周期性地震超材料结构设计与性能研究
摘要
地震具有随机性和多发性，引起的建筑物倒塌极大危害人们的生命财产安全，因此
如何抵御地震对于建筑的危害一直是土木工程领域的重点和难点。现有的减震方式包括
传统抗震、隔震和消能减震，虽然可以从一定程度上提高建筑物抵御地震的能力，但是
各自存在较为明显的缺点。近期，国内外专家将微观尺度上的声子晶体和声学超材料扩
展到地震领域，利用其带隙特性，提出了周期性地震超材料的减震思想。基于上述背景，
针对目前传统地震超材料结构所得到的带隙在地震波能量较为集中的频段内减震效果
不佳等问题，本文分别通过改变基体结构型式、内部散射体结构型式等设计并制备出拉
胀型、花瓣型以及兼具拉胀特性和花瓣型三种新型地震超材料结构，通过数值仿真结合
实验验证的方法系统研究了该类结构的带隙特性以及减震性能。具体研究内容如下：
1
（）受负泊松比拉胀结构的启发，通过改变了外部基体的结构型式，设计并制备出
拉胀型地震超材料结构。基于Bloch定理，通过有限元法计算了结构的能带曲线，得到
带隙区间，结果表明，与传统地震超材料结构相比，该新型结构可获得较低宽频带隙，
对地震兰姆波有很好的衰减效果。
2
（）基于仿生设计思想，通过改变内部散射体结构型式，设计并制备出花瓣型地震
超材料。建立了结构的动力学仿真模型，并通过实验结果验证了模型的准确性，揭示了
材料和几何参数对结构带隙特性的影响规律。研究发现，与传统地震超材料相比，该新
型结构，可实现将带隙区间大幅度向低频移动，具有优异的低频减震性能。
3
（）将拉胀型基体和花瓣型散射体相结合，提出了复合型地震超材料。数值和实验
结果发现，该结构可以进一步将带隙区间向低频移动。同时，通过研究结构在真实地震
波作用下的动态响应，进一步证明了该类结构具有优异的低频减震效果。研究成果可为
新型地震超材料结构设计提供新的思路。
关键词：地震超材料；带隙；减震性能；数值模拟；兰姆波
I
周期性地震超材料结构设计与性能研究
Abstract
Earthquakeshaverandomnessandfrequency,causingbuildingcollapsesthatgreatly
endangerpeopleslivesandpropertysafety.Therefore,howtoresisttheharmofearthquakesto
buildingshasalwaysbeenafocusanddifficultyinthefieldofcivilengineering.Theexisting
seismicreductionmethodsincludetraditionalseismicresistance,isolation,andenergy
dissipation.Althoughtheycanimprovethebuildingsabilitytowithstandearthquakestoa
certainextent,eachhasobviousdrawbacks.Recently,expertsathomeandabroadhave
extendedphononiccrystalsandacousticmetamaterialatthemicroscaletotheseismicfield,
andputforwardtheideaofdampingperiodicseismicmetamaterialbyusingtheirbandgap
characteristics.Basedontheabovebackground,inviewoftheproblemssuchasthepoor
dampingeffec