-2里原来的柔软橡胶薄膜在本技术的消振器-1中被替换成0.1mm厚度的褶皱金属片111，所述褶皱金属片两端固定在刚性框112上。一个M6号螺母113作为消振器的重物固定在所述褶皱金属片111上。图1(E)给出了两个螺母的消振器样品，从图1(F)中所述样品消振器-1和消振器-2的自由振动谱曲线121、曲线122可以看到它们在10Hz附近有多个振动模态。消振器-1的自由振动谱(曲线121)在10.5Hz和9.1Hz有共振峰，表明它在这二个频率具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地震波完美吸收装置，其特征是：包含掘入地下的楔形排列竖井和置于竖井中的被刚性壳包围的超材料消震器，以及竖井中没有被所述超材料消震器占据的空间由泥土填充。/n

【技术特征摘要】
1.一种地震波完美吸收装置，其特征是：包含掘入地下的楔形排列竖井和置于竖井中的被刚性壳包围的超材料消震器，以及竖井中没有被所述超材料消震器占据的空间由泥土填充。


2.根据权利要求1所述的地震波完美吸收装置，其特征在于所述楔形排列竖井具有多种不同的长度和直径。


3.根据权利要求1所述的地震波完美吸收装置，其特征在于所述竖井排成平行的行列，每排竖井的长度和直径相同。


4.根据权利要求1所述的地震波完美吸收装置，其特征在于首排竖井的长度较所针对吸收的地震波的波长短，后排所述竖井的长度依次递增，直到长度与所针对吸收的地震波的波长相若，之后的每排所述竖井的长度不再增加。


5.根据权利要求1所述的地震波完美...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志宇，许飞龙，甄良，赫晓东，
申请(专利权)人：凌波怡声科技深圳有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44