CN113846666B - 一种微振动多重控制基础及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微振动多重控制基础，包括第一级滤波系统和第二级滤波系统，其中：所述第一级滤波系统包括周期拓扑群桩、盖板和冠梁；所述盖板将所述周期拓扑群桩进行固定以防其侧移，所述冠梁固定于所述周期拓扑群桩的顶部；所述第二级滤波系统包括钢弹簧和T形承台；所述T形承台包括上部平台与下部凸起，所述上部平台通过多个钢弹簧搭载于所述冠梁的顶部，所述下部凸起穿过所述冠梁之间的中空空间和所述周期拓扑群桩之间的中空空间向下延伸，且所述下部凸起的底面与所述盖板之间存在缝隙。本发明设计了一种由周期拓扑群桩和质量‑弹簧系统共同构成的微振动多重控制基础，除建筑基础所具有的传统承载功能外，还赋予其微振动控制功能。

Description

一种微振动多重控制基础及其控制方法

技术领域

本发明涉及精密仪器微振动控制技术领域，特别是涉及一种微振动多重控制基础及其控制方法。

背景技术

随着科技领域不断创新和高端制造业等高新技术产业的大规模发展，城市内精密仪器和超精密仪器大量涌现，涉及生物科学、电子光学、精密机械加工、舰船、航天器等诸多领域，这些精密仪器对使用环境要求极高。城市路面交通或地铁运行所引起的环境振动会对上述精密仪器的正常使用造成威胁，导致读数失准、呈像模糊，严重的甚至会出现设备故障。影响精密仪器使用的振动通常被称为微振动，达到微米级，控制难度大。

按照常规振动的产生和传播机理来看，振动控制方法包括源头控制、切断传播路径以及敏感点处保护。振动通过建筑基础路径传入到室内，进而影响到精密仪器使用。因此，可以考虑对建筑基础进行特殊设计，实现承载和微振动控制双重功效。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的环境振动会对上述精密仪器的正常使用造成威胁，导致读数失准、呈像模糊等问题，而提供一种微振动多重控制基础。

本发明的另一目的是提供一种所述微振动多重控制基础的控制方法。

本发明的另一目的是提供一种基于所述微振动多重控制基础的建筑结构。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种微振动多重控制基础，包括第一级滤波系统和第二级滤波系统，其中：

所述第一级滤波系统包括周期拓扑群桩、盖板和冠梁；所述盖板将所述周期拓扑群桩进行固定以防其侧移，所述冠梁固定于所述周期拓扑群桩的顶部；

所述第二级滤波系统包括钢弹簧和T形承台；所述T形承台包括呈一体结构的上部平台与下部凸起，所述上部平台通过多个钢弹簧搭载于所述冠梁的顶部，所述下部凸起穿过所述冠梁之间的中空空间和所述周期拓扑群桩之间的中空空间向下延伸，且所述下部凸起的底面与所述盖板之间存在缝隙。

在上述技术方案中，所述第一级滤波系统的隔振频段高于第二级滤波系统的隔振频段，所述缝隙大于所述钢弹簧的极限变形量。

在上述技术方案中，所述周期拓扑群桩由单桩按照周期性和/或对称性进行空间拓扑形成，每一所述单桩为方桩或圆桩，每一单桩均与盖板固定连接，所述盖板将所有单桩覆盖，所述周期拓扑群桩的外周单桩上延至所述盖板的上方，所述冠梁固定于所述外周单桩的顶部，所述周期拓扑群桩的中部单桩的顶部与所述盖板固定连接。

在上述技术方案中，所述周期拓扑群桩为正方晶格、三角晶格或者长方晶格的周期结构。

在上述技术方案中，所述周期拓扑群桩为混凝土桩、空心钢管桩或填土钢管桩，优选的，所述周期拓扑群桩为混凝土桩，且与所述盖板整体浇筑成型。

在上述技术方案中，每一单桩均竖直设置，所述盖板水平设置，所述盖板的厚度均匀，每一所述冠梁均水平放置且横截面的形状大小相同，所述冠梁的首尾依次连接形成冠梁环；所述下部凸起穿过所述冠梁环的中空空间。

在上述技术方案中，所述钢弹簧受力均匀，所述钢弹簧一一对应设置所述单桩的正上方，或者一一对应设置在相邻的两个单桩中间位置的正上方，所述钢弹簧的固有频率乘以

后小于第一级滤波系统的减振起始频率。

在上述技术方案中，所述上部平台的横截面与所述下部凸起的横截面的形状相同，且所述上部平台的横截面面积大于所述下部凸起的横截面的面积；

所述上部平台的边缘与所述冠梁环及所述盖板的边缘上下对齐，或者所述上部平台的边缘突出于所述冠梁环及所述盖板的边缘；

所述上部平台的高度为m，下部凸起的高度为n，所述上部平台的边长为q，则1/3*q≤m+n≤2/3*q。

本发明的另一方面，提供了一种所述微振动多重控制基础的控制方法，具体的，第一级滤波系统通过周期结构带隙理论隔离环境振动，进行第一次散射隔离和振动削减，然后第二级滤波系统通过单自由度系统振动机理，进行第二次耗能滤波，进一步衰减第一级滤波系统的振动能量，削减环境振动，在减振频段上，所述第一级滤波系统和第二级滤波系统形成互补。

本发明的另一方面，提供了一种建筑结构，包括所述的微振动多重控制基础，所述微振动多重控制基础位于隔离墙内，所述上部平台与建筑中的地面相齐平，所述上部平台的边缘与所述地面之间存在间隙。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明根据周期结构带隙理论以及单自由度系统振动机理，将其设计为一种由周期拓扑群桩和质量-弹簧系统共同构成的微振动多重控制基础，除建筑基础所具有的传统承载功能外，还赋予其微振动控制功能。

2.第一级滤波系统具备20Hz以上的带隙特性，可有效衰减20Hz以上的环境振动；第二级滤波系统自振频率可低至3~4Hz，减振起始频率可低至6Hz，除了进一步衰减第一级滤波系统的振动能量外，在减振频段上可与第一级滤波系统互补，弥补其在低频段的不足。

3.本发明的微振动多重控制基础与邻近地板和基础分离，有效隔离了房间内人员走动、开关门窗和其他设备运转产生振动带来的干扰。

附图说明

图1为本发明提供的一种微振动多重控制基础应用示意图；

图2为实施例3中一种微振动多重控制基础正视图的示意图；

图3为实施例3中一种微振动多重控制基础侧视图的示意图；

图4为实施例3中一种微振动多重控制基础A-A剖面图；

图5为实施例3中一种微振动多重控制基础B-B剖面图；

图6为实施例3中一种微振动多重控制基础C-C剖面图；

图7为实施例3中一种微振动多重控制基础D-D剖面图；

图8为实施例3中一种微振动多重控制基础E-E剖面图；

图9为实施例3中一种微振动多重控制基础F-F剖面图；

图10为实施例3中一种微振动多重控制基础一级滤波系统带隙特性分析图；

图11为实施例4中一种微振动多重控制基础正视/侧视图的示意图；

图12为实施例4中一种微振动多重控制基础G-G剖面图；

图13为实施例4中一种微振动多重控制基础T形承台5俯视图的示意图；

图14为实施例4中一种微振动多重控制基础T形承台5正视图/侧视图的示意图；

图15为实施例4中一种微振动多重控制基础一级滤波系统带隙特性分析图。

图中：1-周期拓扑群桩，2-盖板，3-冠梁，4-钢弹簧，5-T形承台，5-1-上部平台，5-2-下部凸起，6-地板，7-隔离墙。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种微振动多重控制基础，如图1至图10所示，所述微振动多重控制基础与邻近的地板6分离，包括由周期拓扑群桩1、盖板2和冠梁3构成的第一级滤波系统，以及由钢弹簧4和T形承台5构成的第二级滤波系统。

所述盖板2固定于所述周期拓扑群桩1的中上部，用于限定周期拓扑群桩1的位置防止侧移，所述冠梁3固定于所述周期拓扑群桩1的顶部，所述冠梁3位于所述盖板2的上方；所述T形承台5包括上部平台5-1与下部凸起5-2，所述上部平台5-1通过钢弹簧4搭载于所述冠梁3的顶部，所述下部凸起5-2穿过所述冠梁3之间的中空空间和所述周期拓扑群桩1之间的中空空间向下延伸，所述T形承台5及其上部物体的压力可通过所述钢弹簧4传递给所述冠梁3。所述冠梁3除了具备承载功能外，还起到对所述T形承台5限位作用。所述下部凸起5-2的底面与所述盖板2之间存在缝隙，所述缝隙大于所述钢弹簧的极限变形量。当所述T形承台5出现异常沉降时，所述盖板2可作为支挡结构来控制T形承台5的竖向位移，起到竖向二级限位的作用。

所述冠梁3为第二级滤波系统的承载结构及侧向限位结构，所述盖板2为第二级滤波系统的竖向限位结构，所述第一级滤波系统隔振频段要高于第二级滤波系统隔振频段，形成隔振频段的互补。

所述周期拓扑群桩1由单桩按照周期性和/或对称性进行空间拓扑形成，所述盖板2将所有单桩覆盖，所述周期拓扑群桩1的外周单桩上延至所述盖板2的上方，所述冠梁3搭载于所述外周单桩的顶部，所述周期拓扑群桩1的中部单桩的顶部与所述盖板2固定连接，也就是，所述盖板2之上仅有最外圈的周期拓扑群桩1继续向上延伸，其余周期拓扑群桩1不再向上拓展，形成中空空间可将所述T形承台5插入。所述单桩按照周期性和对称性进行空间拓扑，比如：正方晶格、三角晶格或者长方晶格的周期结构，从而具有周期结构带隙特性，实现对特定频段振动的控制。

所述周期拓扑群桩1为混凝土桩、空心钢管桩或填土钢管桩，每一所述单桩为方桩或圆桩，优选的，所述周期拓扑群桩1为混凝土桩，且与所述盖板2、冠梁3整体浇筑成型，所述盖板2厚度均匀、覆盖全部周期拓扑群桩1，可有效控制周期拓扑群桩1的侧向位移，并增加周期拓扑群桩1的横向刚度。当周期拓扑群桩1采用混凝土结构时，可通过增加桩间距、减小桩径来降低第一级滤波系统的减振起始频率，可通过减小桩间距、增大桩径来拓宽第一级滤波系统的减振带宽。

所述盖板2的厚度均匀、水平设置，每一所述冠梁3均水平放置且横截面的形状大小相同，多个所述冠梁3的首尾依次连接形成冠梁环；所述下部凸起5-2穿过所述冠梁环的中空空间，所述冠梁环可限制所述最外圈的周期拓扑群桩1的横向位移、增加横向刚度，限制所述T形承台5的横向位移。

所述上部平台5-1的边缘与所述冠梁环及所述盖板2的边缘上下对齐，或者所述上部平台5-1的边缘突出于所述冠梁环及所述盖板2的边缘，所述上部平台5-1的高度为m，下部凸起5-2的高度为n，优选的，所述上部平台5-1的边长为q，则1/3*q≤m+n≤2/3*q，起到更好的防倾覆稳定效果，使受力更合理、经济性更优。

所述钢弹簧4均匀布置在所述冠梁3之上，优选的，所述钢弹簧4均对应设置所述单桩的正上方，或者对应设置在相邻的两个单桩中间位置的正上方。所述钢弹簧4的固有频率乘以

后小于第一级滤波系统的减振起始频率。

第一级滤波系统通过周期结构带隙理论隔离环境振动，进行第一次滤波隔离（散射滤波）和振动削减，然后第二级滤波系统通过单自由度系统振动机理第二次耗能滤波，削减环境振动，第一滤波系统隔离20Hz以上的环境振动，第二滤波系统隔离6Hz以上的振动。

实施例2

一种建筑结构，包括实施例1的微振动多重控制基础，所述微振动多重控制基础位于隔离墙7内，所述上部平台5-1与建筑中的地面相齐平，精密仪器放置在所述上部平台5-1上，所述上部平台5-1的边缘与所述地面之间存在间隙。防止人员走动、开关门窗和其他设备运转产生振动带来的干扰。

实施例3

所述第一级滤波系统减振频段由所述周期拓扑群桩1带隙特性决定。所述周期拓扑群桩1中，每一根单桩均为方桩，即横截面为正方形，边长a=1.5m；桩间净距b=0.5m，桩之间等距离布置，排与排、列与列之间互相对其，共布置4排、4列。

本实施例中除了所述钢弹簧4以外，全部采用混凝土材料。所述盖板2与周期拓扑群桩1整体浇筑，且厚度均匀、覆盖全部周期拓扑群桩1，所述盖板2之上仅有最外圈的周期拓扑群桩1继续向上延伸，其余周期拓扑群桩1不再向上拓展，形成中空空间可将所述T形承台5插入。所述盖板2的高度h2=0.6m，所述盖板2的下桩长h1=0.4m。所述冠梁3的梁高h4=1m，所述冠梁3的梁宽1.5m，与桩等宽。所述盖板2与所述冠梁3之间部分的所述周期拓扑群桩1的桩长度h3=1m。

所述T形承台5由上部平台5-1与下部凸起5-2共同构成，所述T形承台5的上部平台5-1的高度m=1m，俯视图为边长为q=7.5m的正方形；下部凸起5-2的高度n=2.5m，俯视图为边长为p=3.5m的正方形。所述盖板2上表面距所述T形承台5底部具有细小的缝隙，所述缝隙略大于所述钢弹簧4的极限变形量，所述T形承台5的上部平台5-1覆盖冠梁环及所述盖板2，所述钢弹簧4的弹性模量为30Gpa，泊松比为0.2，密度为2500kg/m，穿越所述盖板2继续延伸的最外圈周期拓扑群桩1顶部由所述冠梁3搭接，形成闭合的冠梁环，冠梁3水平放置且横截面一致。所述钢弹簧4动力特性要求如下：竖向自振频率4Hz，横向自振频率3Hz，阻尼比0.03。所述钢弹簧4布置在所述冠梁3之上，所述钢弹簧4在周期拓扑群桩1的两桩中间的正方向。

所述第二级滤波系统减振频段由所述钢弹簧4的固有频率确定，所述钢弹簧4的固有频率乘以

后小于第一级滤波系统的减振起始频率。所述第二级滤波系统包括所述钢弹簧4和所述T形承台5构成的质量-弹簧系统，所述T形承台5的下部凸起5-2插入由冠梁3搭接形成的冠梁环，所述T形承台5和冠梁环通过所述的钢弹簧4连接，按照上述技术方案，如图10所示，一级滤波系统带隙产生频段是25~39Hz，因此减振频段主要是在该频段；二级滤波系统减振频段主要是在5Hz以上，可在一级滤波系统基础上进一步拓宽减振频段、提升衰减效果。

实施例4

在实施例1的基础上，为更好的理解本发明的技术特征和实施方式，简单给出实施例4。如图11至图14所示，周期拓扑群桩1中，每一根单桩均为圆桩，即横截面为圆形，直径1.5m；桩间净距0.5m，布置方式采取梅花桩形式（按照三角晶格布置）。本实施例中除了所述钢弹簧4以外，全部采用混凝土材料，弹性模量为30Gpa，泊松比为0.2，密度为2500kg/m³。盖板2高度0.6m，盖板2下桩长0.4m。冠梁3梁高1m，梁宽1.5m，与桩等宽。盖板2与冠梁3之间部分的周期拓扑群桩1桩长度1m。T形承台5上半部平台部分高度m=1m，俯视图为边长为q=3m的六边形；下半部分凸起高度n=2.5m，俯视图为边长为p=1.2m的六边形。钢弹簧4动力特性要求如下：竖向自振频率4Hz，横向自振频率3Hz，阻尼比0.03，钢弹簧布置在桩正上方。按照上述技术方案，如图15所示，一级滤波系统带隙产生频段是27~59Hz和69~78Hz，因此减振频段主要是在该频段；二级滤波系统减振频段主要是在5Hz以上，可在一级滤波系统基础上进一步拓宽减振频段、提升衰减效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微振动多重控制基础，其特征在于，包括第一级滤波系统和第二级滤波系统，其中：

所述第一级滤波系统包括周期拓扑群桩、盖板和冠梁；所述盖板将所述周期拓扑群桩进行固定以防其侧移，所述冠梁固定于所述周期拓扑群桩的顶部；

所述第二级滤波系统包括钢弹簧和T形承台；所述T形承台包括呈一体结构的上部平台与下部凸起，所述上部平台通过多个钢弹簧搭载于所述冠梁的顶部，所述下部凸起穿过所述冠梁之间的中空空间和所述周期拓扑群桩之间的中空空间向下延伸，且所述下部凸起的底面与所述盖板之间存在缝隙；

所述周期拓扑群桩由单桩按照周期性和对称性进行空间拓扑形成，每一单桩均与盖板固定连接，所述盖板将所有单桩覆盖，所述周期拓扑群桩的外周单桩上延至所述盖板的上方，所述冠梁固定于所述外周单桩的顶部，所述周期拓扑群桩的中部单桩的顶部与所述盖板固定连接，所述第一级滤波系统的隔振频段高于第二级滤波系统的隔振频段；

所述周期拓扑群桩为正方晶格、三角晶格或者长方晶格的周期结构；

第一级滤波系统通过周期结构带隙理论阻隔环境振动，进行第一次散射滤波和振动削减，然后第二级滤波系统通过单自由度系统振动机理，进行第二次耗能滤波，进一步衰减第一级滤波系统的振动能量，削减环境振动，在减振频段上，所述第一级滤波系统和第二级滤波系统形成互补。

2.如权利要求1所述的微振动多重控制基础，其特征在于，所述缝隙大于所述钢弹簧的极限变形量。

3.如权利要求1所述的微振动多重控制基础，其特征在于，每一所述单桩为方桩或圆桩。

4.如权利要求1所述的微振动多重控制基础，其特征在于，所述周期拓扑群桩为混凝土桩、空心钢管桩或填土钢管桩，当所述周期拓扑群桩为混凝土桩时，与所述盖板整体浇筑成型。

5.如权利要求1所述的微振动多重控制基础，其特征在于，每一单桩均竖直设置，所述盖板水平设置，所述盖板的厚度均匀，每一所述冠梁均水平放置且横截面的形状大小相同，所述冠梁的首尾依次连接形成冠梁环；所述下部凸起穿过所述冠梁环的中空空间。

6.如权利要求3所述的微振动多重控制基础，其特征在于，所述钢弹簧受力均匀，所述钢弹簧一一对应设置所述单桩的正上方，或者一一对应设置在相邻的两个单桩中间位置的正上方，所述钢弹簧的固有频率乘以

后小于第一级滤波系统的减振起始频率。

7.如权利要求5所述的微振动多重控制基础，其特征在于，所述上部平台的横截面与所述下部凸起的横截面的形状相同，且所述上部平台的横截面面积大于所述下部凸起的横截面的面积；

所述上部平台的边缘与所述冠梁环及所述盖板的边缘上下对齐，或者所述上部平台的边缘突出于所述冠梁环及所述盖板的边缘；

所述上部平台的高度为m，下部凸起的高度为n，所述上部平台的边长为q，则1/3*q≤m+n≤2/3*q。

8.一种如权利要求1所述的微振动多重控制基础的控制方法，其特征在于，第一级滤波系统通过周期结构带隙理论阻隔环境振动，进行第一次散射滤波和振动削减，然后第二级滤波系统通过单自由度系统振动机理，进行第二次耗能滤波，进一步衰减第一级滤波系统的振动能量，削减环境振动，在减振频段上，所述第一级滤波系统和第二级滤波系统形成互补。

9.一种建筑结构，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的微振动多重控制基础，所述微振动多重控制基础位于隔离墙内，所述上部平台与建筑中的地面相齐平，所述上部平台的边缘与所述地面之间存在间隙。

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