CN105887939A - 一种消能振子、驻波区动力防护系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消能振子、驻波区动力防护系统和方法，属于地下工程技术领域地下工程技术领域。所述消能振子包括：上壳、下壳、伸缩杆、质量块、第一弹簧和第二弹簧；上壳的下端设有第一阻挡部，下壳的上端设有第二阻挡部，第二阻挡部位于第一阻挡部和上壳之间，第一阻挡部对第二阻挡部进行限位；伸缩杆的一端与上壳连接，另一端与下壳连接，质量块、第一弹簧和第二弹簧均套装在伸缩杆上；第一弹簧一端与上壳连接，另一端与质量块连接；第二弹簧一端与下壳连接，另一端与质量块连接；第一弹簧和第二弹簧均处于压缩状态。本消能振子将传统反共振原理、变形吸能原理和驻波原理三者有机结合起来，整合具备了上述各种单一原理的诸多优点。

Description

一种消能振子、驻波区动力防护系统和方法

技术领域

本发明涉及地下工程技术领域，特别涉及一种消能振子、驻波区动力防护系统和方法。

背景技术

在国家大力进行地铁、公路隧道、地下快速路等地下工程建设的大背景下，研究地下工程的抗震/抗爆等动力防护问题十分必要。

当前的地下工程抗震/抗爆技术主要从结构和材料两个方面进行优化设计。基于结构的抗震/抗爆技术主要通过采用利于应力波反射、绕射和散射的结构形式来实现，比如采用圆形结构、拱形结构、含构造孔洞的结构以及多层复合结构等。基于材料的动力防护技术主要通过研制低刚度的多孔材料来实现，比如在结构和围岩间设置泡沫混凝土层和泡沫铝层等等。

基于结构形状的动力防护方法由于要对结构造型进行优化，因此会影响结构的使用功能，施工也比较复杂。而对基于轻质多孔材料的动力防护方法来讲，轻质多孔材料容易在冲击波等动荷载中发生破坏，材料大量孔洞的破坏与坍塌将会导致缓冲层材料的大变形，失去承载作用后进而引起岩土体的大变形，从而影响地下结构及围岩的整体稳定性。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种消能振子、驻波区动力防护系统和方法。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种消能振子，包括：上壳、下壳、伸缩杆、质量块、第一弹簧和第二弹簧；

上壳的下端设有第一阻挡部，下壳的上端设有第二阻挡部，第二阻挡部位于第一阻挡部和上壳之间，第一阻挡部对第二阻挡部进行限位；

伸缩杆的一端与上壳连接，另一端与下壳连接，质量块、第一弹簧和第二弹簧均套装在伸缩杆上；第一弹簧一端与上壳连接，另一端与质量块连接；第二弹簧一端与下壳连接，另一端与质量块连接；

第一弹簧和第二弹簧均处于压缩状态。

可选地，伸缩杆包括第一连杆和第二连杆；

第一连杆一端与上壳连接，另一端设有大端；第二连杆一端与下壳连接，另一端设有限位孔；

第一连杆的大端位于限位孔内，限位孔对第一连杆的大端进行限位。

可选地，伸缩杆还包括调节螺杆；

调节螺杆的螺帽端与下壳连接，其螺纹端与第二连杆连接。

可选地，上壳包括顶盖和侧壁；

顶盖通过固定螺栓固定在侧壁上，第一阻挡部设置在侧壁上，且第一阻挡部远离顶盖。

可选地，所述消能振子还包括第一密封件；

第一密封件设置在顶盖和侧壁之间。

可选地，所述消能振子还包括第二密封件；

第二阻挡部为环形凸起，第二密封件包裹在第二阻挡部上。

可选地，第二密封件为U型止水带。

可选地，伸缩杆的一端连接在上壳的中部，另一端连接在下壳的中部。

另一方面，本发明实施例还提供了一种驻波区动力防护系统，包括低波阻抗层和多个所述的消能振子；

低波阻抗层用于形成在被保护地下结构上，多个消能振子中的每一个消能振子用于排列设置在低波阻抗层上，消能振子用于支撑低波阻抗层上方的岩体；

消能振子的上壳与低波阻抗层连接，下壳用于与岩体连接，或者

消能振子的下壳与低波阻抗层连接，上壳用于与岩体连接。

另一方面，本发明实施例还提供了一种驻波区动力防护方法，包括：

在被保护地下结构上形成低波阻抗层，在低波阻抗层和岩体之间排列设置多个所述的消能振子；

其中，消能振子的上壳与低波阻抗层连接，下壳用于与岩体连接，或者

消能振子的下壳与低波阻抗层连接，上壳用于与岩体连接

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的消能振子，通过上壳的下端设有第一阻挡部，下壳的上端设有第二阻挡部，第二阻挡部位于第一阻挡部和上壳之间，第一阻挡部对第二阻挡部进行限位；伸缩杆的一端与上壳连接，另一端与下壳连接，质量块、第一弹簧和第二弹簧均套装在伸缩杆上；第一弹簧一端与上壳连接，另一端与质量块连接；第二弹簧一端与下壳连接，另一端与质量块连接；第一弹簧和第二弹簧均处于压缩状态；这样，本消能振子既能依靠质量块、第一弹簧和第二弹簧的受迫振动及惯性力特性提供反力抵御动荷载，又能通过第一弹簧和第二弹簧在动荷载作用下的变形有效吸能，降低作用于结构上的应力峰值，并通过伸缩杆的导轨作用同样适用于倾斜安装，还能巧妙地将质量块的周期性正余弦规律震荡和驻波原理结合起来，利用驻波对能量传递的抑制作用使能量在驻波区逐渐耗散，更大限度地减少了传递到结构上的能量，使得本消能振子将传统反共振原理、变形吸能原理和驻波原理三者有机结合起来，整合具备了上述各种单一原理的诸多优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种消能振子的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种第一连杆的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种调节螺杆及其止水垫片的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种第二连杆的结构示意图；

图5a是图4中A-A的剖视图；

图5b是图4中B-B的剖视图；

图6是本发明实施例提供的一种顶盖的结构示意图；

图7是图6中D-D的剖视图；

图8是本发明实施例提供的一种第一密封件的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种第二密封件的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种驻波区动力防护系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种消能振子1，参见图1，所述消能振子1包括：上壳11、下壳12、伸缩杆13、质量块14、第一弹簧15和第二弹簧16；

上壳11的下端设有第一阻挡部111，下壳12的上端设有第二阻挡部121，第二阻挡部121位于第一阻挡部111和上壳11之间，第一阻挡部111对第二阻挡部121进行限位；

伸缩杆13的一端与上壳11连接，另一端与下壳12连接，质量块14、第一弹簧15和第二弹簧16均套装在伸缩杆13上；第一弹簧15一端与上壳11连接，另一端与质量块14连接；第二弹簧16一端与下壳12连接，另一端与质量块14连接；

第一弹簧15和第二弹簧16均处于压缩状态。

另外，本发明实施例提供的一种消能振子1还具有如下其他技术特征。

参见图1，可选地，本消能振子1为保持重心，伸缩杆13的一端连接在上壳11的中部，另一端连接在下壳12的中部。

参见图1，具体地，伸缩杆13包括第一连杆131和第二连杆132；

第一连杆131一端与上壳11连接，另一端设有大端；第二连杆132一端与下壳12连接，另一端设有限位孔；

第一连杆131的大端位于限位孔内，限位孔对第一连杆131的大端进行限位。

参见图2，具体地，第一连杆131可以为螺杆，第一连杆131的的大端可以为螺帽1311；第一连杆131的螺纹端1312与上壳11螺纹连接。

可选地，第一连杆131的螺帽可以为方形螺帽。

参见图1和图3，可选地，伸缩杆13还包括调节螺杆133；

调节螺杆133的螺帽端1331与下壳12连接，其螺纹端1332与第二连杆132连接。

参见图1和图3，为调节螺杆133的螺帽端1331与下壳12之间的密闭性考虑，调节螺杆133的螺帽端1331与下壳12之间设有止水垫片17。

参见图4，可选地，第二连杆132的限位孔为阶梯孔；阶梯孔的第一段1321为小孔，该小孔的尺寸小于第一连杆131的螺帽1311的尺寸；参见图4和图5a，阶梯孔的第二段1322为方形孔，该方形孔用于与第一连杆131的方形螺帽配合，防止调节螺杆133工作时第二连杆132发生转动；参见图4和图5b，阶梯孔的第三段1323为螺纹孔，用于与调节螺杆133的螺帽端1331连接，阶梯孔的第二段1322的方形孔的对角线长度最好不小于阶梯孔的第三段1323的螺纹孔直径，以方便组装振子时第一连杆131的螺帽1311插入第二连杆。

在本发明实施例中，由上壳11和下壳12构成了第一弹簧15和第二弹簧16的弹簧振子腔体，通过转动调节螺杆133可调节伸缩杆13的长度，从而调节弹簧振子的腔体以及第一弹簧15和第二弹簧16的预应力，且调节后不影响腔体上下端面与介质的平面接触性能。同时，这样设置还具体如下好处：

首先，通过转动调节螺杆133可调节伸缩杆13的长度，还便于第一弹簧15和第二弹簧16在不同预留空间尺寸下进行安装，方便使用；

其次，可以通过预应力调节，可以控制本消能振子1的压缩应力阈值，以满足不同的结构性能要求。

另外，伸缩杆13还可以发挥导轨作用，使本消能振子1在倾斜角度下安装也能发挥沿伸缩杆13轴线方向的振动性能，并且可以有效弥补第一弹簧15和第二弹簧16侧向刚度的不足，防止质量块14发生非轴向运动而丧失动力防护功能。

可选地，为增加倾斜安装时的振动效果，可以在第二连杆132与质量块14之间设置滚动轴承构造。

参见图1，可选地，上壳11包括顶盖112和侧壁113；

顶盖112通过固定螺栓18固定在侧壁113上，第一阻挡部111设置在侧壁113上，且第一阻挡部111远离顶盖112。

参见图6和图7，可选地，顶盖112为圆盘形，顶盖112上设有4个安装孔1121，安装孔1121用于为固定螺栓18提供安装位置。

参见图1，可选地，侧壁113为圆筒形，且侧壁113与第一阻挡部111为一体构造。

参见图1，可选地，所述消能振子1还包括第一密封件191；

第一密封件191设置在顶盖112和侧壁113之间。

参见图8，具体地，第一密封件191为环形的止水垫片。

参见图8，具体地，第一密封件191上设有4个安装孔1911，第一密封件191上的安装孔1911与顶盖112上的安装孔1121一一对应，均用于安装固定螺栓18。

参见图1，可选地，所述消能振子1还包括第二密封件192；

第二阻挡部121为环形凸起，第二密封件192包裹在第二阻挡部121上。

参见图1，可选地，侧壁113上的第一阻挡部111为为指向侧壁113内侧的环状凸起，下壳12上的环状凸起为指向下壳12外侧，两个环形凸起相配合，完成上壳11和下壳12的咬合限位。

参见图9，可选地，第二密封件192为U型止水带。

本发明实施例提供的消能振子1，通过上壳11的下端设有第一阻挡部111，下壳12的上端设有第二阻挡部121，第二阻挡部121位于第一阻挡部111和上壳11之间，第一阻挡部111对第二阻挡部121进行限位；伸缩杆13的一端与上壳11连接，另一端与下壳12连接，质量块14、第一弹簧15和第二弹簧16均套装在伸缩杆13上；第一弹簧15一端与上壳11连接，另一端与质量块14连接；第二弹簧16一端与下壳12连接，另一端与质量块14连接；第一弹簧15和第二弹簧16均处于压缩状态；这样，本消能振子1既能依靠质量块14、第一弹簧15和第二弹簧16的受迫振动及惯性力特性提供反力抵御动荷载，又能通过第一弹簧15和第二弹簧16在动荷载作用下的变形有效吸能，降低作用于结构上的应力峰值，并通过伸缩杆13的导轨作用同样适用于倾斜安装，还能巧妙地将质量块14的周期性正余弦规律震荡和驻波原理结合起来，利用驻波对能量传递的抑制作用使能量在驻波区逐渐耗散，更大限度地减少了传递到结构上的能量，使得本消能振子1将传统反共振原理、变形吸能原理和驻波原理三者有机结合起来，整合具备了上述各种单一原理的诸多优点。

实施例二

参见图10，本发明实施例还提供了一种驻波区动力防护系统，包括低波阻抗层2和多个实施例一所述的消能振子1；

低波阻抗层2用于形成在被保护地下结构3上，多个消能振子1中的每一个消能振子1用于排列设置在低波阻抗层2上，消能振子1用于支撑低波阻抗层2上方的岩体4；

消能振子1的上壳11与低波阻抗层2连接，下壳12用于与岩体4连接，或者

消能振子1的下壳12与低波阻抗层2连接，上壳11用于与岩体4连接。

可选地，低波阻抗层2的材料包括泡沫混凝土。

另外，本实施例的应用中，本领域的技术人员可以根据需要在结构边墙和底板外侧设置低波阻抗层2和消能振子1。

本驻波区动力防护系统采用了实施例一所述的消能振子1，使得本驻波区动力防护系统将传统反共振原理、变形吸能原理和驻波原理三者有机结合起来，整合具备了上述各种单一原理的诸多优点，整体稳定性更好。

实施例三

本发明实施例还提供了一种驻波区动力防护方法，参见图10，包括：

在被保护地下结构3上形成低波阻抗层2，在低波阻抗层2和岩体4之间排列设置多个所述的消能振子1；

其中，消能振子1的上壳11与低波阻抗层2连接，下壳12用于与岩体4连接，或者

消能振子1的下壳12与低波阻抗层2连接，上壳11用于与岩体4连接

本驻波区动力防护方法采用了实施例一所述的消能振子1，使得本驻波区动力防护方法能够更好的保护地下结构3及其围岩的整体稳定性。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

还需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种消能振子，其特征在于，所述消能振子包括：上壳、下壳、伸缩杆、质量块、第一弹簧和第二弹簧；

所述上壳的下端设有第一阻挡部，所述下壳的上端设有第二阻挡部，所述第二阻挡部位于所述第一阻挡部和所述上壳之间，所述第一阻挡部对所述第二阻挡部进行限位；

所述伸缩杆的一端与所述上壳连接，另一端与所述下壳连接，所述质量块、第一弹簧和第二弹簧均套装在所述伸缩杆上；所述第一弹簧一端与所述上壳连接，另一端与所述质量块连接；所述第二弹簧一端与所述下壳连接，另一端与所述质量块连接；

所述第一弹簧和第二弹簧均处于压缩状态。

2.根据权利要求1所述的消能振子，其特征在于，所述伸缩杆包括第一连杆和第二连杆；

所述第一连杆一端与所述上壳连接，另一端设有大端；所述第二连杆一端与所述下壳连接，另一端设有限位孔；

所述第一连杆的大端位于所述限位孔内，所述限位孔对所述第一连杆的大端进行限位。

3.根据权利要求2所述的消能振子，其特征在于，所述伸缩杆还包括调节螺杆；

所述调节螺杆的螺帽端与所述下壳连接，其螺纹端与所述第二连杆连接。

4.根据权利要求1所述的消能振子，其特征在于，所述上壳包括顶盖和侧壁；

所述顶盖通过固定螺栓固定在所述侧壁上，所述第一阻挡部设置在所述侧壁上，且所述第一阻挡部远离所述顶盖。

5.根据权利要求4所述的消能振子，其特征在于，所述消能振子还包括第一密封件；

所述第一密封件设置在所述顶盖和所述侧壁之间。

6.根据权利要求1所述的消能振子，其特征在于，所述消能振子还包括第二密封件；

所述第二阻挡部为环形凸起，所述第二密封件包裹在所述第二阻挡部上。

7.根据权利要求6所述的消能振子，其特征在于，所述第二密封件为U型止水带。

8.根据权利要求1所述的消能振子，其特征在于，所述伸缩杆的一端连接在所述上壳的中部，另一端连接在所述下壳的中部。

9.一种驻波区动力防护系统，其特征在于，所述系统包括低波阻抗层和多个如权利要求1-8任一项所述的消能振子；

所述低波阻抗层用于形成在被保护地下结构上，所述多个消能振子中的每一个消能振子用于排列设置在所述低波阻抗层上，所述消能振子用于支撑所述低波阻抗层上方的岩体；

所述消能振子的所述上壳与所述低波阻抗层连接，所述下壳用于与所述岩体连接，或者

所述消能振子的所述下壳与所述低波阻抗层连接，所述上壳用于与所述岩体连接。

10.一种驻波区动力防护方法，其特征在于，所述方法包括：

在被保护地下结构上形成低波阻抗层，在所述低波阻抗层和岩体之间排列设置多个如权利要求1-8任一项所述的消能振子；

其中，所述消能振子的所述上壳与所述低波阻抗层连接，所述下壳用于与所述岩体连接，或者

所述消能振子的所述下壳与所述低波阻抗层连接，所述上壳用于与所述岩体连接。