地震发生时,地震波会携带大量的能量从震源处向四周传播,当到达土壤表面时,会沿着土壤表面进行传播,形成表面波.表面波产生的低频振动对建筑物的损害极大,特别是表面波中的瑞利波,是破坏建筑物的主要成分[1].常规的减震隔震技术是给建筑结构设置能量耗散系统,以保护建筑物免受摇摆和振动的损害[2].超材料[3-4]是一种新颖的周期合成材料,具有天然材料所不具备的性质,当弹性波传播时,其带隙频率范围内的波会被衰减和反射,这种禁带特性为地震保护提供了新思路.近年来,一些学者提出利用超材料来保护建筑物的新途径[5-7].
将地震超材料布置在建筑物的外围形成周期屏障结构,以调控和衰减破坏力极强的瑞利波.起初,针对地震超材料屏障结构的设计,研究者提出了埋入式超材料屏障.Meseguer等[8]采用三角形和蜂窝状的周期阵型在大理石场地钻孔形成埋入式超材料结构,验证了这种结构可以产生带隙,可衰减地震波中的瑞利波.Brule等[9]进行了瑞利波的场地实验,通过向土体下方钻孔形成二维周期排列的埋入波屏障,可对50 Hz左右的瑞利波有良好的衰减.Palermo等[10]设计了基于局域共振机理的谐振器作为超材料屏障,将其埋入地面下可产生带隙,但其带隙宽度较窄.Miniaci等[11]将包裹着橡胶的钢柱或混凝土柱完全埋入土壤中,在晶格常数与深度相同的情况下可产生的带隙宽度仅为0.2 Hz的带隙,但其结构尺寸过大,不利于实际应用.Achaoui等[12]和Palas等[13]分别将混凝土柱和木桩完全埋入土体中,将底部固定在岩石层上,可产生一个低频的瑞利波带隙,但其结构在工程应用中还存在一定的距离.虽然,埋入式屏障可屏蔽瑞利波,但其屏蔽的范围较窄,难以在工程实际中应用.
研究者提出了将屏障固定在土壤表面形成未埋入式地震超材料.Du等[14]设计了一种未埋入式H分形钢柱结构超材料屏障,在钢柱高度为12.5 m时,产生的带隙频率范围为6.8~13 Hz.Muhammed等[15]研究了特殊截面的钢柱阵列置于层状土壤上作为超材料屏障,当高度超过10 m时可产生7.5~13 Hz的带隙.虽然,未埋入式屏障可产生低频带隙,但由于屏障尺寸过大,底端固定在土壤表面致使整体结构稳定性较差.
随后,研究者提出了将地震超材料屏障的下端埋入土壤形成部分埋入式地震超材料.Liu等[16]和秦凯强等[17]针对瑞利波分别设计了截面为矩形和工字形的板式一维部分埋入式超材料屏障,并分析了埋入深度对带隙的影响.刘岩钊等[18]设计了一种T形钢柱的二维部分埋入式屏障结构,发现埋入深度每增加5 cm,屏障的衰减域频率范围升高约5 Hz.目前部分埋入式地震超材料屏障的埋入方式单一,并且随着屏障埋入深度增大,虽然屏障稳定性增加,但是其带隙会迅速向高频移动.
为此,针对地震表面波中的瑞利波,提出了一种稳定性新型半埋入式地震超材料屏障,通过将结构中的不同部分半埋入土壤中形成两种屏障模型,不但增强了结构的稳定性,而且具有超低频带隙特性.计算了两种屏障模型的能带结构,分析了不同埋入方式对带隙机制的影响,并讨论了几何参数及材料参数对带隙的影响,最后进行了频域分析及地震动时程验证.