CN110952601A - 周期排桩隔振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种周期排桩隔振装置。该装置包括：周期化设计的排桩结构，该排桩结构中包括多个排桩，每个排桩的横截面形式为X型。排桩包括散射型排桩和局域共振型排桩，散射型排桩的散射体为单一材料，在局域共振型排桩的基体和散射体中间加入了不同材料的包裹层。排桩的布设方式包括六角晶格排列、正方晶格排列和不同长宽比的长方晶格排列。本发明的装置利用周期结构(排桩)的弹性波带隙特性，从而显著降低目标频段的振动水平，以满足减振需求。

Description

周期排桩隔振装置
技术领域
本发明涉及轨道交通减振技术领域，尤其涉及一种周期排桩隔振装置。
背景技术
截至2018年12月31日，我国内地累计有35个城市建成投入运营城轨线路5766.6km。城市轨道交通快速发展的同时，其所带来的环境振动污染问题也日益凸显，对建筑结构、建筑内的精密仪器设备、人或艺术品等都已产生不利影响。由此可见，有效控制轨道交通引起的环境振动具有重要的意义和价值。
现有的城市轨道交通环境振动控制方法可分为三类：振源减振措施、传播路径隔振措施和被动隔振措施。某些情况下，如城市轨道线路难以绕行敏感建筑物、已建成轨道线路上盖高品质建筑物、已完成铺轨的轨道难以更换新型减振轨道结构、地面敏感建筑物无法搬迁或无法加装隔振支座等，振源减振措施和被动隔振措施发挥到极致仍无法满足需求，或无法采取振源减振措施和被动隔振措施，此时需要采用恰当的传播路径隔振措施进行减隔振处理，以满足减振要求。
常见的轨道交通传播路径隔振措施包括弹性基础、明沟或空沟、填充沟、排桩和波阻块等，其中排桩凭借施工速度快、造价低、在低频隔振中对屏障埋置深度要求低等优点而被广泛关注。此外，大量研究表明周期结构具有弹性波带隙特性，即某些特定频段的振动无法通过周期结构继续传播。
目前，现有技术中还没有一种有效的基于周期结构的传播路径隔振措施。
发明内容
本发明的实施例提供了一种周期排桩隔振装置，以实现一种基于周期结构的传播路径隔振措施。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种X型周期排桩隔振装置，包括：周期化设计的排桩结构，该排桩结构中包括多个排桩，每个排桩的横截面形式为X型。
优选地，所述的排桩包括散射型排桩和局域共振型排桩，所述散射型排桩的散射体为单一材料，在所述局域共振型排桩的基体和散射体中间加入了不同材料的包裹层。
优选地，所述排桩的布设方式包括六角晶格排列、正方晶格排列和不同长宽比的长方晶格排列。
优选地，所述排桩的桩体材料包括橡胶、土体、混凝土和铸铁。
优选地，所述排桩的桩体材料、晶格类型、填充率、截面控制参数和周期常数根据所需要减振控制的目标频段的起始频率和带宽而确定。
优选地，所述填充率η的计算公式为：
η＝基本单元散射体面积/基本单元面积＝[4pq-p2cot(α/2)/2]/(a2sin60°)
在填充率一定的情况下，首阶完全带隙的起始频率、截止频率和带宽都随着周期常数的变大而降低，且平面外的带宽比平面内带宽更大。
优选地，当周期常数一定时，平面内，随着p/a增大，起始频率、截止频率和带宽都增大，变化幅度不大；平面外，随着p/a增大，起始频率略增加，变化幅度不大，截止频率和带宽增幅较大。
优选地，当周期常数一定时，平面内，随着q/a增大，起始频率、截止频率都增大，且当q/a超过0.55时增速变大，带宽变化幅度不大；平面外，随着q/a增大，起始频率、截止频率和带宽都增大，变化幅度不大。
优选地，平面内，当夹角超过75°时带隙起止频率变大；平面外，夹角达到75°以上时，带宽变小。
优选地，所述装置应用于城市轨道交通的环境振动减振。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的周期排桩隔振装置选取横截面为X形的排桩，进行周期化设计，形成周期排桩隔振屏障，利用周期结构(排桩)的弹性波带隙特性，从而显著降低目标频段的振动水平以满足减振需求。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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为本发明实施例提供的一种X型周期排桩隔振装置的布置位置示意图；
图2为本发明实施例提供的一种以六角晶格形式排布的X型周期排桩示意图；
图3为本发明实施例提供的一种以六角晶格形式排布的散射-周期排桩示意图；
图4为本发明实施例提供的一种以六角晶格形式排布的局域共振-周期排桩示意图；
图5为本发明实施例提供的一种以正方晶格排布的散射-周期排桩示意图；
图6为本发明实施例提供的一种正方晶格排布的局域共振-周期排桩示意图；
图7为本发明实施例提供的一种以正方晶格形式排列的散射-十字型周期排桩示意图；
图8为本发明实施例提供的一种周期常数对X型排桩平面内首阶完全带隙的影响示意图；
图9为本发明实施例提供的一种周期常数对X型排桩平面外首阶完全带隙的影响示意图；
图10为本发明实施例提供的一种填充率对X型排桩平面内首阶完全带隙的影响示意图；
图11为本发明实施例提供的一种填充率对X型排桩平面外首阶完全带隙的影响示意图；
图12为本发明实施例提供的一种参数p对X型排桩平面内首阶完全带隙的影响示意图；
图13为本发明实施例提供的一种参数p对X型排桩平面外首阶完全带隙的影响示意图；
图14为本发明实施例提供的一种参数q对X型排桩平面内首阶完全带隙的影响示意图；
图15为本发明实施例提供的一种参数q对X型排桩平面外首阶完全带隙的影响示意图；
图16为本发明实施例提供的一种夹角α对X型排桩平面内首阶完全带隙的影响示意图；
图17为本发明实施例提供的一种夹角α对X型排桩平面外首阶完全带隙的影响示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例考虑根据周期结构带隙特性，将轨道交通传播路径隔振排桩进行周期化设计，以进行轨道交通环境振动减振目标频段的隔离和控制。
本发明实施例提出了一种新型隔振排桩措施——X型周期排桩隔振措施，显著降低或控制减振目标频段的振动水平，降低振动对周围环境的影响，满足减振需求。
本发明实施例的周期排桩隔振装置包括周期化设计的排桩结构，该排桩结构中包括多个排桩，每个排桩的横截面形式为X形。根据所需要减振控制的目标频段的起始频率和带宽，选取不同的桩体材料、晶格类型、填充率、截面控制参数和周期常数，获得相应的滤波频段(带隙)，达到不同频段的减隔振目的。
本发明实施例中，排桩包括但不限于散射型排桩(散射体为单一材料的桩)和局域共振型排桩(在基体和散射体中间再加入材料差异较大包裹层的桩)，排桩的布设方式包括但不限于六角晶格排列、正方晶格排列和不同长宽比的长方晶格排列等形式，排桩的桩体材料包括但不限于橡胶、土体、混凝土和铸铁等。本发明提出的周期排桩隔振装置可以针对不同的减振目标频段进行特殊设计，具有良好的隔振效果，其减振频段可根据目标要求有效控制在20～80Hz范围内，减振效果可达5dB左右(Z计权)。
图1为本发明实施例提供的一种X型周期排桩隔振装置的布置位置示意图，图2为本发明实施例提供的一种以六角晶格形式排布的X型周期排桩示意图。本发明实施例的周期排桩隔振装置的排桩的具体布置方式包括但不限于以下四种：
(一)图3所示的以正方晶格形式排列的散射-X型周期排桩；
(二)图4所示的以正方晶格形式排列的局域共振-X型周期排桩；
(三)图5所示的以六角晶格形式排列的散射-X型周期排桩；
(四)图6所示的以六角晶格形式排列的局域共振-X型周期排桩。
在上述图3-图6所示的排桩的布置方式中，1为散射体，2为基体，3为包裹层，a是周期常数(周期常数是两相邻周期结构单元的中心间距)，q、p和α分别为X型桩的截面控制参数，p为X型桩截面短边的宽度，q为X型桩截面中心到短边的垂直距离，α为X型桩的夹角。
上述第一种形式和第三种形式的周期排桩隔振装置的实施方式为：在地铁振源和目标保护结构之间的振动传播路径上选取合适场地，通过钻孔装置在土体上进行钻孔，将X形截面形式的桩体以预制或现浇的方式放置。所有桩体按照六角晶格或正方晶格形式进行布设，桩体材料可以选择橡胶、铸铁、混凝土等，周期常数可在2～8m范围内选取，填充率可在20％～90％范围内选取，桩长可在10～40m范围内(1～2倍隧道埋深)选取，布置排数不宜少于3排，截面控制参数q可在0.7～4m范围内选取，p可在0.5～2.5m范围内选取，α建议取30°、45°、60°或90°。其中，当α取90°时，桩体横截面形式为正交十字型，此时可成为十字形周期排桩，图7给出了以正方晶格形式排列的散射-十字型周期排桩示意图。
上述第二种形式和第四种形式的周期排桩隔振装置的实施方式为：在第一种形式和第三种形式的基础上，将桩体从单一材料形式改为在散射体外加一层材料差异大的包裹层的形式，芯体和包裹层可以选择橡胶、土体、铸铁、混凝土等材料的组合，也可以是空心管桩。该种形式可以用更小的结构尺寸获得较好的隔振效果。
本领域技术人员应能理解上述X形周期排桩隔振装置的排桩的具体布置方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的周期排桩隔振装置的排桩的具体布置方式如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
本发明实施例中的针对不同的目标频段选取怎样的桩体材料、晶格类型、填充率、截面控制参数和周期常数的具体处理过程包括：
选取以六角晶格形式排列的散射-X型周期排桩为例，研究了周期常数、填充率、截面控制参数对首阶完全带隙起始频率、截止频率以及对应的带宽的影响。选取的材料参数和计算工况见表1和表2，其中A为散射体(排桩)，B为基体(土体)。
表1材料参数
Figure BDA0002319782680000081
表2X型排桩构型影响因素计算工况
Figure BDA0002319782680000082
根据上述材料参数和几何参数以六角晶格形式排列的X型周期排桩为例计算频散关系，并绘制频散曲线获得其带隙分布情况，来研究周期常数、填充率和截面控制参数对平面内和平面外首阶完全带隙起始频率、截止频率以及对应的带宽的影响，具体见图8-17。其中填充率η可表示为η＝基本单元散射体面积/基本单元面积，在本例中，η＝[4pq-p2cot(α/2)/2]/(a2sin60°)。
图8为本发明实施例提供的一种周期常数对X型排桩平面内首阶完全带隙的影响示意图；图9为本发明实施例提供的一种周期常数对X型排桩平面外首阶完全带隙的影响示意图。由图8和图9可以看出，在填充率一定的情况下，首阶完全带隙的起始频率、截止频率和带宽都随着周期常数的变大而降低，且平面外的带宽比平面内带宽更大。
图10为本发明实施例提供的一种填充率对X型排桩平面内首阶完全带隙的影响示意图；图11为本发明实施例提供的一种填充率对X型排桩平面外首阶完全带隙的影响示意图。由图10和图11可以看出。平面内，首阶完全带隙整体随着填充率增大而增大，但是在25％～30％范围内出现了一个明显的突变，且这个规律在平面外首阶完全带隙变化规律也有所体现，这主要是因为对于X型桩来说周期常数一定时，填充率大小同时受到截面控制参数p、q、α的影响，且起、止频率对于三个参数变化的敏感性差异较大。
图12为本发明实施例提供的一种参数p对X型排桩平面内首阶完全带隙的影响示意图；图13为本发明实施例提供的一种参数p对X型排桩平面外首阶完全带隙的影响示意图。由图12和图13可以看出参数p对X型排桩平面内和平面外首阶完全带隙的影响。当周期常数一定时，平面内，随着p/a增大(由于a不变，即p增大)，起始频率、截止频率和带宽都增大，变化幅度不大；平面外，随着p/a增大，起始频率略增加，变化幅度不大，截止频率和带宽增幅较大。
图14为本发明实施例提供的一种参数q对X型排桩平面内首阶完全带隙的影响示意图；图15为本发明实施例提供的一种参数q对X型排桩平面外首阶完全带隙的影响示意图。由图14和图15可以看出，参数q对X型排桩平面内和平面外首阶完全带隙的影响。当周期常数一定时，平面内，随着q/a增大(由于a不变，即q增大)，起始频率、截止频率都增大，且当q/a超过0.55时增速变大，带宽变化幅度不大；平面外，随着q/a增大，起始频率、截止频率和带宽都增大，但是变化幅度不大。
图16为本发明实施例提供的一种夹角α对X型排桩平面内首阶完全带隙的影响示意图；图17为本发明实施例提供的一种夹角α对X型排桩平面外首阶完全带隙的影响示意图。由图16和图17可以看出，夹角α对X型排桩平面内和平面外首阶完全带隙的影响。平面内，当夹角超过75°时带隙起止频率变大，但对带宽影响不大；平面外，夹角达到75°以上时，带宽急剧下降。
在80Hz以下，周期常数、填充率和材料相同的条件下，晶格类型对首阶完全带隙的影响为：1、平面外首阶带隙带宽：六角晶格>正方晶格>长方晶格，长方晶格首阶带隙带宽随着长宽比增大而变小；2、平面内首阶带隙带宽：六角晶格>正方晶格，长方晶格首阶带隙带宽随长宽比改变有明显变化；3、平面外首阶带隙起始频率正方晶格高于六角晶格和长方晶格，随着长方晶格的长宽比增加，长方晶格首阶带隙的起始频率降低；。
在80Hz以下，周期常数、填充率和晶格类型相同的条件下，材料性质对首阶完全带隙的影响：1、对于散射型排桩，随着散射体材料刚性的增加，无论平面内还是平面外的首阶带隙带宽都增大。2、对于散射型排桩，平面外，当散射体与基体刚性差异越大时，第一阶带隙的起始频率越低；平面内，散射体刚度越大，起始频率越低。3、对于局域共振型排桩，平面外，当组合材料中加入刚性材料后，带宽明显增大；当组合材料中加入柔性材料后，带隙起始频率显著降低。
综上所述，本发明实施例的周期排桩隔振装置选取横截面为X形的排桩，进行周期化设计，形成周期排桩隔振屏障，利用周期结构(排桩)的弹性波带隙特性，可以通过调整结构形式和材料组成等方式实现选择性滤波，从而显著降低目标频段的振动水平以满足减振需求。该周期排桩隔振措施是传播路径隔振措施的一种。
本发明的周期排桩隔振装置的具有造价低廉、施工快速和维修便捷等特点，使用时可以不改变地铁列车轮轨结构、隧道结构(或路基、桥梁结构)和减振目标结构；从作用效果角度来说具有“小尺寸”控制“大波长”、带隙调节能力丰富、针对性强等特点。
由于本发明的周期排桩隔振装置的控制频率可低达20Hz，故可有效降低地铁列车引起的低频段振动响应，满足低频减振需求。本发明可与轨道减振措施、被动隔振措施同时采用，以满足不同的减振需求。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种X型周期排桩隔振装置，其特征在于，包括：周期化设计的排桩结构，该排桩结构中包括多个排桩，每个排桩的横截面形式为X型。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的排桩包括散射型排桩和局域共振型排桩，所述散射型排桩的散射体为单一材料，在所述局域共振型排桩的基体和散射体中间加入了不同材料的包裹层。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述排桩的布设方式包括六角晶格排列、正方晶格排列和不同长宽比的长方晶格排列。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述排桩的桩体材料包括橡胶、土体、混凝土和铸铁。
5.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述排桩的桩体材料、晶格类型、填充率、截面控制参数和周期常数根据所需要减振控制的目标频段的起始频率和带宽而确定。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述填充率η的计算公式为：
η＝基本单元散射体面积/基本单元面积＝[4pq-p2cot(α/2)/2]/(a2sin60°)
在填充率一定的情况下，首阶完全带隙的起始频率、截止频率和带宽都随着周期常数的变大而降低，且平面外的带宽比平面内带宽更大。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，当周期常数一定时，平面内，随着p/a增大，起始频率、截止频率和带宽都增大，变化幅度不大；平面外，随着p/a增大，起始频率略增加，变化幅度不大，截止频率和带宽增幅较大。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，当周期常数一定时，平面内，随着q/a增大，起始频率、截止频率都增大，且当q/a超过0.55时增速变大，带宽变化幅度不大；平面外，随着q/a增大，起始频率、截止频率和带宽都增大，变化幅度不大。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，平面内，当夹角超过75°时带隙起止频率变大；平面外，夹角达到75°以上时，带宽变小。
10.根据权利要求1装置，其特征在于，所述装置应用于城市轨道交通的环境振动减振。
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