CN112942319A - 一种地铁结构用耗能桩 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地铁结构用耗能桩，属于地铁设备领域。它包括顶部端头、桩身和底部端头，所述桩身为柱状，其顶部固定连接于顶部端头底部，桩身底部固定连接于底部端头顶部；所述顶部端头和底部端头的最大横截面积均大于桩身的横截面积；顶部端头和底部端头均采用添加高阻尼比弹性材料的混凝土，添加量均为3%~10%；桩身采用采用添加高阻尼比弹性材料的混凝土，添加量为2%~5%；本发明通过向耗能桩添加高阻尼比弹性材料，使得耗能桩的减振耗能效果有了极大的提升，且端头和桩身适宜的材料阻尼比的配合，结合端头扩大式的桩结构，能在较短的设计长度内，有效的减少鞭梢效应的影响，抑制桩底的振动放大现象。

Description

一种地铁结构用耗能桩
技术领域
本发明属于地铁设备领域，更具体地说，涉及一种地铁结构用耗能桩。
背景技术
随着地铁的大量建设，越来越多的地铁线路临近甚至穿越需要进行振动控制的建筑物，对此，行业主要通过振源处减振、振动传播途径隔振以及受振体隔振三方面进行振动控制，其中，振动传播途径隔振主要采用屏障隔振，用来阻碍或改变振动波向被保护区域的传播，从而减小被保护区域的地面、结构振动。
目前，众多学者研究发现，排桩减振是较好的隔振方式。但传统的等截面桩端部存在鞭梢效应，不得不增加桩体长度，降低桩端部振动放大带来的影响，这种处理方式会增大施工成本及施工难度；另外，现有的桩体结构难以隔离地表瑞利波的传播，减振效果非常有限。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种地铁结构用耗能桩，包括：顶部端头、桩身和底部端头，所述桩身为柱状，其顶部固定连接于顶部端头底部，桩身底部固定连接于底部端头顶部；所述顶部端头和底部端头的最大横截面积均大于桩身的横截面积。
根据本发明实施例的地铁结构用耗能桩，可选地，所述顶部端头和底部端头的最大横截面积与桩身的横截面积间存在如下关系：
S1=αS2；
S3=βS2；
式中，S1为顶部端头的最大横截面积；
S2为桩身的横截面积；
S3为底部端头的最大横截面积；
α为顶部端头的扩大系数，2≤α≤4；
β为底部端头的扩大系数，1.5≤β≤2.5。
根据本发明实施例的地铁结构用耗能桩，可选地，S1＞S3。
根据本发明实施例的地铁结构用耗能桩，可选地，所述顶部端头的一侧面侧向形成限位凸起，相对于限位凸起的另一侧面形成有形状相匹配的限位凹陷；多根耗能桩通过限位凸起和限位凹陷配合连接，呈排状布置于隧道或车站旁侧。
根据本发明实施例的地铁结构用耗能桩，可选地，多个配合连接呈排状的耗能桩布置于隧道或车站的两侧，且每侧布置有一排或多排耗能桩。
根据本发明实施例的地铁结构用耗能桩，可选地，
所述顶部端头的上表面与地面平齐；
设于隧道旁侧的耗能桩的底部端头与隧道最低点的垂直距离大于0.5倍的隧道半径；
设于车站旁侧的耗能桩的底部端头与车站最低点的垂直距离大于0.5倍的车站站台层高度。
根据本发明实施例的地铁结构用耗能桩，可选地，所述顶部端头和底部端头均采用添加高阻尼比弹性材料的混凝土，添加量均为3%~10%。
根据本发明实施例的地铁结构用耗能桩，可选地，所述桩身采用采用添加高阻尼比弹性材料的混凝土，添加量为2%~5%。
根据本发明实施例的地铁结构用耗能桩，可选地，所述高阻尼比弹性材料为橡胶颗粒、丁苯胶乳或聚氨酯中的一种。
根据本发明实施例的地铁结构用耗能桩，可选地，所述桩身材料的阻尼比为0.05~0.1；所述顶部端头和底部端头材料的阻尼比均为桩身材料阻尼比的1.5~2.0倍。
有益效果
相比于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：
（1）本发明的地铁结构用耗能桩，采用扩大了端头横截面的桩结构，能降低鞭梢效应对桩结构的影响；
（2）本发明的地铁结构用耗能桩，通过向耗能桩添加高阻尼比弹性材料，使得耗能桩的减振耗能效果有了极大的提升；
（3）本发明的地铁结构用耗能桩，端头和桩身适宜的材料阻尼比的配合，结合端头扩大式的桩结构，能在较短的设计长度内，有效的减少鞭梢效应的影响，抑制桩底的振动放大现象；
（4）本发明的地铁结构用耗能桩，顶部端头设有限位凸起与限位凹陷，若干耗能桩的顶部端头能通过限位凸起和限位凹陷相互配合，紧密连接成排状整体，可以有效抑制地表瑞利波的传播。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1示出了本发明的地铁结构用耗能桩单根结构示意图；
图2示出了本发明的地铁结构用耗能桩成排布置在隧道两侧的结构示意图；
图3示出了本发明的地铁结构用耗能桩成排布置在隧道两侧的俯视角结构示意图；
图4示出了本发明的地铁结构用耗能桩成排布置在隧道两侧的纵切面示意图；
图5示出了本发明的地铁结构用耗能桩成排布置在车站两侧的纵切面示意图；
图6为实施例2的减振效果示意图；
图7为实施例3的减振效果示意图；
图8为实施例4的减振效果示意图；
图9为实施例5的减振效果示意图；
图10为实施例6的减振效果示意图；
图11为实施例7的减振效果示意图；
附图标记：
1、顶部端头；10、限位凸起；11、限位凹陷；2、桩身；3、底部端头；4、隧道；5、车站。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
实施例1
本实施例的地铁结构用耗能桩，包括顶部端头1、桩身2和底部端头3，所述桩身2为柱状，其顶部固定连接于顶部端头1底部，桩身2底部固定连接于底部端头3顶部；顶部端头1和底部端头3的最大横截面积均大于桩身2的横截面积。
如图1所示，本实施例的耗能桩，两桩端的横截面尺寸大于桩身2的横截面尺寸，呈现出两端扩大的形状，可以在一定程度上削弱鞭梢效应对桩体底部带来的不利影响，进一步地，在本实施例中，顶部端头1和底部端头3的最大横截面积与桩身2的横截面积间存在如下关系：
S1=αS2；
S3=βS2；
式中，S1为顶部端头1的最大横截面积；
S2为桩身2的横截面积；
S3为底部端头3的最大横截面积；
α为顶部端头1的扩大系数，2≤α≤4；
β为底部端头3的扩大系数，1.5≤β≤2.5。
申请人研究发现，在地铁结构使用环境中，耗能桩的顶部端头1扩大系数及底部端头3扩大系数越大，对降低鞭梢效应带来的影响有着正效果，当顶部端头1的扩大系数α＜2、底部端头3的扩大系数β＜1.5时，对减少桩的鞭梢效应效果并不明显，而当顶部端头1的扩大系数α＞4、底部端头3的扩大系数β＞2.5时，桩的施工成本、施工难度会进一步增加，但带来减少鞭梢效应的效果提升缺并不高，兼顾考虑成本、施工难度及减少鞭梢效应的效果，本实施例控制顶部端头1的扩大系数2≤α≤4，底部端头3的扩大系数1.5≤β≤2.5。
进一步地，本实施例中α＞β，即S1＞S3，通过此设计能降低耗能桩的施工难度，且能更方便的使成排布置的相邻的耗能桩的顶部端头1间能有效接触连接。
如图1所示，耗能桩顶部端头1的一侧，侧向外凸起形成有限位凸起10，相对的另一侧，侧向内凹陷形成形状与限位凸起10向配合的限位凹陷11，若干耗能桩并排布置，一耗能桩顶部端头1的限位凸起10和与之相邻的另一耗能桩顶部端头1的限位凹陷11配合连接，如图2和图3所示，若干耗能桩沿着平行于地铁隧道4长度方向或车站5长度方向成排布置，顶部端头连接成整体，由此能起到抑制地表瑞利波传播的效果。
进一步地，本实施例的耗能桩，若干耗能桩成排布置在地铁的隧道4或车站5两侧，每根耗能桩均竖直布置，可在每侧布置一排耗能桩，也可在每侧布置多排耗能桩，依据对应地铁环境对减振效果的需求不同而设置。
申请人研究发现，混凝土的耗能桩在制作时，向其中添加一定量的高阻尼比弹性材料，会对耗能桩的减振耗能效果有着极大的提升，经试验表明，选择橡胶颗、丁苯胶乳或聚氨酯作为添加的高阻尼比弹性材料会获得最好的效果。
本实施例的耗能桩在制作时，桩身2部分高阻尼比弹性材料的添加量占桩身2材料总质量的2%~5%，成型的桩身2材料的阻尼比为0.05~0.1，能有效的强化耗能桩的减振耗能效果；顶部端头1和底部端头3部分高阻尼比弹性材料的添加量均占对应部分材料总质量的3%~10%，且最终成型的耗能桩，顶部端头1和底部端头3材料的阻尼比均为桩身2材料阻尼比的1.5~2.0倍。
申请人研究发现，对于本实施例的扩大了端头横截面的耗能桩结构，在添加了高阻尼比弹性材料后，耗能效果大大增加，且当顶部端头1和底部端头3材料的阻尼比均为桩身2材料阻尼比的1.5~2.0倍时，耗能桩能在较短的设计长度内，有效的减少鞭梢效应的影响，抑制桩底的振动放大现象。
目前的地铁结构中，采用耗能桩时为了降低鞭梢效应的影响，通常都采用增加桩体长度的方式，增大施工成本及施工难度，而采用本实施例的耗能桩结构组成：
在应用于隧道4旁时，顶部端头1的上表面与地面平齐，底部端头3与隧道4最低点的垂直距离只需大于0.5倍的隧道4半径，此时的耗能桩长度即可不必担心鞭梢效应对耗能桩有效使用寿命的影响，且隔振耗能效果有保证，比同环境下传统桩结构所需的桩体长度大大减少；
在应用于车站5旁时，顶部端头1的上表面与地面平齐，底部端头3与车站5最低点的垂直距离只需大于0.5倍的车站5站台层高度，此时的耗能桩长度即可不必担心鞭梢效应对耗能桩有效使用寿命的影响，且隔振耗能效果有保证，比同环境下传统桩结构所需的桩体长度大大减少。
本实施例中，顶部端头1、桩身2及底部端头3的横截面可为正方形、长方形、圆形或椭圆形等。
实施例2
本实施例中，耗能桩的顶部端头1、桩身2及底部端头3的横截面均采用正方形，其中，横截面尺寸为250mm×250mm，桩身2横截面积为0.0625m2，顶部端头1的扩大系数α=400%，底部端头3扩大系数β=196%，顶部端头1最大横截面尺寸为500mm×500mm，底部端头3最大横截面尺寸为350mm×350mm。
本实施例中，桩身2采用C25混凝土，橡胶颗粒添加量为2%，阻尼比为0.06；顶部端头1和底部端头3均采用添加3%橡胶颗粒的混凝土，阻尼比均为0.09，顶部端头1和底部端头3材料的阻尼比均为桩身2材料阻尼比的1.5倍。
本实施例中，地铁隧道4埋深7m，隧道4外径6m，取耗能桩桩长16.5m，单排布置在地铁隧道4两侧，如图4所示。
对本实施例的结构进行减振效果数值模拟，结果示意图为图6所示，图中黑色越深代表振动加速度值越大，如图6所示，高加速度区域范围局限于耗能桩内侧，说明本实施例能高效吸收地铁结构产生的振动能量，有效抑制振动波在地表及地下的传播。
实施例3
本实施例中，耗能桩的顶部端头1、桩身2及底部端头3的横截面均采用正方形，其中，横截面尺寸为250mm×250mm，桩身2横截面积为0.0625m2，顶部端头1的扩大系数α=400%，底部端头3扩大系数β=196%，顶部端头1最大横截面尺寸为500mm×500mm，底部端头3最大横截面尺寸为350mm×350mm。
本实施例中，桩身2采用C25混凝土，橡胶颗粒添加量为2%，阻尼比为0.06；顶部端头1和底部端头3均采用添加3%橡胶颗粒的混凝土，阻尼比均为0.09，顶部端头1和底部端头3材料的阻尼比均为桩身2材料阻尼比的1.5倍。
本实施例中，地铁车站5埋深9m，站台层高7m，取耗能桩桩长20m，单排布置在地铁车站5两侧，如图5所示。
对本实施例的结构进行减振效果数值模拟，结果示意图为图7所示，图中黑色越深代表振动加速度值越大，如图7所示，高加速度区域范围局限于耗能桩内侧，说明本实施例能高效吸收地铁结构产生的振动能量，有效抑制振动波在地表及地下的传播。
实施例4
本实施例中，耗能桩的顶部端头1、桩身2及底部端头3的横截面均采用正方形，其中，横截面尺寸为250mm×250mm，桩身2横截面积为0.0625m2，顶部端头1的扩大系数α=200%，底部端头3扩大系数β=150%，顶部端头1最大横截面尺寸为355mm×355mm，底部端头3最大横截面尺寸为305mm×305mm。
本实施例中，桩身2采用C25混凝土，丁苯胶乳添加量为5%，阻尼比为0.06；顶部端头1和底部端头3均采用添加10%丁苯胶乳的混凝土，阻尼比均为0.1，顶部端头1和底部端头3材料的阻尼比均为桩身2材料阻尼比的1.67倍。
本实施例中，地铁隧道4埋深7m，隧道4外径6m，取耗能桩桩长16.5m，单排布置在地铁隧道4两侧，如图4所示。
对本实施例的结构进行减振效果数值模拟，结果示意图为图8所示，图中黑色越深代表振动加速度值越大，如图8所示，高加速度区域范围局限于耗能桩内侧，说明本实施例能高效吸收地铁结构产生的振动能量，有效抑制振动波在地表及地下的传播。
实施例5
本实施例中，耗能桩的顶部端头1、桩身2及底部端头3的横截面均采用圆形，其中，横截面直径为300mm，桩身2横截面积为0.0707m2，顶部端头1的扩大系数α=350%，底部端头3扩大系数β=250%，顶部端头1最大横截面直径为560mm，底部端头3最大横截面尺寸为475mm。
本实施例中，桩身2采用C25混凝土，聚氨酯添加量为2.5%，阻尼比为0.08；顶部端头1和底部端头3均采用添加8%聚氨酯的混凝土，阻尼比均为0.144，顶部端头1和底部端头3材料的阻尼比均为桩身2材料阻尼比的1.8倍。
本实施例中，地铁隧道4埋深7m，隧道4外径6m，取耗能桩桩长16.5m，单排布置在地铁隧道4两侧，如图4所示。
对本实施例的结构进行减振效果数值模拟，结果示意图为图9所示，图中黑色越深代表振动加速度值越大，如图9所示，高加速度区域范围局限于耗能桩内侧，说明本实施例能高效吸收地铁结构产生的振动能量，有效抑制振动波在地表及地下的传播。
实施例6
本实施例中，耗能桩的顶部端头1、桩身2及底部端头3的横截面均采用正方形，其中，横截面尺寸为250mm×250mm，桩身2横截面积为0.0625m2，顶部端头1的扩大系数α=256%，底部端头3扩大系数β=196%，顶部端头1最大横截面尺寸为400mm×400mm，底部端头3最大横截面尺寸为350mm×350mm。
本实施例中，桩身2采用C25混凝土，橡胶颗粒添加量为5%，阻尼比为0.1；顶部端头1和底部端头3均采用添加10%橡胶颗粒的混凝土，阻尼比均为0.2，顶部端头1和底部端头3材料的阻尼比均为桩身2材料阻尼比的2.0倍。
本实施例中，地铁隧道4埋深7m，隧道4外径6m，取耗能桩桩长16.5m，单排布置在地铁隧道4两侧，如图4所示。
对本实施例的结构进行减振效果数值模拟，结果示意图为图10所示，图中黑色越深代表振动加速度值越大，如图10所示，高加速度区域范围局限于耗能桩内侧，说明本实施例能高效吸收地铁结构产生的振动能量，有效抑制振动波在地表及地下的传播。
实施例7
本实施例中，耗能桩的顶部端头1、桩身2及底部端头3的横截面均采用正方形，其中，横截面尺寸为250mm×250mm，桩身2横截面积为0.0625m2，顶部端头1的扩大系数α=256%，底部端头3扩大系数β=196%，顶部端头1最大横截面尺寸为400mm×400mm，底部端头3最大横截面尺寸为350mm×350mm。
本实施例中，桩身2采用C25混凝土，橡胶颗粒添加量为3%，阻尼比为0.09；顶部端头1和底部端头3均采用添加7%橡胶颗粒的混凝土，阻尼比均为0.14，顶部端头1和底部端头3材料的阻尼比均为桩身2材料阻尼比的1.56倍。
本实施例中，地铁隧道4埋深7m，隧道4外径6m，取耗能桩桩长16.5m，单排布置在地铁隧道4两侧，如图4所示。
对本实施例的结构进行减振效果数值模拟，结果示意图为图11所示，图中黑色越深代表振动加速度值越大，如图11所示，高加速度区域范围局限于耗能桩内侧，说明本实施例能高效吸收地铁结构产生的振动能量，有效抑制振动波在地表及地下的传播。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地铁结构用耗能桩，其特征在于：包括顶部端头、桩身和底部端头，所述桩身为柱状，其顶部固定连接于顶部端头底部，桩身底部固定连接于底部端头顶部；所述顶部端头和底部端头的最大横截面积均大于桩身的横截面积。
2.根据权利要求1所述的一种地铁结构用耗能桩，其特征在于，所述顶部端头和底部端头的最大横截面积与桩身的横截面积间存在如下关系：
S1=αS2；
S3=βS2；
式中，S1为顶部端头的最大横截面积；
S2为桩身的横截面积；
S3为底部端头的最大横截面积；
α为顶部端头的扩大系数，2≤α≤4；
β为底部端头的扩大系数，1.5≤β≤2.5。
3.根据权利要求2所述的一种地铁结构用耗能桩，其特征在于：S1＞S3。
4.根据权利要求1所述的一种地铁结构用耗能桩，其特征在于：所述顶部端头的一侧面侧向形成限位凸起，相对于限位凸起的另一侧面形成有形状相匹配的限位凹陷；多根耗能桩通过限位凸起和限位凹陷配合连接，呈排状布置于隧道或车站旁侧。
5.根据权利要求4所述的一种地铁结构用耗能桩，其特征在于：多个配合连接呈排状的耗能桩布置于隧道或车站的两侧，且每侧布置有一排或多排耗能桩。
6.根据权利要求1所述的一种地铁结构用耗能桩，其特征在于：
所述顶部端头的上表面与地面平齐；
设于隧道旁侧的耗能桩的底部端头与隧道最低点的垂直距离大于0.5倍的隧道半径；
设于车站旁侧的耗能桩的底部端头与车站最低点的垂直距离大于0.5倍的车站站台层高度。
7.根据权利要求1~6任意一条所述的一种地铁结构用耗能桩，其特征在于：所述顶部端头和底部端头均采用添加高阻尼比弹性材料的混凝土，添加量均为3%~10%。
8.根据权利要求7所述的一种地铁结构用耗能桩，其特征在于：所述桩身采用采用添加高阻尼比弹性材料的混凝土，添加量为2%~5%。
9.根据权利要求8所述的一种地铁结构用耗能桩，其特征在于：所述高阻尼比弹性材料为橡胶颗、丁苯胶乳或聚氨酯中的一种。
10.根据权利要求9所述的一种地铁结构用耗能桩，其特征在于：所述桩身材料的阻尼比为0.05~0.1；所述顶部端头和底部端头材料的阻尼比均为桩身材料阻尼比的1.5~2.0倍。
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