地震对人类造成了灾难性的损害,而这种损害一般是由于建筑物的倒塌造成的。所以增强建筑物的抗震能力已然成为建筑工程师和相关研究人员最迫切关注的问题。而目前传统的抗震技术对于竖向的地震能量衰减能力很弱,并且平面移动距离过大的问题依旧不容忽视。最近,物理学领域出现的地震超材料开辟了一种新方法来对抗地震。地震超材料利用其所具有的带隙特性,在带隙相应频率范围内能够极大地衰减和控制地震波的传播。本文主要以抗震研究最为关注的地震表面波为研究对象,运用了数值模拟和模型试验的方法设计地震表面波超材料模型并验证其有效性。主要研究内容如下:(1)提出一种基于方形柱体的共振型地震超材料,不仅能对层状环境下的地震兰姆波有很好的衰减效果,而且在半空间环境下对地震表面波也有很好的衰减效果。(2)根据柱体结构超材料的带隙与结构单元的几何参数有关,通过改变其柱结构的纵横比和转动惯量的大小来调整能带的位置,设计了一种工字型地震超材料,实现了更宽的带隙。(3)针对共振型地震超材料带隙窄的问题,引入H型分形结构单元,设计了一种宽带隙地震超材料。该结构利用分形结构的自相似特性,实现多个带隙,进而拓宽带隙。详细分析了其能带结构和透射谱,结果表明当增加分形结构的阶数时,可以获得更宽的总带隙宽度、更多的共振模态和更多的带隙数量。(4)提出了一种类套娃结构地震超材料。该超材料一个结构单元内含有多个重核,当入射地震表面波时一个结构单元内发生多个局域共振,实现了宽带隙特性。研究了类套娃层数对带隙宽度的影响,研究发现随着层数的增加总带隙宽度增大。另外,该地震超材料具有结构简单容易实现的优势。(5)设计了一种地震超材料板,该超材料板是由包裹泡沫的长方体钢块按照正方晶格周期排列而成的二维复合材料,通过数值分析和1:30的模型试验,发现这种板状的地震超材料可以在低频带很好地衰减表面波,而且相对带隙宽度接近于1。总之,本文面对工程防震在建筑物防震减灾中遇到的困难,独辟蹊径,结合物理学最新研究热点“超材料”,设计地震超材料模型,实现了对地震波的有效衰减。本文对地震超材料的研究不仅为建筑物防震提供理论指导和参考,也有助于推动超材料操控弹性波的研究。总之,本文面对工程防震在建筑物防震减灾中遇到的困难,独辟蹊径,结合物理学最新研究热点“超材料”,设计地震超材料模型,实现了对地震波的有效衰减。本文对地震超材料的研究不仅为建筑物防震提供理论指导和参考,也有助于推动超材料操控弹性波的研究。