学术前沿 | 具有伪表面波减弱机制的分裂型地震超材料

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-07-29 22:20

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伪表面波是一种传播波，对地震瑞利波的衰减有害。提出一种可削弱伪表面波模式并产生12.92Hz超宽带隙的分裂式地震超材料（SSM）。SSM的分裂结构可以通过在能量带曲线内分离不同波的模式来获得，这会导致声锥内的表面波向外移动，从而削弱带隙内的伪表面波模式。结合频率响应曲线进一步证明，在相同的带隙范围内，SSM的衰减幅度大于单块式地震超材料（MSM）。随后，通过研究结构参数的变化，采用梯度阵列法将可产生更大衰减的特征频率与被削弱的伪表面波模式频率融合在一起，从而获得更大的衰减。最后，通过实验验证，SSM可以提供超宽的低频带隙，同时产生较大的衰减精度，为地震超材料的应用提供了实用的解决方案。

在本文中，提出了一种具有超宽带隙特性和减弱伪表面波模式的分体式地震介质（SSM）。采用有限元法计算SSM的能带曲线。在0-14.55 Hz的声锥范围内，生成了1.58 Hz-14.5 Hz的带隙，带隙比为89.11%，更好地覆盖了地震瑞利波的主要失效频率。而单体式地震介质结构（MSM）的带隙占比仅为32.02%。通过对模式的分析可知，带隙的形成原因是结构的局部共振效应。同时，SSM中的混凝土可以使原有的MSM带曲线移至声锥线之外，从而扩大带隙。然后，利用SSM和MSM能量带曲线的Γ-X方向的本征值来识别表面波模式。研究发现，MSM在声锥外存在一种假表面波模式，而嵌入混凝土柱中的SSM可以使结构和土壤振动更加剧烈，增加结构的群速度，从而削弱声锥外的带隙假表面波模式。通过频率响应证明，SSM通过削弱假表面波模式来增加带隙范围内的衰减。通过对两种结构的频率响应的计算可以看出，SSM不仅具有减弱假表面波以增加衰减的特性，而且在特征频率附近具有更严重的衰减。同时，通过改变地面柱的高度，可以改变SSM的特征频率。因此，设计了梯度阵列的SSM，以实现特征频率的大幅衰减和假表面波的大幅衰减，从而更好地衰减带隙内的频率，并验证了梯度SSM的频率响应。通过研究不同增高高度对正梯度结构衰减效应的影响，可以发现，随着增高高度的增加，特征频率可以更好地覆盖带隙，从而产生更大的衰减。最后，通过实验验证了设计的SSM的模拟数据。实验数据与模拟数据基本吻合。同时，分析了误差产生的原因，证明了由设计SSM产生的带隙的有效性。