基于超材料的新型地震表面波屏障设计及机理研究

In this project, we propose an idea to design a new semi-buried column-type wave barrier with resonant elements for low-frequency seismic surface waves (Rayleigh waves and generalized Rayleigh waves) based on the concept of metamaterials. The unit of the wave barrier is expected to have special resonance characteristics by the design of column configuration, embedding depth and the bonding condition between the columns and the soil, and thereby the energy input of seismic waves is cut off due to its frequency band gaps. The approximate equivalent model is established according to the dispersion curves and the modal analysis by numerical simulations, and the corresponding approximate analytical method is developed. Investigations are carried out to explore the mechanism of the wave barrier. Approximate relationship is obtained between the resonant frequency, the band gap range and the geometric parameters, the embedding depth and the material parameters of the columns. Considering the viscosity and anisotropy of the soil, we develop the calculation and characterization method of the complex bands in the complex domain. And the model of a layered half-space is established to consider the differences between the upper and lower soil. Finally, superior isolation performance is obtained by parameter analysis and optimization design, and free field experiment on the new designed seismic surface wave barrier is carried out. The research of this project is expected to lay a foundation for the effective control of seismic surface waves, the promotion of wave barrier design and applications in engineering.

本项目基于弹性波超材料概念，针对低频地震表面波（Rayleigh波和广义Rayleigh波），提出了具有谐振单元的新型半埋入立柱式表面波屏障的设计思想。通过立柱几何构型、埋入深度以及立柱与土体界面结合方式的设计，使波屏障基本单元具有特定的谐振特性，形成频率禁带，进而隔断地震波的能量输入。在数值模拟基础上，根据频散曲线并结合模态分析建立波屏障近似等效模型，探索隔震机理，并基于等效模型发展相应的近似解析求解方法，建立共振频率、带隙范围与立柱几何参数、埋入深度、材料参数之间的近似关系。考虑土体介质的粘性和各向异性，发展复数域内复能带的计算和表征方法。针对土体表层与深层性质不同的情况建立覆层半空间模型。最后，通过参数分析和优化设计获得优越的地震表面波隔震性能，并针对设计的新型半埋入立柱式表面波屏障开展自由场地实验研究。本项目有望为实现对地震表面波的有效控制，促进波屏障设计和工程应用奠定基础。

在震源与被保护建筑物之间设置波屏障，使地震动发生衰减是一种有效降低地震动灾害的方法。近年来基于声子晶体的波屏障设计虽然取得了很多成果，但基于 Bragg 散射机理设计的声子晶体带隙频率所对应的波长一般与结构尺寸参数处于同一量级，而地震波的频率主要分布在 1-20Hz，波长可达百米量级。因此对于低频地震波，势必会导致声子晶体的尺寸超大，无法付诸实施。超材料由亚波长结构单元构成，其带隙所对应的波长远远大于结构尺寸，可实现小尺寸控制大波长的波动。所以研究设计新型的超材料表面波屏障，探索其隔震机理，在低频区较宽的频率范围内实现地震表面波的有效衰减，具有十分重要的理论和实际意义。本项目针对低频地震表面波，设计了多种具有谐振单元的部分埋入式新型波屏障并进行了实验研究。讨论了土体的各向异性、分层特性、不同场地情况等对屏障设计及隔震性能的影响，揭示了屏障的隔震机理。引入遗传算法和深度学习算法实现了波屏障参数优化设计及拓扑构型设计。结果表明：埋入深度是影响带隙的关键参数，埋深变化可以有效调节衰减域的频率范围，实现不同频段Rayleigh波的调控。梯度及分段梯度波屏障显著拓宽了衰减域的频率范围，可对1.5～20Hz范围内的Rayleigh波实现全覆盖。实验结果与数值结果具有相同的变化规律，且具有相近的衰减域频率范围。土体竖向与水平剪切模量比是引起屏障带隙特性变化的重要参数，过高或过低均不利于宽带隙的形成。在Ⅰ类和Ⅱ类场地，覆层的存在一般会减小带隙的频率范围，但在Ⅲ、Ⅳ类场地则影响不大。结构的多参数优化设计和拓扑构型设计收敛性稳定，可针对不同目标带隙和场地条件获得满足要求的低频宽带隙，实现小尺寸控制大波长，达到对低频波有效减隔震的目的。研究成果为实现对地震波及环境振动的有效控制，促进波屏障设计和工程应用奠定了基础。