CN113982024A - 一种局域共振型建筑隔振基础 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种局域共振型建筑隔振基础，所述建筑隔振基础由局域共振型波阻单元沿单方向、平面方向或空间方向进行拓扑构成，所述局域共振型波阻单元由内到外依次为刚性芯体、弹性包裹层以及承载力外框架。本发明采用局域共振型声子晶体禁带理论对建筑基础进行特殊设计，改变结构几何尺寸和材料组成，可实现对禁带及隔振频段的主动调节与控制，在实现承载功能的同时，达到微振动控制目标。

Description

一种局域共振型建筑隔振基础
技术领域
本发明涉及精密仪器微振动控制技术领域，特别是涉及一种局域共振型建筑隔振基础。
背景技术
随着城市化进程加速，城市路面交通、地铁列车运行以及建筑施工产生的振动严重影响周边精密仪器设备的正常使用，这种矛盾解决不好会直接导致巨大的经济与社会损失，可能会引起一些高科技产品的核心部件如芯片和大规模集成电路等加工异常，制约生物科学、电子光学、精密机械加工等高新技术产业发展，影响到舰船、航天器的生命力。影响精密仪器使用的振动通常被称为微振动，主要是因为振动传入到室内后以20Hz以下低频、微米级小振幅为主，此类振动控制难度大。
近年来，局域共振型声子晶体的快速发展给声振控制提供了全新的角度，得到了广泛关注。因此，可以考虑利用局域共振型声子晶体存在低频禁带特点，对建筑基础进行特殊隔振设计，赋予建筑基础微振动控制的附加功能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中微米级小振幅振动控制难度大的问题，而提供一种局域共振型建筑隔振基础。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种局域共振型建筑隔振基础，所述建筑隔振基础铺设于建筑物下方，所述建筑隔振基础由局域共振型波阻单元沿单方向、平面方向或空间方向进行相邻拓扑构成，所述局域共振型波阻单元为梁单元或块体单元，所述局域共振型波阻单元由内到外依次为刚性芯体、弹性包裹层以及承载力外框架。
在上述技术方案中，所述刚性芯体的材质为铸铁、铸钢、铅或铜；所述弹性包裹层的材质为橡胶或聚氨酯；所述承载力外框架的材质为混凝土。
在上述技术方案中，所述刚性芯体的填充率为25~50%；所述弹性包裹层填充率为10~40%；所述弹性包裹层的弹性模量小于0.2MPa。
在上述技术方案中，由于结构承载力需求，所述弹性包裹层加刚性芯体二者的总填充率不超过65%。
在上述技术方案中，所述拓扑结构为单方向拓扑时，所述局域共振型波阻单元为梁单元，所述梁单元沿着振动传播的水平方向相邻的周期性排列布置。
在上述技术方案中，所述拓扑结构为平面方向拓扑时，所述局域共振型波阻单元为梁单元或块体单元；
所述局域共振型波阻单元为梁单元时，所述梁单元沿着振动传播的水平方向以及竖直方向这两个方向进行相邻的周期性排列布置；
所述局域共振型波阻单元为块体单元时，所述块体单元沿着振动传播的水平方向以及与其正交的水平方向这两个方向进行相邻的周期性排列布置。
在上述技术方案中，所述拓扑结构沿空间方向拓扑，所述局域共振型波阻单元为块体单元，所述块体单元拓扑方向为沿着振动传播的水平方向以及与其正交水平方向、竖直方向等三个方向进行相邻的周期性排列布置。
在上述技术方案中，所述局域共振型波阻单元每一个方向上的拓扑数量不少于3，所述建筑隔振基础外沿超过建筑外立面不少于0.5m。
在上述技术方案中，所述局域共振型波阻单元间采用浇筑或采用卡槽及螺栓锚固形式连接，形成所述的建筑隔振基础。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明根据微振动低频、小幅值特点，采用局域共振型声子晶体禁带理论对建筑基础进行特殊设计，改变结构几何尺寸和材料组成，可实现对禁带及隔振频段的主动调节与控制，在实现承载功能的同时，达到微振动控制目标。
2.本发明可显著衰减20Hz以下（最低可达到6Hz，覆盖建筑结构主要振型频率）低频、微米级小振幅振动，微振动控制优势突出。
3.本发明可以通过对刚性芯体和弹性包裹层的填充率、弹性包裹层的弹性模量的调整，调整建筑隔振基础减振段带宽，对刚性芯体的密度调整，从而调整建筑隔振基础减隔振起始频率。
附图说明
图1所示为立方体局域共振型波阻单元（块体单元），其中a为立体图，b为剖面图，c为透视图，b1为a中A-A剖面图，b2为a中B-B剖面图，b3为a中C-C剖面图；
图2所示为长方体局域共振型波阻单元（梁单元）；
图3所示为梁单元沿单方向拓扑构成的建筑隔振基础；
图4所示为梁单元沿单方向拓扑构成的建筑隔振基础应用示意图；
图5所示为梁单元沿单方向拓扑构成的建筑隔振基础具体布置示意图；
图6所示为实施例2中建筑隔振基础的禁带图；
图7所示为梁单元沿平面方向拓扑构成的建筑隔振基础；
图8所示为梁单元沿平面方向拓扑构成的建筑隔振基础应用示意图；
图9所示为实施例3中建筑隔振基础的禁带图；
图10所示为块体单元沿空间方向拓扑构成的建筑隔振基础；
图11所示为块体单元沿空间方向拓扑构成的建筑隔振基础应用示意图；
图12所示为实施例4中建筑隔振基础的禁带图；
图13所示为块体单元沿平面方向拓扑构成的建筑隔振基础；
图14所示为块体单元沿平面方向拓扑构成的建筑隔振基础应用示意图；
图15所示为块体单元沿平面方向拓扑构成的建筑隔振基础具体布置示意图；
图16所示为实施例5中建筑隔振基础的禁带图。
图17是实施例6中建筑隔振基础的禁带图。
图18是实施例7中建筑隔振基础的禁带图。
图19是实施例8中建筑隔振基础的禁带图。
图20是实施例9中建筑隔振基础的禁带图。
图21是实施例10中建筑隔振基础的禁带图。
图中：1-局域共振型波阻单元，1-1-刚性芯体，1-2-弹性包裹层，1-3-承载力外框架。
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
一种局域共振型建筑隔振基础，所述局域共振型建筑隔振基础是由局域共振型波阻单元1通过相邻拓扑构成的拓扑结构，所述局域共振型波阻单元1为三个正交方向尺寸接近的块体单元或两个方向尺寸接近、第三个方向尺寸远大于另外两个方向尺寸的梁单元，所述拓扑结构为所述局域共振型波阻单元1沿单方向、平面方向或空间方向三种维度进行拓扑。所述局域共振型建筑隔振基础不仅具有承载能力，还附带隔离6Hz超低频微振动作用，能够覆盖建筑结构的主要振型频率。
所述局域共振型波阻单元1由内到外依次为刚性芯体1-1、弹性包裹层1-2以及承载力外框架1-3。其中，所述刚性芯体1-1的材质为铸铁、铸钢、铅、铜或其它密度大的金属材料；所述弹性包裹层1-2的材质可为橡胶或聚氨酯；所述承载力外框架1-3为能提供足够承载力的建筑材料，优选为混凝土。
所述刚性芯体1-1的填充率为25%~50%；所述弹性包裹层1-2的填充率为10~40%；所述弹性包裹层1-2的弹性模量小于0.2MPa；增加所述刚性芯体1-1的填充率，可有效拓宽减振频段带宽；增加所述弹性包裹层1-2的填充率，可有效降低隔振起始频率；减小所述承载力外框架1-3的体积，可有效拓宽减振频段带宽。增大所述弹性包裹层1-2的弹性模量时，可有效拓宽减振频段带宽。增大所述刚性芯体1-1的密度，可有效降低减隔振起始频率。
所述弹性包裹层1-2加刚性芯体1-1二者的总填充率不超过65%，可有效提高局域共振型建筑隔振基础的承载能力和结构稳定性。
通过上述方式，调节所述局域共振型波阻单元1的几何尺寸和材料组成，可调节所述局域共振型建筑隔振基础的隔振频率范围，最低可隔离6Hz的超低频微振动，能够覆盖建筑结构的主要振型频率。
所述拓扑结构为单方向拓扑时，所述局域共振型波阻单元1为梁单元，所述梁单元沿着振动传播的水平方向相邻的周期性排列布置，所述局域共振型建筑隔振基础外沿超过建筑外立面不少于0.5m。
所述拓扑结构为平面方向拓扑时，所述局域共振型波阻单元1为梁单元或块体单元；
所述局域共振型波阻单元1为梁单元，所述梁单元沿着振动传播的水平方向以及竖直方向这两个方向进行相邻的周期性排列布置，布置范围超过建筑外立面不少于0.5m；所述局域共振型波阻单元1为块体单元，所述块体单元沿着振动传播的水平方向以及与其正交的水平方向这两个方向进行相邻的周期性排列布置，布置范围超过建筑外立面不少于0.5m；所述拓扑结构沿空间方向拓扑，所述局域共振型波阻单元1为块体单元，所述块体单元拓扑方向为沿着振动传播的水平方向以及与其正交水平方向、竖直方向等三个方向进行相邻的周期性排列布置，所述局域共振型建筑隔振基础外沿超过建筑外立面不少于0.5m。
所述局域共振型波阻单元1在每一方向拓扑数量不少于3。所述局域共振型波阻单元1间采用浇筑或采用卡槽及螺栓锚固形式连接，形成局域共振型建筑隔振基础。
实施例2
本实施例为实施例1的一种具体实施方式，一种局域共振型建筑隔振基础，由预制的局域共振型波阻单元1通过拓扑设计构成，所述局域共振型波阻单元1可设计为正方体（图1，即块体单元）或长方体（图2，即梁单元）。所述局域共振型波阻单元1由内至外依次为刚性芯体1-1、弹性包裹层1-2和承载力外框架1-3，所述刚性芯体1-1采用铸铁材料，材料参数：弹性模量210000MPa，密度7800kg/m3，泊松比0.275；所述弹性包裹层1-2采用橡胶材料，材料参数：弹性模量0.137MPa，密度1300kg/m3，泊松比0.463；所述承载力外框架1-3采用混凝土材料，材料参数：弹性模量30000MPa，密度2500kg/m3，泊松比0.2。
以图2所示预制梁单元作为所述局域共振型波阻单元1，几何参数a=1.0m，b=0.8m，c=0.6m。所述刚性芯体的填充率为36%；所述弹性包裹层填充率为28%，两者的总填充率为64%，如图3所示，所述局域共振型建筑隔振基础由该局域共振型波阻单元1沿振动传播的水平方向进行单方向的周期拓扑，如图4-图5所示，布置在建筑下方，具体的，拓扑周期数以及局域共振型波阻单元1中L尺寸取值视建筑尺寸决定，必要的，所述局域共振型建筑隔振基础需扩展出建筑外立面不少于0.5m。按照上述构造方式，所述局域共振型建筑隔振基础的禁带分布如图6所示，在该实施例中的局域共振型建筑隔振基础作用下，8.5Hz~13.2Hz频率范围内的振动将得到有效衰减。
实施例3
本实施例采用实施例2的预制梁单元，所述局域共振型建筑隔振基础由局域共振型波阻单元1沿振动传播的水平方向以及竖直方向进行平面方向的周期拓扑，如图7-图8所示，布置在建筑下方。具体的，拓扑周期数以及局域共振型波阻单元1中L尺寸取值视建筑尺寸决定，必要的，所述局域共振型建筑隔振基础需扩展出建筑外立面不少于0.5m。按照上述构造方式，可形成图9的禁带分布。由图9可知，在该实施例中的局域共振型建筑隔振基础作用下，8.5Hz~16.5Hz频率范围内的振动将得到有效衰减。
实施例4
以图1所示预制块体单元作为所述局域共振型波阻单元1，所述刚性芯体1-1、弹性包裹层1-2和承载力外框架1-3的材质依次为铸铁、橡胶、混凝土，材料参数与实施例2相同。几何参数a=1.5m，b=0.9m，c=0.75m，所述刚性芯体的填充率为25%；所述弹性包裹层填充率为11%，两者的总填充率为36%。所述局域共振型建筑隔振基础由该局域共振型波阻单元1沿振动传播的水平方向、正交的水平方向以及竖直方向进行空间方向的周期拓扑，如图10-图11所示，布置在建筑下方，具体的，拓扑周期数以及局域共振型波阻单元1中L尺寸取值视建筑尺寸决定，必要的，所述局域共振型建筑隔振基础需扩展出建筑外立面不少于0.5m。按照上述构造方式，可形成图12的禁带分布。由图11所示，在该实施例中的局域共振型建筑隔振基础作用下，9Hz~12Hz频率范围内的振动将得到有效衰减。
实施例5
本实施例采用与实施例4相同的预制块体单元，将所述局域共振型波阻单元1沿振动传播的水平方向、正交的水平方向进行平面的周期拓扑，可形成如图13-图15所示的局域共振型建筑隔振基础。由图16所示，在该实施例中的局域共振型建筑隔振基础作用下，10Hz~13Hz频率范围内的振动将得到有效衰减。
实施例6
本实施例将实施例2中的刚性芯体1-1的材质由铸铁换成铅材料，铅材料参数：弹性模量17GPa，密度11344kg/m3，泊松比0.42，其他条件保持不变。
如4图所示，将梁单元沿单一方向周期构造。由图17所示，在该实施例中的局域共振型建筑隔振基础作用下，7~16Hz频率范围内的振动将得到有效衰减。
实施例7
本实施例将实施例2中的刚性芯体1-1的材质由铸铁换成铜，铜的材料参数：弹性模量106GPa，密度8900kg/m3，泊松比0.324，其他条件保持不变。
如4图所示，将梁单元沿单一方向周期构造。由图18所示，在该实施例中的局域共振型建筑隔振基础作用下，8~16Hz频率范围内的振动将得到有效衰减。
实施例8
改变实施例6中的填充率，其他条件不变，具体的，以图2所示预制梁单元作为所述局域共振型波阻单元1，几何参数a=1.0m，b=0.8m，c=0.68m。刚性芯体、弹性包裹层填充率分别为46.24%、17.76%，总填充率64%。
如4图所示，将梁单元沿单一方向周期构造。由图19所示，在该实施例中的局域共振型建筑隔振基础作用下，9~22Hz频率范围内的振动将得到有效衰减。
实施例9
改变实施例8中的填充率，其他条件不变，具体的，以图2所示预制梁单元作为所述局域共振型波阻单元1，几何参数a=1.0m，b=0.8m，c=0.5m。刚性芯体、弹性包裹层填充率分别为25%、39%，总填充率64%。
如4图所示，将梁单元沿单一方向周期构造。由图20所示，在该实施例中的局域共振型建筑隔振基础作用下，6~9、18~20Hz频率范围内的振动将得到有效衰减。
实施例10
改变实施例2中的弹性模量为0.2MPa，其他条件不变。如4图所示，将梁单元沿单一方向周期构造。由图21所示，在该实施例中的局域共振型建筑隔振基础作用下，9~14Hz和27~28 Hz频率范围内的振动将得到有效衰减。
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 (8)

1.一种局域共振型建筑隔振基础，其特征在于，所述建筑隔振基础铺设于建筑物下方，所述建筑隔振基础由局域共振型波阻单元沿单方向、平面方向或空间方向进行相邻拓扑构成拓扑结构，所述局域共振型波阻单元为梁单元或块体单元，所述局域共振型波阻单元由内到外依次为刚性芯体、弹性包裹层以及承载力外框架；所述刚性芯体的填充率为25~50%；所述弹性包裹层填充率为10~40%，所述弹性包裹层加刚性芯体二者的总填充率不超过65%。
2.如权利要求1所述的局域共振型建筑隔振基础，其特征在于，所述刚性芯体的材质为铸铁、铸钢、铅或铜；所述弹性包裹层的材质为橡胶或聚氨酯；所述承载力外框架的材质为混凝土。
3.如权利要求1所述的局域共振型建筑隔振基础，其特征在于，所述弹性包裹层的弹性模量小于0.2MPa。
4.如权利要求1所述的局域共振型建筑隔振基础，其特征在于，所述拓扑结构为单方向拓扑时，所述局域共振型波阻单元为梁单元，所述梁单元沿着振动传播的水平方向相邻的周期性排列布置。
5.如权利要求1所述的局域共振型建筑隔振基础，其特征在于，所述拓扑结构为平面方向拓扑时，所述局域共振型波阻单元为梁单元或块体单元；
所述局域共振型波阻单元为梁单元时，所述梁单元沿着振动传播的水平方向以及竖直方向这两个方向进行相邻的周期性排列布置；
所述局域共振型波阻单元为块体单元时，所述块体单元沿着振动传播的水平方向以及与其正交的水平方向这两个方向进行相邻的周期性排列布置。
6.如权利要求1所述的局域共振型建筑隔振基础，其特征在于，所述拓扑结构沿空间方向拓扑，所述局域共振型波阻单元为块体单元，所述块体单元拓扑方向为沿着振动传播的水平方向以及与其正交水平方向、竖直方向这三个方向进行相邻的周期性排列布置。
7.如权利要求1所述的局域共振型建筑隔振基础，其特征在于，所述局域共振型波阻单元在每一个方向上的拓扑数量不少于3，所述建筑隔振基础外沿超过建筑外立面不少于0.5m。
8.如权利要求1所述的局域共振型建筑隔振基础，其特征在于，所述局域共振型波阻单元间采用浇筑或采用卡槽及螺栓锚固形式连接，形成所述的建筑隔振基础。
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