周期波屏障具有特定频率范围的带隙(衰减域)特性,已经作为一种隔绝地震和环境振动的新型隔振手段受到广泛关注。其中,针对表面波的波屏障可以减小地表处的振动,有效防护目标建筑物。本文基于遗传算法和有限元法,通过拓扑优化对周期表面波屏障进行反向设计和性能研究,以实现对目标衰减域的针对性调控和精准设计。本文主要研究了三种类型的周期波屏障:埋入式波屏障、非埋入式波屏障和空沟波屏障。通过软件COMSOL Multiphysics 5.2a和MATLAB的联合模拟计算实现了整个拓扑优化过程。针对表面波带隙的特点,提出了基于能量分布的适应度评价标准,重点解决了优化过程中带隙“从无到有”的问题。以表面波带隙宽度最大为目标,分别考虑了波屏障材料、设计区域大小、填充率和特定频率范围等不同情况的优化问题。基于优化结果,研究了表面波带隙机理和波屏障构型特征,并从频率响应和时域响应两个方面对优化后的波屏障进行了性能分析。研究表明:1.本文提出的适应度评价标准可以引导进化快速搜索到存在表面波带隙的结构,尤其对表面波模态不丰富或高阶带隙问题表现出极强的适用性。2.本文构建的基于遗传算法和有限元法的拓扑优化框架可以有效处理表面波带隙优化问题,优化结果的收敛性稳定。针对不同的屏障类型和优化目标,优化后的波屏障都可以在非常宽的频率范围内实现对表面波的衰减。3.埋入式周期表面波屏障的带隙打开基于Bragg散射机理。不同屏障材料、设计区域高度、填充率和对称性的同一阶带隙优化结果具有相似的构型特征。在第一阶带隙的优化后结构中,位于中心的主散射体可以确定带隙下缘,位于表面附近的附属散射体用于调控带隙上缘。高阶带隙的优化后结构由两个散射体组成,它们的相对位置对带隙的范围有很大影响。同一阶优化结果的带隙宽度随屏障高度和材料密度的增大而增大;单胞的对称性影响较小。4.非埋入式和空沟周期表面波屏障存在局域共振带隙,可以实现对低频振动的有效衰减。优化后的单散射体只存在弯曲振动、纵向振动以及屏障与土体连接处的振动(从低阶到高阶)三种振动模态。高阶表面波带隙的产生需要单胞内存在多个散射体,且散射体的个数随带隙阶数的增加而增加。优化后波屏障的主散射体由大质量块和细连接体组成,从而降低带隙下缘频率;附属散射体可以抑制土体表面的振动,用于调控带隙上缘,从而增大带隙的宽度。