CN110851894B - 一种地铁隧道减振橡胶-弹簧耦合结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于地铁隧道减振的橡胶‑弹簧耦合结构，包括上层橡胶、中间橡胶柱、弹簧、下层橡胶、上层橡胶外缘凸柱以及下层橡胶外缘凸柱；其中，中间橡胶柱设置在上层橡胶和下层橡胶之间，所述上层橡胶外缘凸柱设置在上层橡胶的外表面，下层橡胶外缘凸柱设置在下层橡胶的外表面；所述弹簧设置在中间橡胶柱内部。本发明的有益效果是：使得隧道内部的振动、钢轨的磨耗得到显著改善。

Description

一种地铁隧道减振橡胶-弹簧耦合结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及隧道交通，具体的涉及一种地铁隧道减振橡胶-弹簧耦合结构及其设计方法。
背景技术
随着我国经济快速增长，城市人口急剧增加，城市交通问题日益尖锐。轨道交通是一种具有运载量大、准时及节能的交通形式，使得轨道交通迅速发展。而地铁则是主要的城市轨道交通形式。
由于地铁在运行过程中通常要穿过人口稠密区域以及上盖物业集中区域等地区。该部分区域通常对环境振动噪声较为敏感，同时过大的振动也不利于地铁的安全运行，因此地铁减振降噪工作也越来越受到重视。
传统地铁轨道减振思路通常是通过一定的减振措施(如减振扣件、减振道床等等)将振动能量在地铁隧道内耗散掉。大量实际工程振动测试表明，减振扣件、减振道床等减振措施的减振范围有一定的上限范围。同时由于减振需要，减振扣件、减振道床等结构刚度通常偏低，导致钢轨承受了相当一部分的振动，无法有效抑制钢轨磨耗。因此越来越多的地铁研究人员开始考虑隧道外减振。
吴建忠等提出了一种新型减振结构，该结构将地铁、轨道、道床以及隧道作为一个整体振源，通过粘附于地铁隧道盾构管片外部的橡胶进行隔振。但其并没有对外部橡胶结构进行深入研究。本发明提出了一种新型的橡胶-弹簧耦合结构，通过合理的结构设计及材料选择，可使得结构具有较为合适的刚度，同时具有较长的使用寿命，可用做地铁盾构管片以及其他形式地铁隧道外部耗能结构。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种地铁隧道减振橡胶-弹簧耦合结构及其设计方法，将所述橡胶-弹簧耦合结构设置在地铁隧道混凝土结构与混凝土结构外部土体之间，基于橡胶本身结构的吸振性能及内置弹簧构建的二级能量耗散系统，使得隧道内部的振动、钢轨的磨耗得到显著改善。
具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种适用于地铁隧道减振的橡胶-弹簧耦合结构，包括上层橡胶、中间橡胶柱、弹簧、下层橡胶、上层橡胶外缘凸柱以及下层橡胶外缘凸柱；其中，中间橡胶柱设置在上层橡胶和下层橡胶之间，所述上层橡胶外缘凸柱设置在上层橡胶的外表面，下层橡胶外缘凸柱设置在下层橡胶的外表面；所述弹簧设置在中间橡胶柱内部。
较佳的，所述橡胶-弹簧耦合结构，其特征在于，加工工艺采用注塑、硫化工艺制造，将弹簧与橡胶材料耦合，保证橡胶-弹簧耦合结构的整体性。
较佳的，所述中间橡胶柱、上层橡胶外缘凸柱、下层橡胶外缘凸柱的截面为呈圆形、椭圆形、多边形或者截面渐变型或者截面呈不规则变化状中任意一种或一种以上形状的凸块柱状体。
较佳的，所述中间橡胶柱、上层橡胶外缘凸柱、下层橡胶外缘凸柱设置多个。
较佳的，所述橡胶-弹簧耦合结构设置在地铁隧道混凝土结构与混凝土结构外部土体之间，所述上层橡胶外缘凸柱能够使该橡胶结构与地铁隧道外围土体形成一整体，所述下层橡胶外缘凸柱能够将该减振橡胶结构与地铁隧道混凝土结构形成一整体。
一种橡胶-弹簧耦合结构设计方法，所述设计方法包括：
S1：测定所述上层橡胶和下层橡胶厚度t、中间橡胶柱高度h、中间橡胶柱直径d、弹簧刚度ks、橡胶刚度kr之间的关系，并做出其关系曲线；
S2：基于结构动力学理论建立轨道-道床-隧道-橡胶弹簧结构-土体动力耦合力学模型，创建结构动力学方程：
Figure BDA0002149367020000021
S3：选定一组橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数，代入所述耦合力学模型中，根据有限元理论，构建结构质量矩阵[M]、阻尼矩阵[C]和刚度矩阵[K]；将实际列车经过时对钢轨产生的时程激励作为外部激励F(t)代入结构动力学方程；
S4：采用时域方法newmark-β方法求解所述结构动力学方程。，获得结构动力响应；
S5：提取地面所关心的点位置的加速度响应，计算其振动加速度级,评估其振动情况；
S6：评估地面振动情况，观察其是否满足环评振动要求，如不满足，修改橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数修正模型，重新进行计算，直到其满足环评振动要求；如果满足要求，执行S7；
S7：记下此时橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数，同时与实验室测定的橡胶-弹簧耦合结构与上层橡胶和下层橡胶厚度t、中间橡胶柱高度h、中间橡胶柱直径d、弹簧刚度ks、橡胶刚度kr之间的关系曲线对照，确定橡胶-弹簧耦合结构规格；
S8：对轨道-道床-隧道-橡胶弹簧结构-土体动力耦合力学模型进行频域内响应计算；
S9：根据结构传递函数，获得结构各频率所对应结构响应能量分布；
S10：对外部激励时程信号进行傅里叶变换，得到外部激励关于频率的能量分布图；
S11：评估结构动态性能，观察结构振动峰值所对应频率f是否落入外部激励频率范围内，如果落入外部激励频率范围内，则修改橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数，重新计算，直至结构振动峰值对应频率f避开外部激励频率范围；如果没有落入外部激励频率范围内，则执行S12；
S12：记下此时橡胶-弹簧刚度、阻尼参数，并与实验室测定的橡胶-弹簧耦合结构与上层橡胶和下层橡胶厚度t、中间橡胶柱高度h、中间橡胶柱直径d、弹簧刚度ks、橡胶刚度kr之间的关系曲线对照，结合前述时域分析结果，最终确定该结构规格；
S13：对铺设该橡胶-弹簧耦合结构地段的地面进行振动监测，持续评价该结构减振效果。
本发明的有益效果是：使得隧道内部的振动、钢轨的磨耗得到显著改善。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明提供的一种适用于地铁隧道减振的橡胶-弹簧耦合结构示意图；
图2为本发明提出的橡胶-弹簧耦合结构安装于盾构管片外部的示意图；
图3为单个盾构管片与该橡胶-弹簧耦合结构连接示意图；
图4为本发明提出的橡胶-弹簧耦合结构安装于马蹄形地铁隧道外部的示意图；
图5为本发明提出的橡胶-弹簧耦合结构安装于矩形地铁隧道外部的示意图；
图6为底层和顶层橡胶-弹簧耦合结构均向下和向上留一定搭接段示意图；
图7为列计算机模拟所得车轮对对钢轨时程激励F(t)示意图；
图8为安装了橡胶-弹簧耦合结构的地面某区域前1s加速度响应示意图；
图9为未安装橡胶-弹簧耦合结构前地面某区域前1s加速度响应示意图；
图10为结构系统地面测点的传递函数图形；
图11为图11为外部激励信号随频率变化曲线。
附图标记说明
为进一步清楚的说明本发明的结构和各部件之间的连接关系，给出了以下附图标记，并加以说明。
1、橡胶-弹簧耦合结构；2、隧道盾构管片；3、隧道外围土体；7、搭接段；11、上层橡胶；12、中间橡胶柱；13、弹簧；14、下层橡胶；15、上层橡胶外缘凸柱；16、下层橡胶外缘凸柱；
通过上述附图标记说明，结合本发明的实施例，可以更加清楚的理解和说明本发明的技术方案。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种适用于地铁隧道减振的橡胶-弹簧耦合结构1，包括上层橡胶11、中间橡胶柱12、弹簧13、下层橡胶14、上层橡胶外缘凸柱15、以及下层橡胶外缘凸柱16；其中，中间橡胶柱12设置在上层橡胶11和下层橡胶14之间，所述上层橡胶外缘凸柱15设置在上层橡胶11的外表面，下层橡胶外缘凸柱16设置在下层橡胶14的外表面；所述弹簧13设置在中间橡胶柱12内部。图1中，以弹簧构成第一级减振系统，上下层橡胶构成第二级减振系统，通过合理设置弹簧刚度、橡胶刚度和橡胶厚度，由橡胶柱-弹簧首先吸收一定的振动能量，而后上下层橡胶参与隔振，最终将大部分振动能量耗散在该结构系统中。
所述橡胶-弹簧耦合结构1将弹簧13内置于中间橡胶柱12中，在发挥弹簧弹性吸能作用的同时确保弹簧不被腐蚀，在保证隔振效果的同时，大幅度提高结构系统使用寿命。
作为本发明的示例，所述中间橡胶柱12、上层橡胶外缘凸柱15、下层橡胶外缘凸柱16可以为呈圆形、椭圆形、多边形或者截面渐变型或者截面呈不规则变化状的凸块柱状体。优选的，作为本发明的较佳实施例，所述中间橡胶柱12、上层橡胶外缘凸柱15、下层橡胶外缘凸柱16呈圆形柱状体设置，所述中间橡胶柱12、上层橡胶外缘凸柱15、下层橡胶外缘凸柱16设置多个。
所述的上层橡胶外缘凸柱15可以使该橡胶结构与地铁隧道外围土体牢固结合，防止产生切向滑移。而下层橡胶外缘凸柱16可将该减振橡胶结构与地铁隧道混凝土结构形成一整体，达到减振效果同时亦可对混凝土结构有一定的保护。
作为本发明的较佳实施例，所述橡胶-弹簧耦合结构的加工工艺采用注塑、硫化工艺制造，将弹簧与橡胶材料耦合，保证橡胶-弹簧耦合结构的整体性
作为本发明的较佳实施例，所述橡胶-弹簧耦合结构可应用于圆形盾构管片隧道结构，本发明所提出的橡胶-弹簧耦合结构可在盾构管片预制厂内随盾构管片同时浇筑，提前预制，施工方便且容易保证施工质量。在盾构管片施工时，可采用专有技术对盾构管片连接处产生的橡胶缝进行处理，确保该橡胶结构的整体性和密封性。图2为本发明提出的橡胶-弹簧耦合结构安装于盾构管片外部的示意图，主要结构为隧道盾构管片2、所述橡胶-弹簧耦合结构1、隧道外围土体3，所述橡胶-弹簧耦合结构1设置在隧道盾构管片2和隧道外土体3之间。图3为单个盾构管片2与该橡胶-弹簧耦合结构1连接示意图，其中，下层橡胶外缘凸柱16与隧道盾构管片2贴合，隧道盾构管片借助该橡胶-弹簧系统实现隧道与外围土体之间振动的隔离，最终减小传递至地面的振动，同时由于振动可较好的被外部结构吸收，对于隧道内部的振动、钢轨的磨耗亦有显著改善。
作为本发明的较佳实施例，所述橡胶-弹簧耦合结构可应用于马蹄形地铁隧道结构。图4为本发明提出的橡胶-弹簧耦合结构安装于马蹄形地铁隧道外部的示意图。主要结构为隧道混凝土结构、所述橡胶-弹簧耦合结构、隧道外围土体，所述隧道盾构管片设置在隧道混凝土结构与隧道外围土体之间，对于现浇式马蹄式隧道，所述橡胶-弹簧耦合结构安装时首先铺设底层橡胶结构，底层结构浇筑完成后，将橡胶-弹簧耦合结构紧贴于模板内侧进行其他部位的浇筑，最终将该结构与隧道结构形成一整体结构。
作为本发明的较佳实施例，所述橡胶-弹簧耦合结构可应用于矩形地铁隧道结构。图5为本发明提出的橡胶-弹簧耦合结构安装于矩形地铁隧道外部的示意图。主要结构为隧道混凝土结构、所述橡胶-弹簧耦合结构、隧道外围土体。对于现浇式矩形隧道，与现浇式马蹄形隧道工艺一致。由于该结构减振主要是降低垂向振动，其底层和顶层橡胶-弹簧耦合结构起主导作用，为更好发挥所述橡胶-弹簧耦合结构减振效果，底层和顶层橡胶-弹簧耦合结构均向下和向上留一定搭接段7，如图6所示。
本发明所提出的减振橡胶-弹簧耦合结构，设置在地铁隧道混凝土结构与混凝土结构外部土体之间，基于橡胶本身结构的吸振性能及内置弹簧构建了二级能量耗散系统，可有效改善隧道内振动。
本发明提出的减振橡胶-弹簧耦合结构减振效果由橡胶本身性质以及橡胶内置弹簧所构成的橡胶-弹簧耦合系统实现，其可以发挥橡胶耐腐蚀不易老化的优点，同时可最大化发挥弹簧减振性能。
所述的新型橡胶-弹簧耦合结构为双层结构，其中间通过计算确定一定数量、一定规格的橡胶柱，橡胶柱内设置弹簧用以调节该结构的刚度，弹簧的刚度根据不同地区、不同速度条件下的地铁振动情况评估以及地质条件进行计算确定。
所述的新型橡胶-弹簧耦合结构在承受振动荷载时，首先由橡胶层之间的弹簧吸收振动能量，在弹簧压缩量达到最大，上下两层橡胶层产生变形，吸收振动能量。故而结构整体减振性能较单一橡胶有较大提高。
所述的新型橡胶-弹簧耦合结构上表面与下表面分别设置一定数量的凸起结构，在调节结构刚度的同时，可提高与混凝土结构及外部土体的附着力，避免橡胶层产生滑移。
针对圆形的预制盾构管片隧道结构，所述的新型橡胶-弹簧耦合结构经计算后提前预制好，在加工盾构管片时将其粘附于盾构管片外表面，实现厂化预制，施工效率得到提高。所述的新型橡胶结-弹簧耦合构安装至盾构管片后，现场施工时通过专用粘结材料填补盾构管片之间的缝隙，进行密封同时保证结构的整体性。
针对其他形状的现浇隧道结构(例如马蹄形隧道、矩形隧道等)所述的新型橡胶-弹簧耦合结构经计算后首先将底层结构按形状切割，然后铺设。而其他部位则根据隧道形状进行分片切割，将其紧贴于模板内侧，留好混凝土厚度空间，而后进行浇筑。所述新型橡胶结-弹簧耦合构安装完毕后，现场施工时通过专用粘结材料填补橡胶-弹簧耦合结构之间的缝隙，进行密封同时保证结构的整体性。
本发明还提供了一种橡胶-弹簧耦合结构设计方法，通过所述橡胶-弹簧耦合结构设计方法，根据不同地区、不同速度条件下的地铁振动情况及地质条件，对实际环境工况评估后，合理确定所述橡胶-弹簧耦合结构的弹簧数量及刚度以及橡胶厚度，达到最佳减振效果。所述设计方法包括：
S1：测定上层橡胶11和下层橡胶14厚度t、中间橡胶柱12高度h、中间橡胶柱12直径d、弹簧13刚度ks、橡胶刚度kr之间的关系，并做出其关系曲线。
在本发明中，所述上层橡胶11或下层橡胶14的厚度一致。根据环评部门提出减振要求，确定减振等级。
S2：基于结构动力学理论建立轨道-道床-隧道-橡胶弹簧结构-土体动力耦合力学模型，创建结构动力学方程：
Figure BDA0002149367020000081
其中M为结构质量矩阵，C为结构阻尼矩阵，K为结构刚度矩阵，F(t)为外部激励。
S3：选定一组橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数，代入所述耦合力学模型中，根据有限元理论，构建结构质量矩阵[M]、阻尼矩阵[C]和刚度矩阵[K]；将实际列车经过时对钢轨产生的时程激励作为外部激励F(t)代入结构动力学方程。
图7为列计算机模拟所得车轮对对钢轨时程激励F(t)示意图。
S4：采用时域方法newmark-β方法求解所述结构动力学方程。获得结构动力响应。
即求解得到位移响应x，对位移响应求一阶微分得到速度响应
Figure BDA0002149367020000091
二阶微分得到加速度响应
Figure BDA0002149367020000092
S5：提取地面所关心的点位置的加速度响应，计算其振动加速度级(dB),评估其振动情况。
图8为安装了橡胶-弹簧耦合结构的地面某区域前1s加速度响应，图9为未安装橡胶-弹簧耦合结构前地面某区域前1s加速度响应，对比两图可看出橡胶-弹簧耦合结构减振效果明显。
所述振动加速度级根据下式确定：
Figure BDA0002149367020000093
式中，a-振动加速度有效值，m/s2；
a0-基准价速度，我国规定与ISO相同，a0＝10-6m/s2；
S6：评估地面振动情况，观察其是否满足环评振动要求，如不满足，修改橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数修正模型，重新进行计算，直到其满足环评振动要求。如果满足要求，执行S7。
评估过程中计算值预留20％裕量。
S7：记下此时橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数，同时与实验室测定的橡胶-弹簧耦合结构与上层橡胶11和下层橡胶14厚度t、中间橡胶柱12高度h、中间橡胶柱12直径d、弹簧13刚度ks、橡胶刚度kr之间的关系曲线对照，确定橡胶-弹簧耦合结构规格。
之后对结构进行频域分析
S8：对轨道-道床-隧道-橡胶弹簧结构-土体动力耦合力学模型进行频域内响应计算。
此时方程
Figure BDA0002149367020000101
的右边F(t)＝Fcos(ωt)。求解该动力方程，得到整体结构的传递函数H(ω)。
设传递函数为：
Figure BDA0002149367020000102
传递函数为稳态响应与激励幅值之比。式中K为结构刚度矩阵，M为结构质量矩阵，C为结构阻尼矩阵，ω为结构系统固有频率，j为虚数单位。
S9：根据结构传递函数，获得结构各频率所对应结构响应能量分布。
即可反映出此时结构的动态性能。图10为结构系统地面测点的传递函数图形。
S10：对外部激励时程信号进行傅里叶变换，得到外部激励关于频率的能量分布图。
图11为外部激励信号随频率变化曲线。
所述傅里叶变换为：设x(t)为周期为T的实函数，x(t)可通过傅里叶变换表示为如下三角函数线性叠加形式：
Figure BDA0002149367020000103
式中：
Figure BDA0002149367020000104
Figure BDA0002149367020000105
Figure BDA0002149367020000111
S11：评估结构动态性能，观察结构振动峰值所对应频率f是否落入外部激励频率范围内，如果落入外部激励频率范围内，则修改橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数，重新计算，直至结构振动峰值对应频率f避开外部激励频率范围；如果没有落入外部激励频率范围内，则执行S12。
S12：记下此时橡胶-弹簧刚度、阻尼参数，并与实验室测定的橡胶-弹簧耦合结构与上层橡胶11和下层橡胶14厚度t、中间橡胶柱12高度h、中间橡胶柱12直径d、弹簧13刚度ks、橡胶刚度kr之间的关系曲线对照，结合前述时域分析结果，最终确定该结构规格。
S13：对铺设该橡胶-弹簧耦合结构地段的地面进行振动监测，持续评价该结构减振效果并为后续设计提供数据参考。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于地铁隧道减振的橡胶-弹簧耦合结构的设计方法，其特征在于，所述的耦合结构包括上层橡胶(11)、中间橡胶柱(12)、弹簧(13)、下层橡胶(14)、上层橡胶外缘凸柱(15)以及下层橡胶外缘凸柱(16)；其中，中间橡胶柱(12)设置在上层橡胶(11)和下层橡胶(14)之间，所述上层橡胶外缘凸柱(15)设置在上层橡胶(11)的外表面，下层橡胶外缘凸柱(16)设置在下层橡胶(14)的外表面；所述弹簧(13)设置在中间橡胶柱(12)内部，所述设计方法包括：
S1：测定所述上层橡胶(11)和下层橡胶(14)厚度t、所述中间橡胶柱(12)高度h、所述中间橡胶柱(12)直径d、所述弹簧(13)刚度ks、橡胶刚度kr之间的关系，并做出其关系曲线；
S2：基于结构动力学理论建立轨道-道床-隧道-橡胶弹簧结构-土体动力耦合力学模 型，创建结构动力学方程：
Figure 232189DEST_PATH_IMAGE001
；
S3：选定一组橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数，代入所述耦合力学模型中，根据有限元理论，构建结构质量矩阵[M]、阻尼矩阵[C]和刚度矩阵[K]；将实际列车经过时对钢轨产生的时程激励作为外部激励F(t)代入结构动力学方程；
S4：采用时域方法newmark-β方法求解所述结构动力学方程，获得结构动力响应；
S5：提取地面所关心的点位置的加速度响应，计算其振动加速度级,评估其振动情况；
S6：评估地面振动情况，观察其是否满足环评振动要求，如不满足，修改橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数修正模型，重新进行计算，直到其满足环评振动要求；如果满足要求，执行S7；
S7：记下此时橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数，同时与实验室测定的橡胶-弹簧耦合结构与所述上层橡胶(11)和下层橡胶(14)厚度t、中间橡胶柱(12)高度h、中间橡胶柱(12)直径d、弹簧(13)刚度ks、橡胶刚度kr之间的关系曲线对照，确定橡胶-弹簧耦合结构规格；
S8：对轨道-道床-隧道-橡胶弹簧结构-土体动力耦合力学模型进行频域内响应计算；
S9：根据结构传递函数，获得结构各频率所对应结构响应能量分布；
S10：对外部激励时程信号进行傅里叶变换，得到外部激励关于频率的能量分布图；
S11：评估结构动态性能，观察结构振动峰值所对应频率f是否落入外部激励频率范围内，如果落入外部激励频率范围内，则修改橡胶-弹簧耦合结构刚度、阻尼参数，重新计算，直至结构振动峰值对应频率f避开外部激励频率范围；如果没有落入外部激励频率范围内，则执行S12；
S12：记下此时橡胶-弹簧刚度、阻尼参数，并与实验室测定的橡胶-弹簧耦合结构与上层橡胶(11)和下层橡胶（14）厚度t、中间橡胶柱(12)高度h、中间橡胶柱(12)直径d、弹簧(13)刚度ks、橡胶刚度kr之间的关系曲线对照，结合前述时域分析结果，最终确定该结构规格；
S13：对铺设该橡胶-弹簧耦合结构地段的地面进行振动监测，持续评价该结构减振效果。
2.根据权利要求1所述适用于地铁隧道减振的橡胶-弹簧耦合结构的设计方法，其特征在于，所述橡胶-弹簧耦合结构的加工工艺采用注塑、硫化工艺制造，将弹簧(13)与橡胶材料耦合。
3.根据权利要求1所述适用于地铁隧道减振的橡胶-弹簧耦合结构的设计方法，其特征在于，所述中间橡胶柱(12)、上层橡胶外缘凸柱(15)、下层橡胶外缘凸柱(16)的截面为呈圆形、椭圆形、多边形或者截面渐变型或者截面呈不规则变化状中任意一种或多种形状的凸块柱状体。
4.根据权利要求1所述适用于地铁隧道减振的橡胶-弹簧耦合结构的设计方法，其特征在于，所述中间橡胶柱(12)、上层橡胶外缘凸柱(12)、下层橡胶外缘凸柱(12)设置多个。
5.根据权利要求1所述适用于地铁隧道减振的橡胶-弹簧耦合结构的设计方法，其特征在于，所述橡胶-弹簧耦合结构设置在地铁隧道混凝土结构与混凝土结构外部土体之间，所述上层橡胶外缘凸柱(15)能够使该橡胶-弹簧耦合结构与地铁隧道外围土体形成一整体，所述下层橡胶外缘凸柱(16)能够将该橡胶-弹簧耦合结构与地铁隧道混凝土结构形成一整体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR559350A (fr) * 1922-12-02 1923-09-13 Amortisseur à compression progressive
KR100936592B1 (ko) * 2007-12-28 2010-01-13 두산건설 주식회사 고층 건축물의 수직부재의 축소량을 보정하는 방법
CN100595084C (zh) * 2008-05-28 2010-03-24 天津大学 大功率柴油机动力总成六点悬置系统设计方法
WO2011109021A1 (en) * 2010-03-04 2011-09-09 Worksafe Technologies Composite isolation bearing
CN203160070U (zh) * 2013-03-21 2013-08-28 洛阳双瑞橡塑科技有限公司 一种低应力非线性弹性减振垫
CN104695974A (zh) * 2015-03-06 2015-06-10 北京城建设计发展集团股份有限公司 一种轨道交通地下工程减振方法及结构
CN105864335B (zh) * 2016-04-14 2017-10-27 山东恒日悬架弹簧有限公司 非端部接触式少片斜线型副簧根部厚度的设计方法
CN205896004U (zh) * 2016-07-04 2017-01-18 南京伟舜机电有限公司 一种改进的机床减震装置
CN207111807U (zh) * 2017-08-10 2018-03-16 安徽中联汽车零部件有限公司 一种汽车用高强度阻尼衬套

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