岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 1907-1918.doi: 10.16285/j.rsm.2024.1058CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.1058

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双谐振腔周期表面波屏障的超宽低频带隙及隔震性能研究

丁兰1,杨航1,李田军1,吴巧云2,朱宏平3   

  1. 1. 中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北 武汉 430074;2. 武汉工程大学 土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430073; 3. 华中科技大学 土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074
  • 收稿日期:2024-08-26 接受日期:2024-11-19 出版日期:2025-06-11 发布日期:2025-06-10
  • 通讯作者: 李田军,男,1977年生,博士,副教授,主要从事结构抗震方面的研究。E-mail: litianj@cug.edu.cn
  • 作者简介:丁兰,女,1985年生,博士,副教授,主要从事结构振动分析与控制方面的研究。E-mail: dinglan@cug.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.51908521,No.52178370,No.52478319)。

Ultrawide low frequency bandgap characteristics and seismic isolation of surface wave metabarriers with double resonant cavities

DING Lan1, YANG Hang1, LI Tian-jun1, WU Qiao-yun2, ZHU Hong-ping3   

  1. 1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430073, China; 3. School of Civil and Hydraulic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China
  • Received:2024-08-26 Accepted:2024-11-19 Online:2025-06-11 Published:2025-06-10
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51908521, 52178370, 52478319).

摘要: 针对具有较强破坏性的地震Rayleigh波,提出了双谐振腔周期表面波屏障。采用室内模拟模型试验对屏障结构的减隔振性能进行研究,并与有限元计算结果进行相互验证。进而利用有限元法分析能带结构和振动传输特性,通过模态振型和位移场分布阐释带隙形成机制,提出了Rayleigh波与屏障竖向共振和水平共振交互作用的频散曲线简化公式,研究了屏障在实际地震动作用下的动力响应。结果表明:所提屏障对地震Rayleigh波具有良好的抑制效果,水平方向上的地震加速度峰值降低了56.8%,其本质原因是Rayleigh波一部分被局限到共振单元中,另一部分转化成远离地表的体波。该研究结果为周期表面波屏障的超低频减隔震应用提供了新的设计思路。

关键词: 周期结构, 带隙特性, Rayleigh波, 局域共振, 隔震

Abstract: To mitigate the damage caused by seismic Rayleigh waves to structures, periodic surface wave metabarriers with double resonant cavities are proposed. The vibration isolation performance of the scale model is experimentally studied and verified using finite element simulation result. Consequently, the band structure and vibration transmission characteristics are further examined by using finite element method. The mechanism of bandgap formation is clarified in terms of eigenmodes and displacement field distributions. Simple analytical formulas for the dispersion curves of interactions between Rayleigh waves and vertical and horizontal resonant modes are derived. The results show that in the bandgap frequency range, Rayleigh wave attenuation is effectively validated through dynamic response analysis of surface wave metabarriers under actual ground motion using time history analysis. The peak ground acceleration in the horizontal direction can be reduced by 56.8% because part of the Rayleigh waves is localized to the resonant elements of the periodic surface wave metabarriers, while the rest is converted into bulk waves that propagate away from the ground surface. The study provides a new design idea for the ultra-low frequency vibration reduction and isolation application of periodic surface wave metabarriers.

Key words: periodic structure, band gap characteristic, Rayleigh waves, local resonance, seismic isolation

中图分类号: O326
[1] 周鹏发, 闻毓民, 何永辉, 高登, 骆阳, 常铭宇, . 基于改进完美匹配层的非均匀弹性波输入研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(10): 3253-3266.
[2] 高盟, 张硕, 孔祥龙, . 三维周期结构波阻板的带隙特性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(6): 1651-1660.
[3] 厉超, 庄培芝, 李利平, 张思峰, 周冲, . 局域共振超材料表面波屏障带隙特性与隔振性能[J]. 岩土力学, 2024, 45(3): 750-758.
[4] 周凤玺, 姚桃岐, 柳鸿博, . 非饱和土中Rayleigh波传播的能量特性研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(S1): 612-622.
[5] 景立平, 吴凡, 李嘉瑞, 汪刚, 齐文浩, 周中一, . 土−桩基−隔震支座−核岛地震反应试验研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(9): 2483-2492.
[6] 陈晓斌, 王业顺, 唐孟雄, 谢康, 唐豪, 吕金, . 周期性四组元局域共振桩带隙特征及隔振性能研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(1): 110-118.
[7] 周凤玺, 柳鸿博, 蔡袁强, . 饱和多孔热弹性介质中Rayleigh波 传播特性分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 315-324.
[8] 周凤玺, 柳鸿博, . 非饱和土中Rayleigh波的传播特性分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 3218-3226.
[9] 李志远,李建波,林 皋, . 局部复杂场地Rayleigh波传播特性分析的SBFEM模型研究[J]. , 2018, 39(11): 4242-4250.
[10] 徐 颖,梁建文,刘中宪,. Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的散射[J]. , 2017, 38(8): 2411-2425.
[11] 章 敏,尚 微,周忠超,郭 诚,. 双层非饱和地基中Rayleigh波的传播特性[J]. , 2017, 38(10): 2931-2938.
[12] 张少杰 ,陈 江 ,李 弋 ,李朋洲 ,孙 磊 ,刘浩吾 . 高拱坝动力试验模型气幕隔震的数值模拟及试验研究[J]. , 2012, 33(7): 2061-2066.
[13] 王 鹏 ,王 军 ,蔡袁强 ,丁光亚 . 饱和地基表面基础在Rayleigh波作用下的摇摆振动分析[J]. , 2012, 33(12): 3689-3695.
[14] 尚守平,岁小溪,周志锦,刘方成,熊 伟. 橡胶颗粒-砂混合物动剪切模量的试验研究[J]. , 2010, 31(2): 377-381.
[15] 牛志荣,路国运. 土体受冲击时Rayleigh波作用机制探讨[J]. , 2009, 30(6): 1583-1589.
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