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周期十字空沟地震表面波屏障

工程力学 2019年第B06期36卷 144-148页

作者：王维超刘泽于桂兰北京交通大学土木建筑工程学院

地震表面波振幅大,频率低,传播距离远,对结构的危害大。该文设计了基于均匀半无限土壤基体的正方点阵周期十字空沟Rayleigh表面波屏障。利用有限元方法对屏障的能带结构、频域响应进行了数值模拟,探讨了波屏障结构参数对表面波完全带隙... 详细信息

地震表面波振幅大,频率低,传播距离远,对结构的危害大。该文设计了基于均匀半无限土壤基体的正方点阵周期十字空沟Rayleigh表面波屏障。利用有限元方法对屏障的能带结构、频域响应进行了数值模拟,探讨了波屏障结构参数对表面波完全带隙的影响,并对Oroville地震表面波进行了地震动时程分析。结果表明:周期十字空沟表面波屏障在低频区能够形成有效衰减域,对Oroville地震表面波有非常好的隔震效果。

关键词：周期结构十字空沟波屏障表面波带隙隔震

局域共振超材料表面波屏障带隙特性与隔振性能

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岩土力学 2024年第3期45卷 750-758,787页

作者：厉超庄培芝李利平张思峰周冲山东建筑大学交通工程学院山东济南250101 山东大学齐鲁交通学院山东济南250002 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

为有效解决轨道交通运营引发的地面振动问题,基于声学超材料概念提出一种局域共振超材料表面波屏障(locally resonant metamaterial surface wave barrier,简称LRMB)隔振方法,并采用混凝土和橡胶垫层构造出屏障结构。根据半无限空间弹... 详细信息

为有效解决轨道交通运营引发的地面振动问题,基于声学超材料概念提出一种局域共振超材料表面波屏障(locally resonant metamaterial surface wave barrier,简称LRMB)隔振方法,并采用混凝土和橡胶垫层构造出屏障结构。根据半无限空间弹性动力学理论,推导LRMB带隙计算的解析式,分析橡胶垫、混凝土参数对LRMB带隙特性的影响规律。基于轨道交通地面振动实测数据,探讨LRMB的隔振效果。研究结果表明:LRMB表面波带隙产生主要与其竖向振动有关,基于该模式建立的带隙计算方法是准确的;LRMB橡胶垫厚度增大,带隙起始频率降低,带隙宽度增大;LRMB橡胶垫宽度增大,带隙起始频率升高,带隙宽度减小;LRMB混凝土质量增大,带隙起始频率降低,带隙宽度增大;LRMB原胞数量增多,隔振效率提升,隔振效率达到20~25 dB;以济南轨道交通1号线工程为例,采用LRMB后地面振动衰减可达70%~80%,验证了LRMB的良好隔振性能。

关键词：声学超材料表面波波屏障带隙特性隔振性能

考虑初应力时成层土中周期波屏障对Rayleigh波的隔离

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考虑初应力时成层土中周期波屏障对Rayleigh波的隔离

作者：周佳节北京交通大学

学位级别：硕士

周期结构对其衰减域内的弹性波具有抑制作用,为此,实际工程中的环境振动控制可以考虑使用周期波屏障。近年来,关于周期波屏障在环境振动控制中的研究虽已有很大进展并取得不少成就,但仍有许多待完善之处。首先,目前关于周期波屏障的研究... 详细信息

周期结构对其衰减域内的弹性波具有抑制作用,为此,实际工程中的环境振动控制可以考虑使用周期波屏障。近年来,关于周期波屏障在环境振动控制中的研究虽已有很大进展并取得不少成就,但仍有许多待完善之处。首先,目前关于周期波屏障的研究,大多是在均质土体假设下进行的,实际工程中的土体大多是成层的,而针对成层土尤其是饱和成层土中的研究却很少。其次,由于土体挖掘、土体再固结、工程施工及结构上部荷载影响,实际工程中的土体和结构通常存在初应力,但现有关于周期波屏障的研究大都忽略了初应力的影响;即便个别研究考虑了初应力,但这些研究大多针对的是周期波屏障对体波的衰减,很少考虑对表面波衰减的影响,而表面波在环境振动控制中却起着主导作用。基于上述情况,本文将在考虑初应力情况下研究成层单相土体和成层饱和土体中周期波屏障对Rayleigh波的隔离,主要内容如下:(1)借助有限元软件COMSOL Multiphysics中的偏微分方程(PDE)模块,开发了可考虑初应力的周期结构复频散曲线计算、频域响应和时域响应分析的新模块,为周期结构研究提供了一种新途径。(2)利用开发的新模块,成功求解了考虑初应力时成层土中周期连续墙波屏障和周期排桩波屏障的复频散曲线,确定了两种波屏障对Rayleigh波的衰减域,并分析了有关参数对衰减域范围的影响。(3)在考虑初应力情况下,建立了成层土中周期连续墙波屏障的二维数值分析模型和周期排桩波屏障的三维数值分析模型,并借助开发的新模块对二者进行了频域响应和时域响应的数值模拟,验证了两种周期波屏障对Rayleigh波的隔离是有效的。研究结果表明:初应力的存在使周期波屏障的衰减域向低频移动,初应力值越大,衰减域向低频移动得越明显,因此,可考虑通过适当调节波屏障上部的荷载值,实现对隔离Rayleigh波频段的调控。当振动频率处于周期波屏障的理论衰减域内时,振动会被明显衰减,增加屏障排数有利于取得更好的减振效果。本文工作不仅揭示了初应力对周期波屏障隔振性能的影响规律,而且为分析周期结构提供了新途径,拓宽了周期结构的研究范围。

关键词：周期结构波屏障初应力成层土 Rayleigh波

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具有低频超宽衰减域的部分埋入式表面波屏障

地震工程与工程振动 2020年第2期40卷 187-194页

作者：秦凯强刘泽于桂兰北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

针对低频Rayleigh表面波,设计了部分埋入式工字形截面周期波屏障。利用有限元方法计算了结构的频散曲线,分析了带隙的形成机理,讨论了屏障埋入土体深度和截面参数对带隙的影响,在此基础上设计了具有低频超宽衰减域的梯度及分段梯度波屏... 详细信息

针对低频Rayleigh表面波,设计了部分埋入式工字形截面周期波屏障。利用有限元方法计算了结构的频散曲线,分析了带隙的形成机理,讨论了屏障埋入土体深度和截面参数对带隙的影响,在此基础上设计了具有低频超宽衰减域的梯度及分段梯度波屏障并计算了其传输谱。结果表明:周期波屏障存在较宽带隙,板埋入深度和端部尺寸是影响带隙的关键参数,通过参数调节可实现不同频段Rayleigh波的调控。工字形变截面波屏障比等截面具有更优越的隔震性能且节省材料。梯度及分段梯度波屏障显著拓宽了衰减域的频率范围,对1.5~20 Hz范围内的Rayleigh表面波实现了全覆盖,用小尺寸控制了大波长。

关键词：波屏障周期梯度 Rayleigh波带隙低频衰减域

成层土中超表面混凝土波屏障对Rayleigh波减振的研究

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成层土中超表面混凝土波屏障对Rayleigh波减振的研究

作者：张宇鹏北京交通大学

学位级别：硕士

波屏障,特别是超表面混凝土波屏障,作为一种环境减振措施,由于可以通过小尺寸结构衰减大波长的弹性波,被广泛应用到土木工程领域。目前关于该类波屏障的研究,大多是基于均质土体假设进行的。然而,实际工程中的土体大多是分层土体,并且... 详细信息

波屏障,特别是超表面混凝土波屏障,作为一种环境减振措施,由于可以通过小尺寸结构衰减大波长的弹性波,被广泛应用到土木工程领域。目前关于该类波屏障的研究,大多是基于均质土体假设进行的。然而,实际工程中的土体大多是分层土体,并且有很大一部分是含有孔隙水的饱和土,在该类场地条件下关于波屏障减振性能的研究还比较少。究其原因,分层土体中如何识别面波和确定面波的衰减域是需要解决的核心问题。为此,本文致力于成层土特别是成层饱和土中超表面混凝土波屏障对Rayleigh波减振的研究,主要内容如下:(1)提出了一种针对成层土中面波衰减域求解的等效模型。先建立了两层土的有限元数值分析模型,参照四种场地类别,通过数值分析讨论,给出了首层土(覆盖层)厚度影响土体等效的修正数值;随后,按照首层土厚度对应的修正数值对成层土进行了等效,这样就将成层土中面波的识别和衰减域求解问题简化为均质土中面波的识别和衰减域求解问题,进而可根据能量法并结合等效后均质土的剪切波速,求解出成层土中周期屏障面波衰减域。最后,对衰减域的影响因素进行了参数讨论。(2)对成层土中连续型混凝土周期屏障建立了二维有限周期单元模型,并对模型的频率响应和时域响应进行了数值模拟。(3)对成层土中离散型混凝土周期屏障建立了三维有限周期单元模型,同样对模型的频率响应和时域响应进行了数值模拟。研究表明,利用本文提出的成层土中周期屏障面波衰减域等效分析模型,可以准确、方便地求解面波频散关系;首层土的土体特性对面波衰减域影响最大,对常见环境振动,当首层土的土体厚度不小于3m时,等效后的土体材料参数接近于首层土的材料参数,求解面波衰减域时可直接取首层土考虑;当首层土的土体厚度小于3m时,其它层土体对面波的影响不能被忽略,可利用本文提出的等效模型进行简化分析。另外,本文设计的超表面混凝土波屏障,可以有效地隔离衰减域内的环境振动。

关键词：超表面成层土等效模型波屏障衰减域

部分埋入式周期波屏障对Love波的阻隔性能研究

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地震工程与工程振动 2021年第6期41卷 186-194页

作者：葛倩倩于桂兰北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

针对覆层土体远场Love波隔震,利用周期结构的带隙特性,设计了一种部分埋入土体的工字型截面板式周期表面波屏障,并对周期波屏障的隔震性能进行了分析。利用有限元方法数值模拟了覆层半空间中波屏障的频散关系和频率响应。分析了不同的... 详细信息

针对覆层土体远场Love波隔震,利用周期结构的带隙特性,设计了一种部分埋入土体的工字型截面板式周期表面波屏障,并对周期波屏障的隔震性能进行了分析。利用有限元方法数值模拟了覆层半空间中波屏障的频散关系和频率响应。分析了不同的土层厚度和周期屏障的埋入深度以及土体参数对屏障隔震作用的影响,给出了低频区(第一条带隙)存在宽频带隙时屏障埋入深度与覆层厚度应满足的条件。最后通过数值模拟验证了波屏障对Oroville地震表面波的屏蔽作用。研究结果表明,所设计的表面波屏障对于40 Hz以下的Love波具有较好的阻隔作用,总带隙宽度可达26 Hz,可使Oroville地震表面波加速度衰减达90%左右。波屏障的埋入深度与覆层厚度满足2d_(1)-4≤h_(b)≤0.8d_(1)+0.25时,可在低频区获得宽频带隙。土体剪切模量对屏障隔震性能的影响与屏障埋入土体深度密切相关,且在低频区和高频区(第二条带隙)截然不同。当场地土体参数发生改变时,通过调整屏障埋入深度可以在低频区有效调节衰减域的频率范围,实现对Love波的传播控制。

关键词：周期结构波屏障隔震覆层土体 Love波

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横观各向同性土中T形表面波屏障性能研究

横观各向同性土中T形表面波屏障性能研究

作者：纪德鑫北京交通大学

学位级别：硕士

地震灾害会给人类带来严重损失,寻找有效的隔震手段保护结构物的安全,是土木工程领域的重要研究课题。天然土体的土骨架一般具有各向异性。本文针对横观各向同性土体的隔震问题,基于周期结构的弹性波带隙特性,提出了一种部分埋入式T形... 详细信息

地震灾害会给人类带来严重损失,寻找有效的隔震手段保护结构物的安全,是土木工程领域的重要研究课题。天然土体的土骨架一般具有各向异性。本文针对横观各向同性土体的隔震问题,基于周期结构的弹性波带隙特性,提出了一种部分埋入式T形表面波屏障。利用有限元方法并结合Bloch-Flquent理论,对波动控制方程及相应的边界条件进行无量纲分析,推导出了决定带隙特性的无量纲材料参数。研究了材料参数及结构参数对波屏障带隙性质的影响。对波屏障在地震作用下的稳定性进行了分析;为拓宽衰减域、优化隔震性能,提出了组合式和梯度式波屏障并进行了频响函数的分析。验证了T形表面波屏障对El Centro地震波的隔震效果。主要研究结果如下:1.屏障与土体的密度比ρ/ρ,剪切模量比G/G,土体竖直与水平剪切模量比G /G,以及波屏障和土体的泊松比μ,μ ,μ 和μ,是直接影响横观各向同性土体中波屏障带隙特性的七个独立无量纲材料参数。其中,前三个参数的变化对带隙特性影响较大,泊松比的变化影响较小。2.土体剪切模量比G/G 是引起屏障带隙特性变化的重要参数,完全各向同性土体中的带隙宽度远小于各向异性情况,将土体假定为完全各向同性难以准确描述波屏障在实际场地中的带隙特性。3.无量纲材料参数的研究可用于指导实际场地中波屏障材料的选择。在土体各向异性程度较高及很高(0.5波屏障时,剪切模量比G /G无需过大,而增大材料密度比ρ/ρ可以获得更宽的带隙。在各向异性程度很低(0.9波屏障,Ⅰ型单参数梯度式波屏障能够实现在低频区衰减表面波,Ⅱ型双参数梯度式波屏障能够有效拓宽带隙。二者既能减少材料用量,又能产生良好的隔震效果,具有重要的实际应用价值。6.部分埋入式T形周期表面波屏障与Ⅱ型双参数梯度式波屏障对于El Centro地震波有良好的隔震效果,在地震波主频范围内,加速度幅值衰减幅度超过90%。

关键词：横观各向同性周期结构波屏障有限元方法带隙隔震

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一种隔离出平面弹性波的新型超材料波屏障

一种隔离出平面弹性波的新型超材料波屏障

作者：高敏北京交通大学

学位级别：硕士

近年来,超材料如各向异性超材料和五模超材料由于其奇特的控波特性与行为受到越来越多的关注,因此,超材料在工程领域隔振减振方面的研究有着巨大的潜力。本文基于隐身斗篷的概念,提出了一种新型的隔离土体中低频出平面弹性波的超材料波... 详细信息

近年来,超材料如各向异性超材料和五模超材料由于其奇特的控波特性与行为受到越来越多的关注,因此,超材料在工程领域隔振减振方面的研究有着巨大的潜力。本文基于隐身斗篷的概念,提出了一种新型的隔离土体中低频出平面弹性波的超材料波屏障,主要研究内容如下:1)在隐身斗篷中引入归一化径向折射率与切向折射率,类比光在空间中的传播,将费马定律用来描述出平面弹性波在各向异性超材料中的传播。2)基于二维隐身斗篷的结构,提出了新型超材料波屏障的结构,其基本单元由两个八分之一圆环和一个四分之一圆环组成,基本单元为各向异性超材料。3)提出了新型超材料波屏障的波速模型,假定其基本单元所对应的各向异性超材料与隐身斗篷所对应的各向异性超材料具有相同的形式,利用波速匹配法,带入提出的波速模型,进而得到基本单元的材料分布参数。4)借助等效介质理论,新型超材料波屏障可以通过层状结构构建,每层所使用的材料均为各向同性的工程材料,并给出了该超材料波屏障的设计流程。5)根据一个实测的主频位于低频范围内的加速度记录,设计了一个具体的波屏障,并从频域与时域两方面验证了该波屏障的隔振效果,讨论了相关参数对波屏障隔振效果的影响。研究发现,本文所提出的超材料波屏障能够非常有效地隔离出平面弹性波,同时,增大该波屏障的径向折射率与切向折射率之比、增大波屏障的厚度或减小其内半径均能够提高波屏障的隔振效果。

关键词：超材料波屏障出平面弹性波隔振减振

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覆层土体部分埋入式周期表面波屏障性能研究

覆层土体部分埋入式周期表面波屏障性能研究

作者：葛倩倩北京交通大学

学位级别：硕士

周期结构具有带隙特性,位于带隙频率范围内的振动或波动无法在结构中传播。利用带隙特性进行隔震结构设计和分析具有重要的理论和工程实际价值。本文针对覆层土体远场地震表面波中广义Rayleigh波和Love波的隔震,提出了周期部分埋入工字... 详细信息

周期结构具有带隙特性,位于带隙频率范围内的振动或波动无法在结构中传播。利用带隙特性进行隔震结构设计和分析具有重要的理论和工程实际价值。本文针对覆层土体远场地震表面波中广义Rayleigh波和Love波的隔震,提出了周期部分埋入工字型截面板式表面波屏障。利用有限元方法（COMSOL MULTIPHYSICS 5.2a）数值模拟了覆层半空间中波屏障的频散关系和频率响应,讨论了不同场地类型情况下,覆层厚度及埋入深度的影响。对比了覆层半空间和均质半空间中屏障隔震的区别。详细讨论了在覆层厚度较小的Ⅰ类场地情况下,屏障埋入深度、几何参数以及土体参数对带隙中心频率和带隙宽度的影响。研究了同时存在Rayleigh波和Love时波屏障的隔震作用,数值模拟了波屏障对Oroville地震波的屏蔽作用,得到的结果如下:1.在Ⅰ类和Ⅱ类场地,多数情况下覆层半空间中屏障的隔震频率范围比均质半空间的隔震频率范围小,所以若将覆层半空间简化为均质半空间进行屏障设计无法达到预期的隔震效果。在Ⅲ、Ⅳ类场地则影响不大,当埋入深度以下的覆层厚度达到10倍的波长时,可将覆层半空间简化为均质半空间。2.本文所设计的波屏障对40Hz以下的Rayleigh波和Love波均具有较好的屏蔽作用,在特定频率范围内可以同时屏蔽面内Rayleigh波和面外Love波。3.不同场地类型和屏障埋入深度对带隙有较大影响。Ⅰ类场地情况下,对于Rayleigh波,屏障埋入深度越大,隔震频率越高。覆层厚度较大（小）时,埋入深度越大（小）,40Hz以下总隔震频率范围越大。但埋入深度过大或过小会减小低频区（20Hz以下）隔震频率范围。Love波则恰好相反,当覆层厚度较大（小）时,增大（减小）埋入深度有利于获得较大的低频区（20Hz以下）隔震频率范围。对于Ⅱ类场地,板高大于覆层厚度且屏障全埋入时可获得较大的隔震频率范围;对于Ⅲ、Ⅳ类场地,埋入深度对带隙起决定作用,若要获得10Hz以下的低频带隙,屏障埋入深度约为板高的1/3。对于Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类场地,Love波与Rayleigh波结论相似。4.工字型板下部板厚以及上下部分高度是影响带隙的关键几何参数,通过减小工字型板下部厚度或高度可以降低隔震频率,通过增大工字型板下部厚度或减小上部高度可以拓宽隔震频率范围。5.本文设计的表面波屏障对覆层土体中Oroville地震波具有很好的屏蔽作用。

关键词：周期结构隔震波屏障覆层土体 Rayleigh波 Love波