地震表面波振幅大,传播距离远,频率较低,一般在20Hz以下,对结构的危害很大。周期表面波屏障是一种有效的隔震措施,通过人为设计和调整波屏障结构参数,使带隙频率覆盖地震动主频范围,从而达到很好的隔震效果。对周期地震表面波屏障进行设计与隔震性能研究具有重要的理论与工程应用价值。本文设计了基于均匀半无限土壤基体的正方点阵周期十字空沟和十字填充沟表面波屏障来实现地震表面波的隔震。探索了三维半无限空间表面波屏障问题的有限元数值模拟方法,利用COMSOL MULTIPHYSICS 4.3有限元软件对表面波屏障的频散曲线、频域和时域响应等进行了数值模拟,利用图形特征判别法识别表面波模态,探讨了波屏障结构参数对完全带隙的影响,并分别对Oroville地震波、Taft地震波进行了地震动时程分析。研究结果表明:1、周期十字空沟与周期十字填充沟表面波屏障对于20Hz以下的地震表面波具有较好的隔震性能,衰减域频率范围可达10Hz左右。2、十字空沟长度与空沟深度是波屏障性能的关键设计参数。长度越大,完全带隙越宽,带隙中心频率越低;空沟深度越大,结构刚度越小,特征频率越低,当空沟深度达到周期常数的1.25倍左右时,完全带隙的宽度达到最大,隔震效果最好;空沟宽度只要在0.2-0.35倍的周期常数范围内取值便可以保证完全带隙宽度始终最宽。3、填充沟的填充高度对波屏障隔震性能有很大影响。固体材料填充高度越大,结构刚度越大,特征频率越高,当混凝土材料填充高度为空沟深度的2/5时,完全带隙的宽度达到最大,隔震效果最好,但衰减程度不如空沟大;水填充高度越大,结构刚度越小,特征频率越低,填满水十字沟波屏障的完全带隙宽度虽不如空沟大,但在低频区产生了新的带隙,有利于10Hz以下地震表面波的隔震。4、周期十字空沟表面波屏障对Oroville地震表面波有非常好的隔震效果,最大水平加速度降低了 97%,最大竖向加速度降低了 96%。填满水十字沟波屏障对Taft地震表面波有很好的隔震效果,最大水平加速度降低49%,最大竖向加速度降低 35%。