CN106812029B - 用于地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床及其制备方法，道床包括混凝土基层、约束层以及位于二者之间的中间层。所述混凝土基层、约束层和中间层均为锯齿形，且相邻两层的锯齿互相匹配；所述中间层为多层约束阻尼层，所述中间层由依次排布的阻尼材料层I、硬夹层和阻尼材料层II的组成。所述阻尼材料层I位于靠近混凝土基层的一侧，所述阻尼材料层II位于靠近约束层的一侧。所述阻尼材料层为聚氨酯‑脲阻尼材料。本发明将道床约束界面设计成锯齿状，一方面解决了道床相对滑移的隐患，另一方面增大结构的比表面积，即增大了剪切面积，从而更加充分发挥阻尼材料的非线性特点，利用阻尼材料的剪切耗能，损耗因子提高了0.3～0.5，因此减振效果也明显提高。
Description
技术领域
本发明属于建筑领域，涉及一种道床减振降噪结构及其制备方法，具体地说，涉及一种有利于减振降噪的锯齿界面组合结构。
背景技术
当今社会中，各种各样的振动和噪声层出不穷，避无可避。然而，这种环境的长期作用不仅影响人们的身心健康，还导致结构设备因长期振动而疲劳破坏、精密仪器灵敏度下降。因此，控制振动、降低噪声已经成为迫切需要解决的课题。地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，在人们的工作生活中扮演了越来越重要的角色。为了提高乘坐舒适度以及提高轨道及车辆的使用寿命，在轨道的减震降噪方面也有越来越多的新技术出现。
目前，地铁中应用的减振降噪措施以道床减振为主，如浮置板道床减振和橡胶垫道床减振等。然而，这些技术具有以下缺陷：(1)损耗因子只有0.05～0.2左右，减振效果不明显； (2)使用寿命短；由于这些装置采用了弹簧和橡胶等材料，体积相对喷涂型阻尼材料来说较大，往往使用几年后，就会因为列车的不断冲击和材料的老化，使得减振效果明显下降；(3) 也是最重要的一点：这些技术会造成道床结构的滑移和波浪形磨耗，这种现象会反过来增大结构的振动，对乘客和周边建筑的居民造成更大的影响，从而导致地铁部门不断接到群众投诉；严重的情况下常常会迫使相关单位大面积拆除钢轨道床，给工程造成难以估量的损失。
为了解决上述问题，实用新型专利ZL201220019831.X公开了“约束阻尼结构的减振降噪整体道床”。该实用新型专利公开的减振降噪整体道床，包括混凝土道床和混凝土路基；混凝土道床和混凝土路基之间设有粘弹性阻尼层，混凝土道床、混凝土路基、粘弹性阻尼层组成约束层。该专利工艺简单，效果相比其它减振方式有一定的优势。然而，这种方式存在的极大的安全隐患，那就是随着时间的增长，列车的长期冲击会使道床产生相对滑移现象。
目前，环氧树脂主要应用于涂料防护、胶粘剂、电子电器材料、工程塑料、复合材料、土建材料等领域，还没有将其应用在减振降噪的多层约束阻尼道床结构中。
发明内容
针对现有地铁减振道床所存在的问题，本发明所述的约束阻尼道床，可以有效防止列车对轨道的冲击所造成的相对滑移及波浪形磨耗，使其具有更好的阻尼性能，为地铁减振降噪工程应用提供理论支持和实践指导。
本发明的技术方案：地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，包括混凝土基层、约束层以及位于二者之间的中间层。所述道床的长度12～15m，宽度为3～5m。
所述混凝土基层、约束层和中间层均为锯齿形，且相邻两层的锯齿互相匹配；所述中间层为多层约束阻尼层，所述中间层由依次排布的阻尼材料层I、硬夹层和阻尼材料层II的组成。所述阻尼材料层I位于靠近混凝土基层的一侧，所述阻尼材料层II位于靠近约束层的一侧。所述阻尼材料层为聚氨酯-脲阻尼材料。所述硬夹层的邵氏D硬度为64～66。由于硬夹层的硬度适当，所以整个结构相当于是双层约束阻尼结构，因而极大地提高了减振降噪的效果。
其中，所述锯齿形界面由多个平行排布且底面位于同一平面上的锯齿单元组成，所述每个锯齿单元中，锯齿的凸起高度为90～110mm，锯齿单元垂直方向截面的顶角角度为70～80°，垂直方向截面的底角角度为5～15°。
其中，所述阻尼材料层I、硬夹层和阻尼材料层II的厚度均为1.6～2.5mm；所述硬夹层为环氧树脂层；所述混凝土基层和约束层的厚度均为0.2～0.25m。所述硬夹层与阻尼材料层I以及硬夹层与阻尼材料层II之间设有镶嵌在二者表面的金刚砂层，所述金刚砂的数量为 3～4kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.6～2.0mm。优选的是，所述中间层的厚度为6mm。
地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，包括以下步骤：
(1)基层：在锯齿表面模板上浇筑混凝土基层，并使其约束界面为锯齿状；
(2)中间层：在步骤(1)得到的混凝土基层上喷涂1.6～2.5mm的阻尼材料，并在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；然后喷涂1.6～2.5mm的环氧树脂，在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；最后再喷涂1.6～2.5mm的阻尼材料；
(3)约束层：在步骤(2)制备的中间层上继续浇筑混凝土为约束层；即得到地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床。
其中，所述金刚砂部分镶嵌在环氧树脂层，部分镶嵌在阻尼材料层。所述混凝土基层和约束层的厚度均为0.2～0.25m；所述阻尼材料层为聚氨酯-脲阻尼材料。优选的是，所述中间层的厚度为6mm。
模拟检测减振降噪效果的方法：采用ANSYS有限元模拟的方法分别对平板状界面约束阻尼结构(实用新型专利《约束阻尼结构的减振降噪整体道床》申请号201220019831.X)和锯齿状界面约束阻尼结构(本发明)进行模态分析。
模拟检测的具体步骤：选用体单元SOLID186，是一种三维实体八个节点单元，每个节点具有xyz三个平动自由度，材料特性为各项同性，能够满足模态应变能理论的要求；支撑方式为两端简支约束；基层、阻尼层、约束层材料参数如表1所述；将建立的模型划分单元网格，网格尺寸设置为0.1。
表1 ANSYS有限元模拟采用的参数列表
本发明的有益效果：
1、本发明对约束界面形状进行优化，将道床约束界面设计成锯齿状，一方面解决了道床相对滑移的隐患，另一方面增大结构的比表面积，即增大了剪切面积，从而更加充分发挥阻尼材料的非线性特点，利用阻尼材料的剪切耗能，损耗因子提高了0.3～0.5，因此减振效果也明显提高。
2、本发明将中间层设计为多层约束阻尼，即阻尼层-环氧树脂-阻尼层，由于环氧树脂材料比较硬，所以整个结构相当于双层约束；与单层约束相比，本发明的双层约束结构更能发挥约束阻尼结构的优点，增加材料的抗冲击性和抗疲劳性，充分的利用阻尼材料的剪切耗能；
3、本发明在阻尼层与环氧树脂层之间加入适量的金刚砂，增强材料之间的剪切力，进而充分利用材料内部的摩擦耗能；
4、本发明采用的中间层厚度不足10mm，体积相对较小，因此，具备良好的抗列车冲击和抗疲劳性能，从而有效地防止列车对轨道的冲击所造成的相对滑移及波浪形磨耗，也就克服了目前工程中的时效性问题。
附图说明
图1为锯齿状道床混凝土基层的结构示意图；
图2为锯齿状道床的中间层结构示意图；
其中，1为阻尼材料层I，2为硬夹层，3为阻尼材料层II，4为金刚砂。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：
地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，包括混凝土基层、约束层以及位于二者之间的中间层。所述道床的长度12～15m，宽度为3～5m。所述混凝土基层、约束层和中间层均为锯齿形，且相邻两层的锯齿互相匹配；所述中间层为多层约束阻尼层，所述中间层由依次排布的阻尼材料层I、硬夹层和阻尼材料层II的组成。所述阻尼材料层I位于靠近混凝土基层的一侧，所述阻尼材料层II位于靠近约束层的一侧。所述阻尼材料层为聚氨酯-脲阻尼材料。所述硬夹层为邵氏D硬度为65的环氧树脂层。
其中，所述锯齿形界面由多个平行排布且底面位于同一平面上的锯齿单元组成，所述每个锯齿单元中，锯齿的凸起高度为100mm，锯齿单元垂直方向截面的顶角角度为75°，垂直方向截面的底角角度为15°。所述阻尼材料层I、硬夹层和阻尼材料层II的厚度均为2.0mm；所述混凝土基层和约束层的厚度均为0.2m。所述硬夹层与阻尼材料层I以及硬夹层与阻尼材料层II之间设有镶嵌在二者表面的金刚砂层，所述金刚砂的数量为3.0kg/m2，所述金刚砂的粒径为2.0mm。
地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，包括以下步骤：
(1)基层：在锯齿表面模板上浇筑混凝土基层，并使其约束界面为锯齿状；所述混凝土基层的厚度为0.2m；
(2)中间层：在步骤(1)得到的混凝土基层上喷涂2.0mm的阻尼材料，并在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；然后喷涂2.0mm的环氧树脂，在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；最后再喷涂2.0mm的阻尼材料；所述金刚砂部分镶嵌在环氧树脂层，部分镶嵌在阻尼材料层。所述阻尼材料层为聚氨酯-脲阻尼材料。
(3)约束层：在步骤(2)制备的中间层上继续浇筑混凝土为约束层；所述约束层的厚度为0.2m；即得到地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床。
对平板型结构与本实施例的锯齿形道床结构的减振降噪效果进行模拟检测，结果如表2 所示。
表2实施例1两种结构各阶模态数值计算
实施例2：
与实施例1不同的是，地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，所述硬夹层为邵氏D硬度为64的环氧树脂层。锯齿的凸起高度为90mm，锯齿单元垂直方向截面的顶角角度为80°，垂直方向截面的底角角度为5°。其中，所述阻尼材料层I、硬夹层和阻尼材料层II的厚度均为1.6mm；所述混凝土基层和约束层的厚度均为0.25m。所述硬夹层与阻尼材料层I以及硬夹层与阻尼材料层II之间设有镶嵌在二者表面的金刚砂层，所述金刚砂的数量为4.0kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.6mm。
与实施例1不同的是，地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，包括以下步骤：
地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，包括以下步骤：
(1)基层：所述混凝土基层的厚度为0.25m；
(2)中间层：在步骤(1)得到的混凝土基层上喷涂1.6mm的阻尼材料，并在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；然后喷涂1.6mm的环氧树脂，在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；最后再喷涂1.6mm的阻尼材料。
(3)约束层：所述约束层的厚度为0.25m。
对平板型结构与本实施例的锯齿形道床结构的减振降噪效果进行模拟检测，结果如表3 所示。
表3实施例2两种结构各阶模态数值计算
实施例3：
与实施例1不同的是，地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，所述硬夹层为邵氏D硬度为66的环氧树脂层。锯齿的凸起高度为110mm，锯齿单元垂直方向截面的顶角角度为70°，垂直方向截面的底角角度为10°。其中，所述阻尼材料层I、硬夹层和阻尼材料层II的厚度均为2.5mm；所述混凝土基层和约束层的厚度均为0.22m。所述硬夹层与阻尼材料层I以及硬夹层与阻尼材料层II之间设有镶嵌在二者表面的金刚砂层，所述金刚砂的数量为3.5kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.8mm。
与实施例1不同的是，地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，包括以下步骤：
地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，包括以下步骤：
(1)基层：所述混凝土基层的厚度为0.22m；
(2)中间层：在步骤(1)得到的混凝土基层上喷涂2.5mm的阻尼材料，并在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；然后喷涂2.5mm的环氧树脂，在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；最后再喷涂2.5mm的阻尼材料。
(3)约束层：所述约束层的厚度为0.22m。
对平板型结构与本实施例的锯齿形道床结构的减振降噪效果进行模拟检测，结果如表4所示。
表4实施例3两种结构各阶模态数值计算
实施例4：
与实施例1不同的是，地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，所述硬夹层为邵氏D硬度为65的环氧树脂层。锯齿的凸起高度为95mm，锯齿单元垂直方向截面的顶角角度为78°，垂直方向截面的底角角度为12°。其中，所述阻尼材料层I的厚度为1.8mm，所述硬夹层的厚度为2.0m，所述阻尼材料层II的厚均为2.2mm；所述混凝土基层和约束层的厚度均为0.20m。所述硬夹层与阻尼材料层I以及硬夹层与阻尼材料层II之间设有镶嵌在二者表面的金刚砂层，所述金刚砂的数量为3.3kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.9mm。
与实施例1不同的是，地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，包括以下步骤：
地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，包括以下步骤：
(1)基层：所述混凝土基层的厚度为0.20m；
(2)中间层：在步骤(1)得到的混凝土基层上喷涂1.8mm的阻尼材料，并在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；然后喷涂2.0mm的环氧树脂，在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；最后再喷涂2.2mm的阻尼材料。
(3)约束层：所述约束层的厚度为0.20m。
对平板型结构与本实施例的锯齿形道床结构的减振降噪效果进行模拟检测，结果如表5所示。
表5实施例4两种结构各阶模态数值计算
实施例5：
与实施例1不同的是，地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，所述硬夹层为邵氏D硬度为65的环氧树脂层。锯齿的凸起高度为105mm，锯齿单元垂直方向截面的顶角角度为73°，垂直方向截面的底角角度为8°。其中，所述阻尼材料层I的厚度为2.2mm，所述硬夹层的厚度为2.0m，所述阻尼材料层II的厚均为1.8mm；所述混凝土基层和约束层的厚度均为0.25m。所述硬夹层与阻尼材料层I以及硬夹层与阻尼材料层II之间设有镶嵌在二者表面的金刚砂层，所述金刚砂的数量为3.7kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.7mm。
与实施例1不同的是，地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，包括以下步骤：
地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，包括以下步骤：
(1)基层：所述混凝土基层的厚度为0.25m；
(2)中间层：在步骤(1)得到的混凝土基层上喷涂2.2mm的阻尼材料，并在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；然后喷涂2.0mm的环氧树脂，在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；最后再喷涂1.8mm的阻尼材料。
(3)约束层：所述约束层的厚度为0.25m。
对平板型结构与本实施例的锯齿形道床结构的减振降噪效果进行模拟检测，结果如表6 所示。
表6实施例5两种结构各阶模态数值计算
对表2～6中数据分析比较，我们可以得到以下结论：(1)平板型结构与锯齿状结构前五阶的固有频率和损耗因子变化趋势相同，并且锯齿状结构的各阶固有频率普遍比平板型结构大；这是因为锯齿状结构的质量相比平板型结构要小，说明结构的总质量会影响结构的固有频率。(2)锯齿状结构的各阶损耗因子比平板型的明显大0.3左右，主要是因为锯齿状结构的比表面积增大，更能充分利用材料的剪切耗能，中间层的双层约束结构加之金刚砂的作用使结构的阻尼性能更好，说明比表面积的增大、双层约束及金刚砂的作用能有效提高结构的阻尼性能。(3)二阶损耗因子均明显比一阶损耗因子大，相差0.25左右，说明结构在二阶振级下阻尼剪切耗能较多。
根据上述测试结果，说明本发明所述的锯齿界面约束阻尼道床，基于合理的结构设计，与现有平板型结构道床相比，质量下降，降低了道床的自重；比表面积增加，锯齿界面约束阻尼道床耗能能力增加，结构振动减小，因此实现了良好的减振降噪效果。
Claims (10)
1.地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，包括混凝土基层、约束层以及位于二者之间的中间层；其特征在于：所述混凝土基层、约束层和中间层均为锯齿界面，且相邻两层的锯齿界面互相匹配；所述中间层为多层约束阻尼层，所述中间层由依次排布的阻尼材料层I、硬夹层和阻尼材料层II的组成；所述阻尼材料层I位于靠近混凝土基层的一侧，所述阻尼材料层II位于靠近约束层的一侧；所述硬夹层的邵氏D硬度为64～66。
2.根据权利要求1所述的地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，其特征在于：所述阻尼材料层I、硬夹层和阻尼材料层II的厚度均为1.6～2.5mm；所述硬夹层为环氧树脂层；所述混凝土基层和约束层的厚度均为0.2～0.25m。
3.根据权利要求1或2所述的地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，其特征在于：所述硬夹层与阻尼材料层I之间以及硬夹层与阻尼材料层II之间设有镶嵌在二者表面的金刚砂层，所述金刚砂的数量为3～4kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.6～2.0mm。
4.根据权利要求3所述的地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，其特征在于：所述锯齿界面由多个平行排布且底面位于同一平面上的锯齿单元组成；所述每个锯齿单元中，锯齿的凸起高度为90～110mm，锯齿单元垂直方向截面的顶角角度为70-80°，垂直方向截面的底角角度为5～15°。
5.根据权利要求3所述的地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，其特征在于：所述阻尼材料层为聚氨酯-脲阻尼材料；所述阻尼材料层为阻尼材料层I和阻尼材料层II。
6.根据权利要求3所述的地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床，其特征在于：所述中间层的厚度为6mm。
7.地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)基层：在锯齿表面模板上浇筑混凝土基层，并使其约束界面为锯齿界面；
(2)中间层：在步骤(1)得到的混凝土基层上喷涂1.6～2.5mm的阻尼材料，并在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；然后喷涂1.6～2.5mm的环氧树脂，在其表面干燥之前撒适量的金刚砂；最后再喷涂1.6～2.5mm的阻尼材料；
(3)约束层：在步骤(2)制备的中间层上继续浇筑混凝土为约束层。
8.根据权利要求7所述的地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，其特征在于：所述锯齿界面由多个平行排布且底面位于同一平面上的锯齿单元组成，所述每个锯齿单元中，锯齿的凸起高度为90～110mm，锯齿单元垂直方向截面的顶角角度为70～80°，垂直方向截面的底角角度为5～15°。
9.根据权利要求7所述的地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，其特征在于：所述金刚砂部分镶嵌在环氧树脂层，部分镶嵌在阻尼材料层。
10.根据权利要求7所述的地铁减振降噪的锯齿界面约束阻尼道床的制备方法，其特征在于：所述混凝土基层和约束层的厚度均为0.2～0.25m；所述阻尼材料层为聚氨酯-脲阻尼材料。
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