一种具有低频表面波带隙的隔震带及其实施方法

技术领域

本发明涉及抗震结构技术领域，尤其涉及一种具有低频表面波带隙的隔震带及其实施方法。

背景技术

地震对生命财产安全的主要威胁是由于地震引起的建筑物的倒塌产生的，特别是一些重要的建筑物和工业设施的毁坏会带来无可挽回的灾难和损失，例如核电站和古建筑等。目前的建筑物的抗震隔震措施主要是在建筑物底部安装隔震支架，但是这种减振装置价格昂贵且抗震能力有限，而且这种隔震措施对具有重要文化意义的古建筑则无能为力。

现有的减震方法多为向建筑地基中填充减震材料，因其是实体材料填充，普遍需要量大，安装搬运造成诸多不便，并且带隙宽度较小，减震效果差，难以广泛推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种结构简单易造且具有较宽带隙的隔震带来衰减地震表面波，该隔震带建造在建筑外，并能根据目标建筑物的固有频率值来设计。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种具有低频表面波带隙的隔震带，包括土层，所述土层呈框结构包围在建筑外部，土层表面设置有以二维晶格的周期排列方式纵向延伸的柱状洞，各柱状洞内插设有的隔震单元；所述隔震单元包括盖住柱状洞的顶板，以及固定在顶板底侧中部的插杆；所述插杆插入到柱状洞中与柱状洞之间形成环形间隙，插杆的底侧与柱状洞底壁无接触；所述顶板与二维晶格的形状相契合，各顶板均位于二维晶格的正中心。

进一步的，所述柱状洞直径是插杆直径的1.1倍，所述柱状洞深度是插杆长度的1.1倍。

进一步的，所述柱状洞与所述插杆的截面均为圆形。

进一步的，所述二维晶格的形状为正方形、长方形、六边形或等边三角形其中的一种构成。

进一步的，所述顶板和所述插杆均由钢材制成。

本发明还涉及一种具有低频表面波带隙的隔震带实施方法，包括如下步骤：

(1)在待保护建筑的外部，预先规划出呈框结构包围在建筑外部的土层施工区域；

(2)在土层施工区域内，以二维晶格的周期排列方式开设出纵向延伸围在建筑外部的柱状洞群；

(3)在柱状洞中插入的隔震单元，所述隔震单元包括顶板，顶板的下表面中心位置设置有插杆，即形成围在建筑物周围的隔震带。

进一步的，步骤(1)中呈矩形框结构的土层施工区域，其框边宽度可设置10-30个柱状洞。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明中的柱状洞和隔震单元建造在待保护建筑的外部，以二维晶格的周期排列方式排布，并共同形成呈框结构包围在建筑外部。柱状洞内插杆的杆壁与柱状洞之间具有环形间隙，能产生低频表面波带隙，使处于带隙内的地震表面波到达建筑物之前被控制并减弱，能保护固有频率范围在0.1-165Hz的建筑物。另外该隔震带是置于地面下方，相对于放置于地面之上使用的隔震支架，由土层表面向下开设柱状洞和钢材制成的隔震单元，极大地减少了占地面积和建造成本。相对于放置于建筑以下的地震超材料，本发明的埋入深度较浅，相对带隙较宽，能够在不影响地下设施建设的前提下，尽可能地保护目标建筑物。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中土层施工区域的结构示意图；

图3为本发明中柱状洞的分布图；

图4为本发明中隔震单元的结构示意图；

图5为本发明可衰减的地震表面波频率随晶格常数a的变化情况；

图6为本发明晶格常数a＝1.5m时隔震带针对地震表面波的能带图。

附图标记说明：

1-建筑，2-土层，3-柱状洞，4-隔震单元，5-顶板，6-插杆。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图4所示，一种具有低频表面波带隙的隔震带，包括土层2，所述土层2呈框结构包围在建筑1外部，土层2表面设置有以二维晶格的周期排列方式纵向延伸的柱状洞3，各柱状洞3内插设有的隔震单元4；所述隔震单元4包括盖住柱状洞3的顶板5，以及固定在顶板5底侧中部的插杆6；所述插杆6插入到柱状洞3中与柱状洞3之间形成环形间隙，插杆6的底侧与柱状洞3底壁无接触；所述顶板5与二维晶格的形状相契合，各顶板5均位于二维晶格的正中心，所述二维晶格的形状为正方形、长方形、六边形或等边三角形其中的一种构成。

其中，所述柱状洞3直径是插杆6直径的1.1倍，所述柱状洞3深度是插杆6长度的1.1倍，可让柱状洞3和插杆6外壁之间和底壁之间存在间隙。所述柱状洞3与所述插杆6的截面均为圆形，可利于柱状洞3和插杆6之间形成规则的环形间隙。

其中，所述顶板5和所述插杆6均由成本较低的钢材制成，插杆6可采用空心或实心的钢杆制成。

本发明中隔震带的实施方法，包括如下步骤：

(1)在待保护建筑1的外部，预先规划出呈矩形框结构包围在建筑1外部的土层2施工区域，土层2施工区域的框边宽度可设置10-30个柱状洞3，从而在建筑1外的底部土层内形成周期性排列的柱状洞3，进而配合隔震单元4组成具有带隙特性的隔震带，有效的衰减地震表面波；

(2)在土层2施工区域内，以二维正方晶格的排列方式垂直土层开设出围在建筑1外部的柱状洞3群；根据柱状洞3排列方式的二维正方晶格的晶格常数a，对应设计直径为0.2a，高度为3a的插杆6，板厚度为0.05a，板长度为0.95a的顶板5，晶格常数为相邻两个柱状洞圆心之间的间距；

(3)在柱状洞3中插入的隔震单元4，所述隔震单元4包括顶板5，顶板5的下表面中心位置设置有插杆6，即形成围在建筑1周围的隔震带。

如图5所示，为隔震带可衰减的地震表面波频率随二维正方晶格的晶格常数a的变化情况。二维正方晶格的布置方式较其他排列方式简单，易于实施，并且二维正方晶格排列的隔震带所能获得的带隙范围较宽，是目前最优的选项之一。图中横坐标是晶格常数的值，纵坐标为地震表面波的频率，两条曲线分别为该晶格常数下的带隙可衰减波频率的上下边界值。其中，插杆6高度为3a，直径为0.2a；顶板5板厚度为0.05a，板长度为0.95a。随着晶格常数的增加，带隙所在的频率范围不断减小。该图只展示了晶格常数从0.375m到6m时，隔震带带隙的变化情况。晶格常数可以继续增大或者减小，当晶格常数以增加一倍的方式变化，隔震带的带隙可衰减波频率的上下边界的值就会缩小一半；当晶格常数以缩小一半的方式变化，隔震带的带隙可衰减波频率的上下边界的值就会增加一倍。

如图6所示，为以晶格常数a＝1.5m为例而排布的隔震带针对地震表面波的能带图，横坐标为波矢，纵坐标为频率。图中黑色部分为地震波体波，灰色部分为地震波表面波的带隙所在的频率范围。其中，插杆6高度为4.5m，直径为0.3m；顶板5板厚度为0.075m，板长度为1.425m。在该晶格常数下排列的柱状洞3和隔震单元4之间形成的带隙频率范围为6.0-20.8Hz，从而使该晶格常数下的隔震带可以衰减6.0-20.8Hz的频率范围内的地震表面波，实现对低频地震表面波的控制与衰减。

当隔震带中柱状洞3和隔震单元4排布的晶格常数a＝3m时，插杆6高度为9m，直径为0.6m；顶板5板厚度为0.15m，板长度为2.85m。在该晶格常数下排列的柱状洞3和隔震单元4之间形成的带隙频率范围为3-10.3Hz。

当隔震带中柱状洞3和隔震单元4排布的晶格常数a＝6m时，插杆6高度为18m，直径为1.2m；顶板5板厚度为0.3m，板长度为5.7m。在该晶格常数下排列的柱状洞3和隔震单元4之间形成的带隙频率范围为1.5-5.15Hz。

当晶格常数增大到a＝50m时，插杆6高度为150m，直径为10m；顶板5板厚度为2.5m，板长度为47.5m。在该晶格常数下排列的柱状洞3和隔震单元4之间形成的带隙频率范围为0.1-0.5Hz。

当晶格常数减小到a＝0.2m时，插杆6高度为0.6m，直径为0.04m，顶板5板厚度为0.01m，板长度为0.19m。在该晶格常数下排列的柱状洞3和隔震单元4之间形成的带隙频率范围为48-165Hz。

综上所述，当隔震带的晶格常数变得更大或者更小时，隔震带能保护固有频率范围在0.1-165Hz的建筑物，几乎可以囊括大部分人造建筑物。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。