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建筑结构学报 2020年第S2期41卷 77-85页

作者：赵春风曾超 WITARTO W MO Y L 合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 合肥工业大学土木工程结构与材料安徽省重点实验室安徽合肥230009 休斯顿大学土木与环境工程学院美国休斯顿77031

周期性材料存在某些固定的频率带,该频率带对弹性波具有选择性透过的作用,处于频率带范围内的弹性波不能透过周期性材料,可以为工程结构减隔震、减振、降噪、消波和隔热等的设计与开发提供新途径。为验证周期性材料的衰减域特性以及对... 详细信息

周期性材料存在某些固定的频率带,该频率带对弹性波具有选择性透过的作用,处于频率带范围内的弹性波不能透过周期性材料,可以为工程结构减隔震、减振、降噪、消波和隔热等的设计与开发提供新途径。为验证周期性材料的衰减域特性以及对地震波的阻隔作用,减小地震作用下工程结构的动态响应,基于Bloch-Floquet理论,从理论上推导出周期性材料的频散关系,给出周期性材料的频率带隙。建立一维层状周期性基础和钢筋混凝土基础反应堆厂房数值模型和缩尺模型,分别以正弦波扫频和地震波输入的方式,通过振动台试验对周期性基础和钢筋混凝土基础的反应堆厂房进行动态响应分析和滤波效果分析。结果表明,一维周期性基础存在频率带隙,处于该频率段内的地震波无法穿过周期性基础,隔震效果约为90%,且不会增大结构的相对位移;而钢筋混凝土基础则放大结构的动力响应。因此,通过调节周期性基础频率带隙宽度使其覆盖地震波的主要频段能够有效地阻隔地震波的传播,极大地减小工程结构的动力响应,可以用于工程结构基础隔震和减振。

关键词：一维周期性基础基础隔震衰减域振动台试验动力性能

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周期结构带隙特性与隔震性能研究

周期结构带隙特性与隔震性能研究

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作者：曾超合肥工业大学

学位级别：硕士

周期结构是一种特殊的人工复合结构。通过对单胞的精心设计,并按照某种方式排列而成的周期结构表现出天然材料或结构所不具备的动态属性。固体物理学对声子晶体型周期结构的研究发现,周期结构具有独特的滤波特性,即处于某些频段内的弹... 详细信息

周期结构是一种特殊的人工复合结构。通过对单胞的精心设计,并按照某种方式排列而成的周期结构表现出天然材料或结构所不具备的动态属性。固体物理学对声子晶体型周期结构的研究发现,周期结构具有独特的滤波特性,即处于某些频段内的弹性波不能透过该结构继续传播,这一特定的频率范围也被称为带隙。近年来,研究者们将周期结构的概念引入到土木工程领域,利用其带隙特性进行隔震结构的设计和分析,并逐渐发展为一种新型的隔震技术。本文通过理论研究、数值模拟以及对比其他研究者的试验结果的研究方法,分别研究了一维周期性基础、周期性表面超屏障和埋地超屏障的带隙特性与隔震性能。首先从弹性波动方程出发,利用传递矩阵方法或有效介质方法,分别建立了三种周期结构的动力学模型及其频散方程;其次,借助有限元分析软件ABAQUS和COMSOL建立了用于频散分析的周期结构单胞模型,通过特征频率分析验证周期结构理论频散关系的正确性;最后,建立有限周期结构的传输分析模型,通过频域和瞬态分析方法研究周期结构的隔震性能。本文的研究发现:(1)通过合理设计不同厚度的单元,使其带隙相互覆盖,可获得更宽的带隙。另外,上部结构的存在也会改变带隙的位置,因此,将上部结构换算成等效层来计算频散关系更符合实际情况。(2)与钢筋混凝土基础相比,一维层状周期性基础对位于频率带隙内的水平和竖向地震波均具有良好的衰减效果。而当输入地震动的主要频率成分位于频率带隙外时,周期性基础上部结构的动力响应没有明显减小。(3)由于成层半空间中瑞利波的频散特性,导致成层半空间表面超屏障的频散关系曲线也具有多阶模态。其中一阶模态表面波与表面谐振器强烈耦合,并将杂化瑞利波的竖向位移限制在近地表的浅层范围,而其余高阶模态表面波与表面谐振器的耦合程度较低。(4)在亚波长范围内(或埋地谐振器单元尺寸远小于表面波长),由复合材料组成的谐振器单元可近似为一种具有频率依赖性的各向同性的弹性均匀介质,其弹性力学参数可由谐振器单元的有效密度、有效纵波波速和有效横波波速来表示。(5)在全共振半空间表面波带隙之上的频率范围(或声锥)内,表面模态的表观相速度值大于横波波速,该频段内表面波以漏波模态的形式存在,从而导致带隙扩宽。

关键词：周期结构频率带隙一维周期性基础表面超屏障埋地超屏障隔震性能

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