利用掩埋的共振柱的地震波防尘壁
阅读：675发布：2020-05-13
专利汇可以提供利用掩埋的共振柱的地震波防尘壁专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种用于保护 建筑物 免受 地震 影响的抗震屏障，并且更具体地，涉及一种利用掩埋的共振柱的 地震波 防尘壁，这些共振柱能够减弱建筑物外部的地震波，而不是将抗震装置安装在建筑物中。根据本发明的利用掩埋的共振柱的地震波防尘壁，各个建筑物不是被单独保护的，而是防尘壁上的一个区域都得到了保护，以将地震的 震级 降低到使用者所希望的 水 平。，下面是利用掩埋的共振柱的地震波防尘壁专利的具体信息内容。
1.一种通过在地下掩埋多根共振柱而形成的抗震屏障，其中，每根共振柱被平面的屏障部分或者弯曲的屏障部分封闭，以形成内部腔体，并且所述平面的屏障部分或者所述弯曲的屏障部分中的至少一者具有至少一个贯通部分，该贯通部分从所述腔体的外部与所述腔体连通。
2.根据权利要求1所述的抗震屏障，其中，所述共振柱具有1至30Hz的共振频率。
3.根据权利要求1或2所述的抗震屏障，其中，所述共振柱具有圆柱形形状、六面体形状、八面体形状或者球形形状，并且所述共振柱借助于所述贯通部分互连。
4.根据权利要求1或2所述的抗震屏障，其中，所述抗震屏障具有折射率(n)和宽度(Xc)，所述折射率(n)和宽度(Xc)被调整以获得拟被降低的目标震级( M)，并且所述宽度在从20m至100m的范围内以减少震级1。
3
5.根据权利要求1或2所述的抗震屏障，其中，每个共振柱的所述腔体具有从1m 至
3
100m 的体积。
6.根据权利要求1或2所述的抗震屏障，其中，所述共振柱被掩埋在地下1m至100m之间。
1.一种通过在地下掩埋多根共振柱而形成的抗震屏障，其中，每根共振柱被平面的屏障部分或者弯曲的屏障部分封闭，以形成内部腔体；所述平面的屏障部分或者所述弯曲的屏障部分中的至少一者具有至少一个贯通部分，该贯通部分从所述腔体的外部与所述腔体连通；并且所述共振柱被掩埋在地下1m至100m之间。
2.根据权利要求1所述的抗震屏障，其中，所述共振柱具有1至30Hz的共振频率。
3.根据权利要求1或2所述的抗震屏障，其中，所述共振柱具有圆柱形形状、六面体形状、八面体形状或者球形形状，并且所述共振柱借助于所述贯通部分互连。
4.根据权利要求1或2所述的抗震屏障，其中，所述抗震屏障具有折射率(n)和宽度(Xc)，所述折射率(n)和宽度(Xc)被调整以获得拟被降低的目标震级( M)，并且所述宽度在从20m至100m的范围内以减少震级1。
3
5.根据权利要求1或2所述的抗震屏障，其中，每个共振柱的所述腔体具有从1m 至
3
100m 的体积。
利用掩埋的共振柱的地震波防尘壁
技术领域
[0001] 本发明主要涉及一种用于保护建筑物免受地震影响的抗震装置，更具体地涉及一种用于保护抗震屏障或者地震阴影区之外的建筑物的技术，这种技术通过在建筑物之外掩埋多根共振柱从而用作抗震屏障或者地震阴影区来阻止地震波的传播，而不是在建筑物本身中安装抗震装置。
背景技术
[0002] 地震是不可避免的典型自然灾害中的一种，并且对财产，最重要的是对那些居住在地震带或地震带附近的居民造成威胁。为了减少地震所引发的破坏，已经进行了许多关于建筑物抗震设计(包括早期地震警告系统)的研究。因此，相当有效地防止了居住在地震带或地震带附近的居民受到地震影响。
[0003] 然而，每年全世界仍然有成千上万的人在地震中死亡或受伤。近年来于2011年3月11日发生在日本本州岛仙台的东海岸的地震说明了无论抗震设计如何优秀，建筑物永远不会是安全而不受地震危险的影响的。
[0004] 现有的抗震构造方法是在最初建造建筑物时针对建筑物本身采用诸如抗震、隔震和减震等的抗震技术。然而，这些抗震构造方法应向每个建筑物单独提供，因此成本很高。因此，应该提供一种独立的方法，该方法能够保护建筑群或者明显改善甚至针对之前建造的建筑物的抗震保护。
[0005] 本发明涉及一种降低地震破坏的方法，这种方法基于完全区别于现有的传统抗震设计的新颖设计。现有方法是在地震波到达建筑物之后对每个建筑物进行独立保护的点保护，而本发明的方法是区域保护方法，该方法在地震波到达一个或多个建筑物之前提前中断地震波并且保护一片区域。为此，对应于地震波频率的共振柱被掩埋在地震波路径上。这种结构在地震波经过共振柱时吸收地震波并且防止较强的地震波到达建筑物。本发明的这种效果在于利用近年来学术界所积极研究的声学材料的原理。
[0006] 地震波从根本上来说是一种声波。在所有声波经过共振柱之后，接近共振频率的 声波被吸收，并且不能经过这些结构。该原理来自声学材料。然而，至今还没有将声学材料原理应用于防止地震破坏的技术的示例。
发明内容
[0007] 技术问题
[0008] 现有的抗震设计保护建筑物本身。这种设计与建筑物的基本结构相关联，并且因此在将抗震设计应用于之前建造的建筑物以提高其抗震性时产生很多费用。特别是，一旦诸如原子能发电厂或钢厂的现有建筑完工并投入使用，则很难改变抗震设计来提高其抗震性。
[0009] 因此，本发明已经考虑了相关领域中的上述问题，并且拟通过在建筑物周围掩埋共振柱的方式来安装抗振动屏障，并且共同保护所有建筑物，在这些建筑物周围埋有能够在地震波到达建筑物之前减弱地震波的抗震屏障。
[0010] 技术方案
[0011] 本发明提供了一种通过将多根共振柱(100)掩埋和堆积在地下而形成的抗震屏障(150)，其中每个共振柱被平面的屏障部分(1)或弯曲的屏障部分(2)封闭以形成内部腔体，并且平面的屏障部分或弯曲的屏障部分中的至少一者具有至少一个用于从腔体外部与腔体连通的贯通部分(10)。抗震屏障的形状可以是圆形、半圆形和杆形等，并且与待被保护的区域匹配。
[0013] 随着地震屏障的宽度增加，增加了地震波的震级的减少程度。当地震波的振波在李希特量表的基础上被认定为3级时，地震屏障的宽度应该如方程10所示，近似于地震波的波长。地震波的波长不是恒定的，但通常可以被近似为100m。
[0014] 根据地震屏障的长度来确定共振柱的数量。如图8中所示，发生了衍射现象，其中地震波在地震屏障的一个端部处发生弯曲。因此，当地震屏障的长度应该比地震波的波长还要长时，加宽了受保护的区域。
[0015] 共振柱(100)可以具有圆柱形状、六面体形状、八面体形状或球形形状。共振 柱的共振频率与地震波的共振频率相匹配，并且通过三个因素来确定，即共振柱的内部体积、共振柱的入口的贯通部分的面积和贯通部分的长度，而与共振柱的形状无关。随着入口的面积变得更大，内部体积变得更小，并且贯通部分的长度变得更短，高频率被阻隔。当存在多个贯通部分时，共振柱遵循电路的串联和并联连接的组合方式。
[0016] 当共振柱如图5和图6所示，以4排4列的方式进行掩埋和堆放时，内部的空的空间用作电容器，并且因此无论共振柱的形状如何都应该是空的。每个共振柱的贯通部分朝向该空的空间开孔，并且因此共振柱借助于贯通部分互连。
[0017] 由于地震波是混合有不同频率的波，因此具有不同共振频率的多个共振柱被混合和堆积成使得其贯通部分在竖直和水平方向上如电路元件的连接一样进行互连。
[0018] 如果具有大约50cm直径的5个贯通部分在具有大约30cm厚度的共振柱中开孔，3 3
则一个共振柱(100)的体积视地震波的波长而定，可以处于从1.0m 至100m 的范围内。
则一个共振柱(100)的体积视地震波的波长而定，可以处于从1.0m 至100m 的范围内。
[0019] 共振柱(100)可以被掩埋在地下，距离一个共振柱的高度为从1m至100m的范围内，这个范围是地基工程的深度或者地震波的频率。
[0020] 有利效果
[0021] 根据利用掩埋的共振柱的抗震屏障，建筑物不是被独立保护的，而是将抗震屏障安装在地震波的预测路径上以隔离地震波。因此，一个地区被整体保护。可以通过调整折射率和抗震屏障的宽度来将传递给建筑物的地震强度降低为所希望的水平。
[0022] 与改变建筑物本身的设计不同，抗震屏障安装在建筑物周围。由此，在地震波到达建筑物之前，地震波被减弱。因此，抗震屏障可以被有效地应用于之前已建成的建筑物。因此，不需要用于改变建筑物本身的抗震设计的措施。附图说明
[0023] 图1示出了用于实现负的有效模量的试验的共振柱的结构，其中模量是二维剪切模量和三维体积模量，并且剪切模量和体积模量彼此相同，当发生共振时它们变为负值。
[0024] 图2是曲线图，示出了根据声波经过共振柱行进时的频率(w)、弹性模量Geff(w)的实数部分(实线)在哪个区域变化为负值，其中虚数部分(虚线)在该区域变为负 值并且能量被吸收。
[0025] 图3是示意图，示出了根据本发明在上侧和下侧具有贯通部分的圆柱形共振柱的形状，其中可以在调整贯通部分的数量的情况下来调整共振频率。
[0026] 图4是示意性的俯视图，示出了根据本发明的用于构造抗震屏障的多个圆柱形共振柱在水平方向上彼此接触，其中每个共振柱的内部空间用作电容器，并且每个共振柱的4个横向贯通部分中的其中一个贯通部分相对内部空间是敞开的。
[0027] 图5是示意性的俯视图，示出了根据本发明的用于构造利用掩埋的共振柱的抗震屏障的六面体共振柱在水平方向上相连，其中每个共振柱的内部是空的，以便用作电容器，并且每个共振柱的横向贯通部分的入口相对内部空间是敞开的。
[0028] 图6示出了当在地下截面中观察利用根据本发明的掩埋的共振柱安装的抗震屏障时的布置，其中Zc是抗震屏障的深度，并且至少对应于地基工程的深度，Xc是抗震屏障的宽度，因此抗震屏障的宽度越宽，则地震波的震级越低。
[0029] 图7示出了根据本发明的利用被掩埋的共振柱的抗震屏障被安装在地下，以封闭建筑物的周围。
[0030] 图8示出了从顶部观察根据本发明的利用被掩埋的共振柱的抗震屏障时所观察到的受保护区域，其中受保护区域的边缘是由于涡流现象而使一部分地震波发生渗透所处的区域，并且受保护区域只是部分受保护的。
具体实施方式
[0031] 下面将参照附图对本发明的优选实施方式进行具体描述。然而，下面的这些实施方式被提供以便允许本领域技术人员充分理解并且可对这些实施方式进行各种修改。本发明的范围不被限制为本文所描述的实施方式。在整个附图中，相同的附图标记被用于指代相同的或类似的部件。
[0032] 地震波是一种声波，并且由作为体波的初(P)波和次(s)波以及作为面波的雷利(R)波和勒夫(L)波组成。此外，波的不同波长是非均匀混合的。在这些波中，R波和L波对建筑物造成破坏。
[0033] R波和L波被称为面波的原因在于，这些波仅存在于与表面相距相当于大约1个波长的深度，并且当超过相当于大约一个波长的深度时突然以指数方式减少。面波具有比体波慢得多的速度，并且比体波更不均匀，并且具有大约为1至3km/sec的速 度、30Hz或者更少的频率以及100m或者更短的波长。因此面波在150m或更多的1.5倍波长的深度处几乎被忽略。
[0034] 所有声波具有由密度和弹性模量的比率所确定的速度。弹性模量根据所应用的维度被分为三类，即应用于一维的杨氏模量、应用于二维的剪切模量和应用于三维的体积模量。剪切模量可以作为特殊情况来对待，其中一个平面被固定在体积模量处。面波从宏观角度来看是二维波，从微观角度来看是三维波。
[0035] 所有声波的速度通过方程1的介质的密度 和弹性模量G被确定。当声波经过共振柱时，没有波在对应于共振柱的频率区域附近的特定的频率区域进行传播，原因如下。
[0036] 通常，当向物体施加压力时，物体被压缩。抵抗压缩的能力是弹性模量。由于当施加压力时体积减小，因此弹性模量通常是正值。如果体积抵抗外部压力进行膨胀，则弹性模量变为负值。当波向共振柱中的空气施压时，共振柱中的波彼此叠加，发生相长干涉，以便产生共振柱中的空气反而膨胀的效果。弹性模量变为负值所处的频率区域是从如方程4中的共振频率至略高于该共振频率的一个频率的区域。
[0037] 当弹性模量由于共振变为负值时，波速根据方程1变为虚数。当波速变为虚数时，折射率n和波向量也如方程5和6中所示变为虚数，并且因此波的震级以指数方式减少。这与下列原理对等，即，当通过乐器吹口向管乐器施加空气压力时，管乐器内发生共振，并且压力能转化成声能。当波的震级以指数方式减少时，则波消失，而不发生传播。
[0038] 下面将以数学方式再次进行描述。地震波的速度通过方程1被确定为密度p和弹性模量G的比率的平方根。
[0039] 方程1
[0040]
[0041] 当弹性模量G变为负值时，速度v变为虚数。与速度的倒数成比例的折射率n根据方程2变为虚数。
[0042] 方程2
[0043]
[0044] 在方程2中，n代表折射率，c代表声波的背景速度。当弹性模量G变为负值时， 折射率n和波向量变为虚数，并且该波消失。该虚数的物理量是超材料的概念。该超材料指的是这样一种材料，该材料具有之前未被观察到的或者通过传统材料难以实现的电磁材料或声学材料的响应。
[0045] 图1示出了在试验中成功实现负的弹性模量的共振柱的一种结构和对应于该结构的LC电路。
[0046] 具有负弹性模量的共振柱100的结构具有主体，该主体的平面被密封并且在该主体的一个平面中形成有贯通部分10。如果存在多个贯通部分，则这些贯通部分遵循串联和并联连接的组合。
[0047] 当穿过贯通部分10的声波的压力积聚在腔体30中，并且发生共振时，声波所引起的空气压力扩张，并且弹性模量变为负值。这是声学超材料的原理。
[0048] 图2是针对方程3的曲线图，其中，当多个共振柱串联联接时，频率w被设定为自变量，并且弹性模量的实数部分(实线)和虚数部分(虚线)被设定为因变量。该曲线图示出了材料的弹性模量Geff如何根据频率w进行变化。
[0049] 方程3
[0050]
[0051] 在方程3中，F是根据共振柱的组合方式(即，共振柱之间的间隔或共振柱的布置)而通过试验确定的几何因子，并且 是损耗因子。当相连的共振柱增加时，F的值增加，并且弹性模量的实数部分变为负值所处的区域增加。当损耗因子 非常小时，弹性模量的实数部分变为负值所处的频率区域可以如方程4所示被给出范围。
[0052] 方程4
[0053]
[0054] 在方程4中，W0是共振柱100的共振频率。
[0055] 当发生共振时，地震波减少的效果产生在从共振频率到高于共振频率的给定频率的区域。地震波是非均匀波，其频率大多数为1至30Hz。因此，根据本发明的共振柱的共振频率范围优选被设定为从1至30Hz的范围。
[0056] 参照图2，弹性模量的实数部分变为负值所处的区域是发生共振并且声音的波向量变为虚数所处的区域。该区域的虚数部分变为负值。当虚数部分变为负值时，能量 被吸收。
[0057] 被吸收的能量在共振柱100中被转化成热能和声能。假设被吸收的能量完全被转化成声能，则声音强度可以在方程15中找到。
[0058] 根据方程2，介质的折射率作为波在介质中的速度V的倒数被给出。也就是说，当Geff在特定的频率区域变为负值时，折射率n变为虚数，并且折射率可以如方程5中一样来表示。
[0059] 方程5
[0060]
[0061] 诸如L波和R波的面波采用通过震级和正弦函数的乘积所获得的平面波的形式。当面波的行进方向为X方向，并且折射率是虚数时，波方程可以通过方程6来表示。
[0062] 方程6
[0063]
[0064] 根据方程6，当面波行进时，即当x增加时，波的震级以指数方式消失。
[0065] 在此，根据李希特量表的震级M可以如方程7来表示。
[0066] 方程7
[0067]
[0068] 在方程7中，A是在距震中100km的位置处测定的地震波最大震级，A0是当没有地-6震发生时的背景波的最大震级，并且被设定为1 m(10 m)。
[0069] 当地震波经过作为地震屏障的抗震屏障时，声波的震级如方程8中所示被减少。
[0070] 方程8
[0071]
[0072] 当地震波经过共振柱之前的初始震级被定义为Mi，并且地震波经过共振柱之后的最终震级被定义为Mf时，方程8如方程9中所示被给出。
[0073] 方程9
[0074]
[0075] 当初始震级和最终震级之间的差被给出为 M＝Mf–Mi时，抗震屏障的x轴距离和宽度Xc如方程10所示来获得。
[0076] 方程10
[0077]
[0078] 如可从上面的方程10看出的，抗震屏障的宽度Xc与地震波的波长 成比例，并且与抗震屏障的折射率n成反比。因此，当共振柱由具有非常高的折射率的水泥混凝土制成时，抗震屏障的宽度可以减少。抗震屏障的折射率由共振柱和其周围的空间材料的折射率确定，并且近似类似于共振柱的折射率。 M是拟削弱进入抗震屏障的地震波的震级差。
[0079] 地震波的波长 主要在50至200m的范围内。水泥混凝土的折射率主要在从1至2的范围内。抗震屏障的宽度Xc需要在从8至67m的范围内以减少震级1。考虑到安全因素，防震屏障的宽度被安装至长边，并且优选被设定为从20至100m的范围，以便减少震级
1。
1。
[0080] 例如，假定想要将地震波从震级6降低为震级3，则 M为3。假设当构建用于减少震级3的抗震屏障时，地震波的波长 是大 在这种情况下，抗震屏障的宽度Xc在折射率大约为1时为110m，在折射率大约为2时，为大约55m，如方程11所示。
[0081] 方程11
[0082]
[0083] 现在，共振柱的共振频率如下所述通过共振柱的结构获得。参照图1，贯通部分10的缩窄部15对应于LC电路的电感器，并且共振柱100内的腔体30对应于LC电路中的电容器。为了表示电感器和电容器，图1的左侧说明当以电学方式表示时，共振柱可以作为电感器和电容器的串联电路被给出。电容器的电容遵循方程12，电感器的电感遵循方程13。
[0084] 方程12
[0085]
[0086] 方程13
[0087]
[0088] 在
[0089] 在此，V是共振柱100的体积， 是共振柱内的介质(空气)的密度，并且v是背景速度。L’是贯通部分10的缩窄部15的有效长度，并且S是贯通部分10的入口的横截面面积。有效长度是将贯通部分的入口的半径与贯通部分的厚度相加得到的值。当贯通部分的入口不是圆形时，其半径是当其面积相当于圆形时的半径。
[0090] 在此，图3的共振柱100的共振频率 0遵循方程14。
[0091] 方程14
[0092]
[0093] 方程14的共振频率是通过方程1和13获得的共振频率。
[0094] 在方程14中，v是背景速度。根据方程14，共振柱100的共振频率取决于共振柱100的结构。也就是说，当在共振柱10中开孔的贯通部分10的有效长度L’变得更长时，当贯通部分的入口横截面面积S变得更窄时，并且当共振柱内的体积变得更大时，共振柱以较低的频率共振。
[0095] 方程15
[0096]
[0097] 当假设地震波在抗震屏障处被转化成声音和热时，并且只被完全转化成声音时，声音的强度用分贝表示。在方程15中，M是地震波在李希特量表的基础上的确定的地震波的震级，并且b是通过试验获得的常数，大约为1.5。D用于表示距离震中的距离，单位为km(参照下面的参考文件1和2)。
[0098] 1)现代物理学快报B，卷27，编号20，第1350140页(Jul.2013)的文章“由声学材料构成的人工地震阴影区”，作者Sang-Hoon Kim和Mukunda P.
[0099] 2)地震学原理，(剑桥,纽约,2010)第15章，作者A.Udias
[0100] 下面，更具体地展示根据本发明的利用掩埋的共振柱的抗震屏障的实施方式，并且应该理解的是，本发明不被限制为下面所呈现的实施方式。
[0101] 实施方式
[0102] 首先，用作抗震屏障的基本单元的共振柱100被制造。如在方程10中，抗震屏障的宽度与抗震屏障的折射率成反比。因此，当共振柱由具有较高折射率的材料制成时，抗震屏障的宽度可以进一步被减少。
[0103] 图3是示意图，示出了根据本发明在上侧和下侧具有贯通部分的圆柱形共振柱的形状。
[0104] 参照图3，具有与上部和下部贯通部分10相同作用的贯通部分10形成在圆柱形共振柱100的两个径向侧。共振柱的每个贯通部分用作电感器，并且共振柱的内部被用作电容器。
[0105] 图4是俯视示意图，示出了圆柱形共振柱的联接。这些共振柱通过贯通部分的配合入口彼此联接。
[0106] 参照图4，用作电感器的贯通部分与用作电容器的内部空间部分相连。共振柱的上部和下部贯通部分也在竖直方向上彼此配合和连接。
[0107] 当具有不同共振频率的共振柱100进行混合和连接时，具有不同频率的地震波区域可以被吸收。
[0108] 图5是俯视示意图，示出了相连的六面体共振柱。
[0109] 参照图5，用作电感器的贯通部分与用作电容器的内部空间部分相连。
[0110] 共振柱的上部和下部贯通部分也在竖直方向上彼此配合和连接。
[0111] 图6是利用共振柱来安装的抗震屏障的剖视图，该共振柱用于根据本发明来减少地面震动。
[0112] 在图6中，Zc表示共振柱100被掩埋所处的位置处的地下深度。
[0113] 此外，共振柱100被掩埋所处的深度优选等于或深于建筑物的地基工程。然而，不需要比100m的波长长度更深。
[0114] 一个被掩埋用于抗震屏障的共振柱的体积V取决于地震波的频率，并且被设定在3
从1至100m 的范围内。抗震屏障的宽度Xc可以被匹配和调整为所需的抗震水平。
从1至100m 的范围内。抗震屏障的宽度Xc可以被匹配和调整为所需的抗震水平。
[0115] 图7示出了利用掩埋的共振柱的抗震屏障被安装在地下，从而封闭建筑物的整个 周围。根据本发明的抗震作用可以被有效地应用于任意方向上的地震波。
[0116] 图8是俯视图，示出了根据本发明的利用共振柱的抗震屏障保护建筑物免受地震影响的平面的范围。由于地震波的涡流现象而部分渗透的地震波所处的区域发生在受保护的平面和未受保护的平面之间。因此，对于地震波渗透所处的部分区域的保护可能并不足够。
[0117] 通过共振柱100形成的抗震屏障被掩埋在地下，并且不在外部出现。
[0118] 当考虑海底地震在没有阻碍的情况下到达陆地时，通过挖沟并用水填满的方式安装的抗震屏障效果不大。
[0120] 附图标记说明
[0121] 10 贯通部分
[0122] 20 入口
[0123] 30 腔体
[0124] 100 共振柱
[0125] 110 空的空间
[0126] 150 抗震屏障
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