[实用新型]地震波完美吸收装置

说明书

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。

技术领域

本公开涉及阻隔和吸收地震波的地下装置。

背景技术

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[发明-1，US 8,960,365]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[Extreme Mechanics Letters8:30–37(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，我们发明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。

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