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在土木工程领域，基础设施的地震防护至关重要。现有抗震方法存在不足，地震超材料虽受关注但尺寸庞大。研究人员设计地上单层超材料围栏（meta-fence）隔离瑞利波，可使振幅降低 85%，频宽 17 - 200Hz，尺寸紧凑，为抗震结构设计开辟新途径。
在地球的 “脉搏”—— 地震面前，人类的基础设施显得格外脆弱。从古至今，地震频发，每一次都给人类社会带来巨大的灾难。在土木工程领域，如何有效保护基础设施免受地震的破坏，一直是科研人员们苦苦钻研的难题。传统的抗震方法，像采用弹性、橡胶或滑动支座的基础隔震技术，虽然能在一定程度上隔离地震产生的震动，让建筑物免受部分伤害，但它存在着明显的短板。对于那些承载着历史文化记忆的古建筑、珍藏无数瑰宝的博物馆以及关乎能源安全的核电站等特殊建筑来说，基础隔震技术无法增强它们的抗震能力。而且，一旦遭遇强烈地震，底部支座还可能出现残余变形和位移，后续的设备维护和更换费用高昂，这无疑给社会带来了沉重的经济负担。
随着科技的进步，地震超材料（seismic metamaterials）逐渐进入人们的视野。在过去十年间，它成为了基础设施抗震研究的热门领域。研究人员发现，地震超材料具有独特的带隙特性，就像给地震波设置了一道道 “关卡”，能够有效反射表面波，或者将它们转化为体波，从而减少地震波对建筑物的冲击。然而，现有的地震超材料需要大量跨越多个波长的亚波长谐振器，这使得它们的体积十分庞大，在实际应用中受到诸多限制。例如，在城市中土地资源紧张的区域，根本没有足够的空间来铺设这类超材料。
面对这些难题，来自未知研究机构的研究人员决心探索出一种全新的解决方案。他们开展了关于地上单层超材料围栏（meta-fence）隔离瑞利波（Rayleigh wave）的研究。经过不懈努力，研究取得了令人瞩目的成果：这种超材料围栏可以通过模式转换（mode conversion）和反射（reflection）的原理，有效隔离瑞利波。将其围成封闭区域时，能够把内部基础设施所受地震波的振幅降低 85%，而且工作频率范围很广，从 17Hz 到 200Hz 都能发挥作用。与以往的地震超材料相比，它最大的优势在于尺寸紧凑，这大大提高了在地震防护中的适用性。这项研究成果发表在《Extreme Mechanics Letters》上，为抗震结构的设计开辟了新的方向，有望在未来的地震防护工程中发挥重要作用。
研究人员在开展这项研究时，运用了数值模拟等关键技术方法。通过建立模型，模拟瑞利波在不同条件下与超材料围栏的相互作用，以此来研究围栏的隔离性能。例如，他们模拟了不同形状、尺寸的围栏以及不同频率的瑞利波，分析各种因素对隔离效果的影响。
瑞利波隔离基于超材料围栏
研究人员首先关注超材料围栏对半无限基底上瑞利波的阻挡效果。他们构建了一个模型，在由完美匹配层包围的基底上固定一个矩形障碍物，基底和障碍物都采用相同的均匀沉积土材料，这些材料的杨氏模量E=766MPa、泊松比ν=0.28 、密度ρ=1200kg/m3。通过对这个模型进行模拟分析，研究人员探究了超材料围栏在阻挡瑞利波方面的基本特性，为后续研究奠定了基础。
封闭超材料围栏实现全方位波隔离
基于前面研究得出的超材料围栏在正常和斜入射情况下的隔离性能，研究人员进一步探索其全方位地震防护的能力。他们将超材料围栏排列成一个指定间隔H=4m的封闭圆圈，并在左侧放置点源产生圆柱形瑞利波。研究发现，随着半径RP的变化，隔离性能也会发生改变。通过对这一过程的研究，揭示了封闭超材料围栏实现全方位波隔离的特性。
结论和讨论
研究人员成功引入了地上单层人工结构 —— 超材料围栏，用于隔离瑞利波。通过计算证明，超材料围栏隔离瑞利波的机制是反射和模式转换，这与基于干涉相消原理隔离板中弯曲波的方式不同。将超材料围栏布置成封闭结构，能够实现瑞利波的全方位隔离。同时，这种超材料围栏尺寸紧凑，在实际地震防护工程中具有广阔的应用前景。它为未来设计更加高效、实用的抗震结构提供了新的思路和方法，有望推动地震防护领域的技术革新，减少地震对人类社会造成的损失。
