CN112900159A - 一种基于弹性波禁带理论的周期结构铁路轨道板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于弹性波禁带理论的周期结构铁路轨道板，所述周期结构铁路轨道板中周期性排布设置球形空腔，空腔内填充外表面设有负质量软包覆材料的钢球。上述所设计的周期结构轨道板可以隔绝低频振动传播，使得列车运行产生的振动被阻断。本发明利用周期结构的禁带理论，提出了适合隔离低频振动的周期结构轨道板，并同时设计了应用于铁路轨道板的周期结构和材料。在实际应用时，该周期结构轨道板将上部铁路移动荷载传递下来的振动能量耗散在周期结构的负质量软包覆材料中，阻断上部振动传入地基，进而实现了铁路轨道隔振。

Description

一种基于弹性波禁带理论的周期结构铁路轨道板
本发明涉及铁路轨道隔振领域，特别地，涉及一种基于弹性波禁带理论的周期结构铁路轨道板。
背景技术
铁路的运行在便捷人们出行的同时极大地影响了周边建构筑物的安全，铁路产生的振动对地基以及周围居民都具有极大的危害，因此隔离铁路运行产生的振动极其重要。
目前较为常见的是在振源处进行隔振，德国发明了钢弹簧浮置板轨道，依靠浮置板和钢弹簧的惯性进行隔振。这种方法有很大的改进空间。专利CN110528340A公开了一种声子晶体隔振器，利用这种隔振器取代钢弹簧，利用声子晶体的禁带理论增强隔振效果。但该装置依然利用隔振器进行隔振，其对于隔离地铁产生振动的效果依然有限。
因此，目前在铁路轨道隔振领域急需一种可以有效隔离铁路振动的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于弹性波禁带理论的周期结构铁路轨道板，在保证其正常承载能力的同时，这种轨道板被整体周期化。依据周期结构禁带理论，铁路产生的禁带内的振动都会被耗散在周期结构轨道板内，只有少量禁带外的振动传入了地基，这种轨道板对于铁路运行产生的振动具有极大的减振效果。
本发明采用的技术方案是：
一种基于弹性波禁带理论的周期结构铁路轨道板，所述周期结构铁路轨道板中周期性排布设置球形空腔，空腔内填充外表面设有负质量软包覆材料的钢球。其中外表面设有软包覆材料的钢球外径与球形空腔内径相等。其中，球形空腔半径R，软包覆材料的厚度d以及沿轨道板深度和宽度方向的周期性排布距离L根据弹性波禁带理论计算确定，其确定标准为理论计算中周期结构禁带低于铁路振动频率。
进一步地，地铁的铁路振动频率在100Hz以内，地铁的铁路振动频率在50Hz以内。
进一步地，所述的负质量软包覆材料为橡胶；
进一步地，L＝5cm、R＝3cm、d＝0.5cm。
进一步地，沿轨道板长度方向的周期性排布距离L1为0.5m。
本发明利用周期结构的禁带理论，提出了适合隔离低频振动的周期结构轨道板，并同时设计了应用于铁路轨道板的周期结构和材料。在实际应用时，该周期结构轨道板将上部铁路移动荷载传递下来的振动能量耗散在周期结构的负质量软包覆材料中，阻断上部振动传入地基，进而实现了铁路轨道隔振。
本发明的有益效果是：
1.本发明设计的轨道板可以隔离铁路运行产生的低频振动。
2.本发明设计的轨道板并不会影响其正常承载能力，但隔振效果更优。
3.本发明设计的轨道板无需借助施工复杂的隔振器。
附图说明
图1周期结构轨道板示意图；
图2周期结构轨道板的频散曲线；
图3周期结构轨道板隔振效果；
图4基于周期结构理论的地铁轨道综合示意图；
图5周期结构单元；
图中，1：地铁列车；2：地铁路基；3：垫层；4：地铁轨道板；5：地铁轨道；6：包覆橡胶的钢球；7：钢筋混凝土基体；8：橡胶；9：钢球。
具体实施方式
下面结合附图和在地铁中的应用对本发明作进一步说明。
图1是本发明提供的一种基于弹性波禁带理论的周期结构地铁轨道板示意图，包括轨道板钢筋混凝土基体(轨道板中预留球形空腔)、负质量软包覆材料和钢球；
所述轨道板中预留的球形空腔呈周期结构布置。
所述的空腔呈周期结构布置是指空腔沿轨道板深度和宽度方向的周期性排布距离L和沿轨道板长度方向的周期性排布距离L1重复性周期分布在轨道板钢筋混凝土基体中。
本发明的周期结构铁路轨道板隔振原理为：
(1)地铁运行在周期结构铁路轨道板上表面产生50Hz以内的振动，同时应力波向下传递。
(2)应力波在传入周期结构铁路轨道板后，由于周期结构局域共振原理，禁带之内振动能量耗散在负质量软包覆材料中，从而这部分振动能量无法继续向下传递。
(3)禁带之外振动能量正常通过轨道板向地基传递，但由于禁带内的能量被耗散在周期结构轨道板中，因此整体振动相对减少。
基于上述原理，球形空腔半径R，软包覆材料的厚度d以及沿轨道板深度和宽度方向的周期性排布距离L可以根据弹性波禁带理论计算确定，其确定标准为理论计算中周期结构禁带低于地铁的振动频率即50Hz。
本实施例中根据上述原理采用comsol软件进行计算，确定L＝5cm、R＝3cm、d＝0.5cm，L1等于0.5m时，其频散曲线如图2所示，可以看到图2中12-22Hz以及38-42Hz之间无曲线，这说明这个频率范围的应力波无法通过轨道板，也就是该轨道板禁带为12-22Hz以及38-42Hz。
图3是本发明提供的轨道板的频响曲线，即轨道板上部地铁移动后测得的轨道板下部衰减程度。通过和图2对照，可以看到频率为12-22Hz以及38-42Hz时的曲线，其衰减程度达到了35dB，证实了本发明中周期结构轨道板的减振效果，可以广泛推广应用于地铁系统中。
图4是本发明提供的基于周期结构理论的地铁轨道综合示意图：
所述周期结构铁路轨道板代替原有轨道板置于轨道下方、垫层上方。
作为优选方案，负质量软包覆材料由橡胶制成，其结构如图5所示。
所述周期结构铁路轨道板需要进行正常浇灌和配筋；其中球形空腔的数量和部分位置可根据轨道板浇灌和配筋进行调整，具体调整标准为：空腔位置不破坏配筋，同时配筋较少影响周期性布置；这样不会影响其正常承载能力，同时具有隔振效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于弹性波禁带理论的周期结构铁路轨道板，其特征在于，所述周期结构铁路轨道板中周期性排布设置球形空腔，空腔内填充外表面设有负质量软包覆材料的钢球。其中外表面设有软包覆材料的钢球外径与球形空腔内径相等。其中，球形空腔半径R，软包覆材料的厚度d以及沿轨道板深度和宽度方向的周期性排布距离L根据弹性波禁带理论计算确定，其确定标准为理论计算中周期结构禁带低于铁路振动频率。
2.根据权利要求1所述的周期结构铁路轨道板，其特征在于，地铁的铁路振动频率在100Hz以内，地铁的铁路振动频率在50Hz以内。
3.根据权利要求1所述的周期结构铁路轨道板，其特征在于，L＝5cm、R＝3cm、d＝0.5cm。
4.根据权利要求1所述的周期结构铁路轨道板，其特征在于，沿轨道板长度方向的周期性排布距离L1为0.5m。
5.根据权利要求1所述的周期结构轨道板，其特征在于，所述的负质量软包覆材料采用橡胶。
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