CN108425378A - 一种大型气浮减振地基 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型气浮减振地基，其位于地坑中，其包括T形槽平台、空气弹簧、基础块、空压机、位移传感器、开关阀、调平控制仪、管路；试验设备固定安装在T形槽平台上，T形槽平台安装于基础块顶部，空气弹簧分三组均布安装于地坑与基础块之间；所述T形槽平台包括钢平台和T形槽，所述T形槽平台的横向剖面和纵向剖面均为T形。所述大型气浮减振地基采用带附加气室的空气弹簧作为支撑结构，利用空气弹簧的充气将大型地基托离地面，从而使振动平台与周围建筑物的基础隔振，以实现减振与保护周围建筑物的作用。

Description

一种大型气浮减振地基

技术领域

本发明涉及一种大型气浮减振地基，属于减振地基领域。

背景技术

目前，国内外减振地基大多采用砂石隔振型式，这种隔振形式在弹簧承载成熟前使用较为广泛，地基直接沉于砂土之上。利用松软的砂土吸收振动产生的能量。这种隔振方式一阶隔振频率约为15—30Hz，由于混凝土本体与建筑物仍是相连的，在共振时容易激起建筑物的振动，隔振效果较差。

对于运输车辆或高铁车厢等大型构件，其谐振频率更低，要求其试验频率降低，为了提高隔振效果，降低隔振频率，另外一种隔振方式采用空气弹簧减振，用空气弹簧将隔振基础托起与建筑地面或设施脱离，从而达到减振目的，空气弹簧一阶谐振频率多为1.5-3hz，故采用此方式减振可以达到更低的使用频率，而通过增加空气弹簧内部容积即加装附加气室，增设相应的阻尼，可以将频率限定为1hz以下，同时可以有效地减轻地基的摆动与振动，可应用于大型减振地基与大型产品的特殊试验，但此种结构型式的建造与后期的维护成本太高。

国、内外一般均采用德国CFM-Schiller GRB2480-1200ZV带附加气室空气弹簧结构型式，将大型基础与建筑周围地基隔离，多采用压力电磁阀与机械限位相结合的形式，控制地基气浮高低位置，此方式在国内有多家军工企业已经应用。

而此项目的大型气浮地基平台，基础块整体呈T形结构，自重约1100吨，基础设计承载180吨，基础块托起总重量约为1300吨，它是目前亚洲最大的地浮平台，也采用带附加气室的空气弹簧隔震方式，隔震频率0.9Hz，国内仍无其他生产厂家能独立完成此项目。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中的上述不足，本发明提出一种大型气浮减振地基，采用带附加气室的空气弹簧作为支撑结构，利用空气弹簧的充气将大型地基托离地面，从而使振动平台与周围建筑物的基础隔振，以实现减振与保护周围建筑物的作用。

(二)技术方案

一种大型气浮减振地基，其位于地坑中，其特征在于，其包括T形槽平台、空气弹簧、基础块、空压机、位移传感器、开关阀、调平控制仪、管路；试验设备固定安装在T形槽平台上，T形槽平台安装于基础块顶部，空气弹簧分三组均布安装于地坑与基础块之间；所述T形槽平台包括钢平台和T形槽，所述T形槽平台的横向剖面和纵向剖面均为T形。

其中，基础块上表面整体铺设钢平台，钢平台上均匀布置沿基础块长度方向铺设的T形槽，所述T形槽采用若干块钢板拼接构成，拼接后整个T形槽平台上的T型槽间距相同。

其中，T形槽的材料为45号钢。所述钢平台尺寸为长25m、宽6m、厚150mm。所述T形槽由27块钢板拼接构成。所述间距为250mm。

其中，基础块的一端设置一组对应压力分区A的空气弹簧，在基础块的另一端对称设置另外两组分别对应压力分区B和压力分区C的空气弹簧，每一压力分区均对应设置一位移传感器，每一压力分区内的空气弹簧均通过各自的管路经由各自的开关阀连接至空压机，空压机提供压缩气体，调平控制器接收来自所述位移传感器的位移信号，并向所述开关阀发送动作指令，以控制空气弹簧中气体的供给而实现基础块的自动调平。

其中，所述位移传感器为非接触式。

其中，所述地坑外部呈倒T形且四周防水，所述地坑内部具有T形中空部，所述T形中空部的底部设置中粗砂隔振层，所述T形中空部的T形翼平面上对称设置空气弹簧支撑板。所述空气弹簧支撑板在T形翼平面的边缘处具有向上弯折的凸起，所述凸起的厚度是所述空气弹簧支撑板厚度的两倍，所述空气弹簧支撑板与地坑钢筋一起捆扎。

(三)有益效果

本发明的一种大型气浮减振地基具有以下优点：

(1)、其上部铺设钢板与T型基础连接成一体作为工作台面，钢板上加工T型槽，可实现振动试验设备在工作台面的安装、测试与移动组装的要求，方便各种大、中、小试验要求；

(2)、T型基础肩部沿四周均布空气弹簧，试验中，对四周空气弹簧充气，从而将T型基础整体托离地面与厂房及内部设备设施基础隔离，起到减振与隔振的作用；

(3)、T型基础的下部为配重，浇注混凝土，T型基础质心越低，工作台面越稳定，台面的摆动越小。

此发明适用于高铁车厢、专用运输车辆整车道路模拟试验、强度校核、模态分析等试验，也适用于大型振动试验台、大型结构件的减振地基的设计。本发明的技术方案解决了大型气浮减振地基的结构设计、施工与建筑的难点，性能指标达到国外先进水平，应用前景广阔，为减振基础的应用开辟了新的领域，是目前亚洲最大的气浮式减振地基，完全实现了国产化。在基础设计时，就需要对其强度、拉、剪应力进行校核，为了提高承载能力，采用了整体钢框作为浇注模板，空气弹簧坑内与基础表面均增加了钢板厚度，提高了施工效率、又提高了基础承载能力。

承载基础重量约1100吨混凝土钢筋平台(25m×6m)，在满足考虑结构强度要求的前提下，尽可能降低基础的整体质心，提高了试验的稳定性。为了提高强度，基础平台外部采用钢框式结构，同时此钢框也可作为浇注模板在钢筋搭建后注入混凝土。基础上表面均布拼接式150mm厚度承载铁底板，27块铁底板采用(468个)M16预埋螺栓方式一次浇注完成，极大提高了基础的整体强度。而每块铁底板通过M16螺栓调整每块拼接的整体铁底板(25m×6m)平面度不超过0.1mm。

通过电磁阀充、放气实现基础的调节，但在试验过程中，基础平台会产生左右摆动，限位或传感器有被撞坏的风险，而我们将空气弹簧分为若干组，对每组空气弹簧单独控制，利用非接触式位移传感器(应用范围可达50-150mm，精度可达0.1mm)调节基础相应部位的高低；另外应用了更为先进的自适应式控制方法，结合PLC工业化设计与人机交互模式，使操作者在操作间可以全部掌握基础平台状况，其调节与控制程序更为可靠与直观，降低了劳动强度、改善了工作环境、提高了基础的调节精度与平台整体的平面度。

附图说明

图1大型气浮减振地基三维图。

图2大型气浮减振地基设备基础调平原理图。

图3 T形槽平台的横向剖面图。

图4 T形槽平台的纵向剖面图。

图5地坑剖面图。

图6空气弹簧支撑板局部放大图。

图7 T形槽平台截面模型强度计算图。

图8 T形槽平台质心计算图。

具体实施方式

本发明的大型气浮减振地基作为一个重要组成分系统应用于运输车辆道路模拟试验系统，其主要功能是对车辆道路模拟试验系统中的试验设备及试件进行支撑、隔离、减振。所述大型气浮减振地基要求满足120吨整车和48吨动态载荷的工况试验要求。

参见图1，本发明的一种大型气浮减振地基，其位于地坑1中，其包括T形槽平台1、空气弹簧4、基础块3、空压机、位移传感器、开关阀、调平控制仪、管路；试验设备固定安装在T形槽平台1上，T形槽平台1安装于基础块3顶部，空气弹簧4分三组均布安装于地坑1与基础块4之间。所述T形槽平台1包括钢平台和T形槽。

基础块3上表面整体铺设钢平台，钢平台上均匀布置沿基础块3长度方向铺设的T形槽，所述T形槽采用若干块钢板拼接构成，拼接后整个T形槽平台1上的T型槽间距相同，T形槽的材料为45号钢。所述钢平台尺寸为长25m、宽6m、厚150mm。所述T形槽由27块钢板拼接构成。所述间距皆为250mm。

其中，基础块3用于提供动态试验的反作用质量，并保证试验平台具有足够的刚度；空气弹簧3提供支撑，同时隔离振动。

参见图2，基础块4的一端设置一组对应压力分区A的空气弹簧4，在基础块4的另一端对称设置另外两组分别对应压力分区B和压力分区C的空气弹簧4，每一压力分区均对应设置一位移传感器，每一压力分区内的空气弹簧4均通过各自的管路经由各自的开关阀连接至空压机，空压机提供压缩气体，调平控制器接收来自所述位移传感器的位移信号，并向所述开关阀发送动作指令，以控制空气弹簧4中气体的供给而实现基础块3的自动调平。

所述位移传感器为非接触式。

参见图3、4，所述T形槽平台1的横向剖面和纵向剖面均为T形。

参见图5、6，所述地坑1外部呈倒T形且四周防水，所述地坑1内部具有T形中空部，所述T形中空部的底部设置中粗砂隔振层，所述T形中空部的T形翼平面上对称设置空气弹簧支撑板，所述空气弹簧支撑板在T形翼平面的边缘处具有向上弯折的凸起，所述凸起的厚度是所述空气弹簧支撑板厚度的两倍，所述空气弹簧支撑板与地坑钢筋一起捆扎。

具体设计如下：

一、基础块的结构设计：

为了提高基础的稳定性，防止模拟试验过程中，基础块产生较大的偏摆及失稳现象的发生，基础块的设计原则为尽量低于空气弹簧与地基接触表面。其性能参数如下：

基础块整体呈T形结构，总体长25m、宽6m、高3.2m。

基础块设计总重量：约1100吨。

基础块设计承载：120吨+48吨(动载荷)。

基础块托起总重量约为：1270吨。

二、基础块的强度校核：

T形槽平台1四周均由空气弹簧3支撑，沿T形槽平台1纵向截取1.0m为计算单位，验算T形槽平台1截面翼缘抗剪抗、冲切强度，其截面模型强度计算参见图7、质心计算图参见图8。

(一)抗剪验算

1、已知条件及计算要求：

(1)已知条件：矩形梁b＝1000mm，h＝1080mm。

砼C40，fc＝19.10N/mm2，ft＝1.71N/mm2，纵筋HRB400，fy＝360N/mm2，fy'＝360N/mm2，箍筋HRB400，fy＝360N/mm2。

弯矩设计值M＝0.00kN.m，剪力设计值V＝645.00kN，扭矩设计值T＝0.00kN.m。

(2)计算要求：

A、正截面受弯承载力计算：

(1)按单筋计算：as下＝35mm，相对受压区高度ξ＝x/h0＝0.000<ξb＝0.518。

(2)上部纵筋：按构造配筋As＝2160mm2，配筋率ρ＝0.20％。

(3)下部纵筋：As＝ξa1fcbh0/fy＝0mm2ρ＝0.00％<ρmin＝0.21％按构造配筋As＝2309mm2。

B、斜截面受剪承载力计算：

(1)受剪箍筋计算：Asv/s＝-1610.49mm2/mρsv＝-0.16％<ρsvmin＝0.11％按构造配筋Av/s＝1140mm2/m。

C、配置钢筋：

(1)上部纵筋：计算As＝2160mm2，

实配20E12(2262mm2ρ＝0.21％)，配筋满足。

(2)腰筋：计算构造As＝b*hw*0.2％＝2090mm2，

实配16d14(2463mm2ρ＝0.23％)，配筋满足。

(3)下部纵筋：计算As＝2309mm2，

实配8E20(2513mm2ρ＝0.23％)，配筋满足。

(4)箍筋：计算Av/s＝1140mm2/m，

实配E12@190四肢(2381mm2/mρsv＝0.24％)，配筋满足。

D、裂缝计算：

(1)计算参数：Mk＝42.86kN.m，最大裂缝宽度限值0.400mm。

(2)受拉钢筋应力：σsk＝Mk/(0.87h0As)＝18.76N/mm2<fyk＝400N/mm2。

(3)裂缝宽度：Wmax＝0.007mm<Wlim＝0.400mm,满足。

E、抗冲切验算

Fl＝1.4×((677.5-32.5)×1.05-125×1.08-240)＝423.15kN

Sv＝0.7×0.94×1.71×1×1×0.44×106＝495.08kN

Fl<Sv(满足抗冲切要求)

F、T型基础质心的计算：

为了降低基础在试验过程中的晃动与摆动，在考虑空气弹簧承载的前提下，需要将基础的质心设计得尽可能低。

三、空气弹簧承载力计算

空气弹簧在柔性密闭容器中加入压力空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧。空气弹簧作为一种较为常用的支撑隔振方式，在地基设计上使用越来越广泛。

根据技术要求，拟选用西安晨光橡胶有限责任公司的720CG型橡胶空气弹簧，其最大特点是橡胶囊中间有一束带，对橡胶囊的横向尺寸进行限制。空气弹簧爆破压力为20bar。

表1 720CG空气弹簧参数表

可均布75组空气弹簧，根据承载力计算每组空气弹簧压力。

故工作时，每组空气弹簧压力约6bar-7bar。

四、地基各工况下受力情况：

1、不做试验中，由于基础落入砂土层，要求保证砂土层(500mm)下面的基础能承受1500吨的压载荷。

2、试验时，空气弹簧底部混凝土所受压力载荷：

25m×6m大型基础由75组空气弹簧支撑，且全部作用于混凝土地基表面，每个空气弹簧最大承载力约为24吨(即需要承载1800吨)，基础附加气室与混凝土接触最小面积Φ600mm，计算在此区域内混凝土的承载力：

五、提高空气弹簧下部混凝土承载力的解决方法：

1、为了提高混凝土支撑表面的承载能力，在其作用面铺设10mm厚钢板(见图5)，使其与钢筋焊接成为一体后，再浇注混凝土，保证钢板与混凝土之间无空隙(注：特定部位允许开出气孔)，以保证承载力均匀作用于混凝土表面。

2、空气弹簧承载表面距离坑边沿较近，混凝土强度会受到一定影响，容易出现塌边现象，为了解决这一问题，减小坑的尺寸(由23500×4500mm改为23400×4400mm)，受力部分可移出坑边沿50毫米。(见图6)

六、工作平台

工作平台位于混凝土基础的上表面，为方便将试验设备与试件安装与移动，其上均布T型导轨槽，导轨槽间距250mm，完成不同工况的振动模拟实验。

T型基础块预先均布16-M36地脚螺栓(与钢筋捆扎后浇注混凝土)，钢板上有连接孔与地脚螺栓连接固定、利用钢板上的16-M16的螺纹孔通过调节螺栓将钢板托离混凝土表面，使工作平台各块钢板表面水平度在2-3mm以内，利用二次浇注的方式，将钢板与混凝土间的空气排出，保证二者之间紧密接合，以提高钢板的整体抗拉、抗压强度。

Claims (10)

1.一种大型气浮减振地基，其位于地坑中，其特征在于，其包括T形槽平台、空气弹簧、基础块、空压机、位移传感器、开关阀、调平控制仪、管路；试验设备固定安装在T形槽平台上，T形槽平台安装于基础块顶部，空气弹簧分三组均布安装于地坑与基础块之间；所述T形槽平台包括钢平台和T形槽，所述T形槽平台的横向剖面和纵向剖面均为T形。

2.如权利要求1所述的一种大型气浮减振地基，其特征在于，基础块上表面整体铺设钢平台，钢平台上均匀布置沿基础块长度方向铺设的T形槽，所述T形槽采用若干块钢板拼接构成，拼接后整个T形槽平台上的T型槽间距相同。

3.如权利要求2所述的一种大型气浮减振地基，其特征在于，T形槽的材料为45号钢。

4.如权利要求2所述的一种大型气浮减振地基，其特征在于，所述钢平台尺寸为长25m、宽6m、厚150mm。

5.如权利要求2所述的一种大型气浮减振地基，其特征在于，所述T形槽由27块钢板拼接构成。

6.如权利要求2所述的一种大型气浮减振地基，其特征在于，所述间距为250mm。

7.如权利要求1所述的一种大型气浮减振地基，其特征在于，基础块的一端设置一组对应压力分区A的空气弹簧，在基础块的另一端对称设置另外两组分别对应压力分区B和压力分区C的空气弹簧，每一压力分区均对应设置一位移传感器，每一压力分区内的空气弹簧均通过各自的管路经由各自的开关阀连接至空压机，空压机提供压缩气体，调平控制器接收来自所述位移传感器的位移信号，并向所述开关阀发送动作指令，以控制空气弹簧中气体的供给而实现基础块的自动调平。

8.如权利要求1或7所述的一种大型气浮减振地基，其特征在于，所述位移传感器为非接触式。

9.如权利要求1所述的一种大型气浮减振地基，其特征在于，所述地坑外部呈倒T形且四周防水，所述地坑内部具有T形中空部，所述T形中空部的底部设置中粗砂隔振层，所述T形中空部的T形翼平面上对称设置空气弹簧支撑板。

10.如权利要求9所述的一种大型气浮减振地基，其特征在于，所述空气弹簧支撑板在T形翼平面的边缘处具有向上弯折的凸起，所述凸起的厚度是所述空气弹簧支撑板厚度的两倍，所述空气弹簧支撑板与地坑钢筋一起捆扎。