本發(fā)明涉及抗地震事件的結(jié)構(gòu)保護(hù)領(lǐng)域。在現(xiàn)有技術(shù)中，用于設(shè)計(jì)地震帶中的建筑結(jié)構(gòu)的可用工具分為兩類：(i)地震耗散器和(ii)隔震器。

背景技術(shù)：

(i)直接插入要保護(hù)的結(jié)構(gòu)中的耗散系統(tǒng)(例如遲滯機(jī)械元件)耗散由地震事件所產(chǎn)生的能量，防止能量傳輸至建筑結(jié)構(gòu)中。雖然一方面提供這種耗散元件避免了結(jié)構(gòu)損壞，但在另一方面，耗散元件中的永久性變形集中的事實(shí)可導(dǎo)致以下不利影響：

·增加了建筑結(jié)構(gòu)對(duì)于進(jìn)一步地震事件的脆弱度；

·關(guān)于設(shè)計(jì)響應(yīng)，改變了建構(gòu)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，二階效應(yīng)變得顯著；

·維護(hù)操作和可能地替換耗散元件的操作存在困難。

(ii)地震隔離是指在地基和上部結(jié)構(gòu)之間插入“隔震器”系統(tǒng)，該“隔震器”通過增大與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的角頻率相關(guān)的振蕩周期，使傳輸至建筑物的地震能量的量極大地下降。然而，這種類型的解決方案的主要缺點(diǎn)是對(duì)于具有高的主振動(dòng)周期(高樓層數(shù))的建筑結(jié)構(gòu)和具有低剛度性能的地基土壤(比如粘土)均是低效率的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在本發(fā)明中，我們提出了一種用于建筑結(jié)構(gòu)的新型地震防護(hù)裝置，我們稱之為“復(fù)合地基”，所述“復(fù)合地基”除了具有較高的效率外，還不具有市場(chǎng)上的耗散器的缺點(diǎn)和隔離器的缺點(diǎn)。

本專利申請(qǐng)中的復(fù)合地基是通過疊置數(shù)塊混凝土板制成；每塊混凝土板由“MAT1”材料(例如，鋼筋混凝土)制成，所述板配備有周期性地設(shè)置并采用“MAT2”材料(例如，鉛)填充的空腔。MAT2借助于“MAT3”材料與“MAT1”隔離開，這種“MAT3”材料的特征在于較低的彈性模量。這種材料塊的目的是部分地限制空腔內(nèi)的金屬塊在水平面上的移動(dòng)。在一塊混凝土板和另一塊混凝土板之間按順序?yàn)椋轰摪?，聚四氟乙烯板，另一塊鋼板，如此使得接觸表面具有低的摩擦系數(shù)。所述混凝土板僅通過由“MAT4”材料覆蓋的公-母類型的豎向連接件相互橫向結(jié)合，“MAT4”材料的特征還在于具有較低的彈性模量值。以這種方式設(shè)置的系統(tǒng)對(duì)于豎向作用是非常剛性的，而對(duì)于水平作用則剛性很小。

具體實(shí)施方式

所述復(fù)合地基的基本單元的實(shí)現(xiàn)實(shí)例(前視平面圖)顯示在圖1中(計(jì)量單位：厘米)，其中：

-區(qū)域1為由“MAT1”材料制成的外部框架；

-區(qū)域2為由“MAT2”材料制成的內(nèi)部塊；

-元件3為由“MAT3”材料制成的塊；

-元件4為由“MAT4”材料制成的塊。

圖2詳細(xì)示出了圖1中以名稱PART.A和PART.B指出的區(qū)域。圖PART.A-1和PART.A-2分別為將疊置的混凝土板橫向結(jié)合的公-母節(jié)點(diǎn)的頂部和底部軸測(cè)圖。

反之，圖PART.B顯示了圓柱狀的內(nèi)部塊的軸測(cè)圖，該內(nèi)部塊通過4個(gè)“MAT3”材料塊被橫向連接至外部框架。

復(fù)合地基必須插入到要保護(hù)的建筑結(jié)構(gòu)的地基的下面。所述復(fù)合地基可以以兩種方式插入，即直接接觸傳統(tǒng)地基(直接連接)，或通過將其與傳統(tǒng)地基分離的土壤層(間接連接)。

復(fù)合地基關(guān)于豎向作用的高剛度允許限制上方的結(jié)構(gòu)的差異化沉降，而且關(guān)于水平作用的低剛度允許與入射地震波的波長無關(guān)地獲得對(duì)地震應(yīng)力的響應(yīng)。

此外，以這種方式布置的內(nèi)部塊具有在平面中的各向同性特性，即復(fù)合地基具有一種不依賴于地震波應(yīng)力的響應(yīng)，即次級(jí)波或橫波，無論其在平面中的方向如何。

圖3中顯示了本發(fā)明的復(fù)合地基在土木結(jié)構(gòu)的地震防護(hù)領(lǐng)域中的安裝示例。

該復(fù)合地基包括具有諧振器5和中空空間6的鋼筋混凝土板。

沿平面的延伸標(biāo)明了防護(hù)地震波的區(qū)域(等同于要保護(hù)的建筑物的規(guī)劃區(qū))，而在垂直于平面的方向上的延伸是作為用于地震波的復(fù)合地基的真實(shí)系統(tǒng)。

本發(fā)明的工作原理是基于波在以周期性結(jié)構(gòu)制成的材料中傳播的理論，在該周期性結(jié)構(gòu)內(nèi)部，信號(hào)的一些頻率分量具有漸逝特征(evanescent feature)，并且因此它們不傳播。

根據(jù)以簡化方式描述了本發(fā)明的復(fù)合地基的特性的一維離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，獲得ω為4°的分散關(guān)系(dispersion relation)，其以下列方程示出：

其中

i為虛數(shù)單位

ω為角頻率(rad/sec)

q為波數(shù)(rad/m)

L為周期性結(jié)構(gòu)之間的距離(m)

m₁為外部材料的質(zhì)量(kg)(MAT1)

m₂為內(nèi)部材料的質(zhì)量(kg)(MAT2)

k₁為外部材料的軸向剛度(N/m)(MAT3)

k₂為覆蓋m₂的材料的軸向剛度(N/m)(MAT4)

b₁為外部材料的粘性阻尼系數(shù)(Ns/m)(隔離復(fù)合地基的混凝土板的低摩擦層)

b₂為內(nèi)部材料的粘性阻尼系數(shù)(Ns/m)(隔離復(fù)合地基的內(nèi)部塊的低摩擦層)。

方程(1)具有特征在于兩個(gè)分部的解，即被定義為光學(xué)分部和聲學(xué)分部的兩個(gè)分部。在兩個(gè)分部之間存在被稱為“帶隙”的區(qū)域，在其中，角頻率與虛數(shù)相關(guān)聯(lián)。在該“帶隙”內(nèi)，振動(dòng)根據(jù)以下e^-nβ類型的指數(shù)定律減小，其中n等于被通過的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)量，而β是在共振條件下趨向于無窮大的衰減系數(shù)。

因此，波頻率與復(fù)合地基本身的共振頻率越接近，則復(fù)合地基的空間衰減越高。也就是說，地震橫波中的衰減最大的頻率分量是頻率接近復(fù)合地基的共振頻率的那些頻率分量。如前所述，這種頻率與內(nèi)部塊的共振頻率一致?？紤]到設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，以合適的方式選擇這種頻率是很重要的，例如，其可以等于必須安裝該復(fù)合地基處的土壤區(qū)域的共振頻率，以限制局部的地震放大效應(yīng)，或者其可以等于要保護(hù)的結(jié)構(gòu)的主模式的頻率，以衰減地震所引起的應(yīng)力的量。

對(duì)地震信號(hào)振幅的衰減的有效性已經(jīng)借助于一維模型的解析解以及通過有限元法的數(shù)值模擬進(jìn)行評(píng)估。以下提出了應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的復(fù)合地基的設(shè)計(jì)示例。

為了這個(gè)目標(biāo)，我們構(gòu)思了一種由4塊鋼筋混凝土板疊置制成的復(fù)合地基，鋼筋混凝土板的尺寸為5.4m×5.4m，高度為0.2m，在鋼筋混凝土板的內(nèi)部具有由鉛制成的圓柱狀塊，該塊的直徑等于0.3m，高度為0.2m。這種耗散器的基本單元顯示在圖1中。

在混凝土板之間具有摩擦系數(shù)為0.03的鋼-聚四氟乙烯層。這些混凝土板利用4個(gè)圓柱狀連接件相互橫向結(jié)合，這些連接件由鋼筋混凝土制成，具有等于0.25m的直徑和等于0.1m的高度，這些連接件與楊氏模量等于1000kpa的橡膠塊相互作用。每塊板內(nèi)部的鉛塊數(shù)量等于96。內(nèi)部塊通過楊氏模量等于1000kpa的橡膠塊連接至外部框架，以允許實(shí)現(xiàn)為f₀＝7Hz的、內(nèi)部塊的共振頻率。

上述系統(tǒng)就像具有以下質(zhì)量參數(shù)和剛性參數(shù)的一維離散系統(tǒng)(1-D)：

m₁＝9769kg(鋼筋混凝土的質(zhì)量)

m₂＝15743kg(由鉛制成的內(nèi)部塊的總質(zhì)量)

k₁＝160000N/m(公-母節(jié)點(diǎn)的軸向剛度的總和)

k₂＝30000000N/m(相當(dāng)于具有96個(gè)諧振器的系統(tǒng)的軸向剛度)。

通過依據(jù)有限差分法編寫具有8個(gè)自由度(內(nèi)部質(zhì)量的4個(gè)自由度，和外部質(zhì)量的4個(gè)自由度)的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，確定經(jīng)受任何加速度圖(accelerogram)的系統(tǒng)的響應(yīng)是可能的。

圖4顯示了在基部經(jīng)受加速度(Tolmezzo accelerogram(托爾梅佐加速度圖)1976)的有關(guān)復(fù)合地基的FEM 3-D分析結(jié)果和一維有限差分析結(jié)果的對(duì)比。

圖4中的部分a顯示了在時(shí)域中獲得的結(jié)果?？梢钥闯鲈谝痪S模型(連續(xù)曲線)和三維模型(折線曲線)之間的優(yōu)化對(duì)應(yīng)性。

圖4中的部分b顯示了在頻域中獲得的結(jié)果。從圖中可以看出，存在其中輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)被放大的第一頻率范圍(0-0.7Hz)，以及其中信號(hào)的振幅明顯下降的第二頻率范圍(0.7-10Hz)。

最后，為提高復(fù)合地基在抵抗地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響方面的效率，已經(jīng)在設(shè)有上述限定的復(fù)合地基的情況下，評(píng)估了Tolmezzo accelerogram(1976)的反應(yīng)譜。

圖5顯示了在沒有復(fù)合地基(連續(xù)曲線7數(shù)值計(jì)算)和具有復(fù)合地基(分析計(jì)算曲線8，和數(shù)值計(jì)算斷續(xù)曲線9)的情況下、關(guān)于5％阻尼的反應(yīng)譜。

結(jié)果顯示，在具有復(fù)合地基的情況下，地震作用的量大幅度下降(約16倍)，尤其是對(duì)于范圍為0至1.5s的時(shí)段(在實(shí)踐中，反應(yīng)譜的縱坐標(biāo)有更多意義)。

以這種方式構(gòu)造的復(fù)合地基可以被定義為抵抗地震作用的主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，因?yàn)?，由于被置于建筑結(jié)構(gòu)的地基的下面，它耗散了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)本身危害最大的頻率分量的能量含量，從而防止建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生永久變形。