CN115162163B - 一种全频段减振型桥面板系统及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全频段减振型桥面板系统及其施工方法，包括具有腔道的压型钢板、设置在压型钢板上方的翼缘上的开孔钢板、设置在开孔钢板之间且用于控制高频振动能量的周期性减振垫、填充在压型钢板的腔道内的填充体以及嵌入在填充体内且用于控制中频振动能量的周期性减振体，且周期性减振体沿桥梁延伸方向等间距分布在压型钢板的腔道内的填充体内，用以控制低频振动能量；在钢‑混组合桥面板中引入周期性减振结构，通过合理设计减振结构的型式、几何尺寸、材料参数和布置方式，能在不同频率范围产生衰减域，削弱桥面板的全频段振动，从源头上隔离了振动能量，有效的提高了减振效率和减振效果。

Description

一种全频段减振型桥面板系统及其施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构减振降噪技术领域，具体涉及一种全频段减振型桥面板系统及其施工方法。

背景技术

近年来，随着我国桥梁设计与建造技术的不断变革，以及缓解钢材产能过剩的需求不断被提出，钢桥在公路、铁路和城市轨道交通桥梁中的应用越来越广泛。相比于混凝土桥，在交通荷载作用下，钢桥产生的振动、噪声非常突出。这是由于钢桥自重低、阻尼小，在车辆激振下桥面板容易产生剧烈振动，振动能量传播到其它桥梁构件并诱发振动，进而使得整个钢桥向外辐射强烈的噪声。因此，若要在噪声敏感地区建造钢桥，必须先解决噪声污染。

一般而言，振动噪声控制通常有3种途径：一是从振动噪声源头上控制；二是从传播过程中控制；三是从受振(声)体上控制。当前，钢桥的减振降噪措施主要有敷设阻尼层和设置吸振器两种，它们均属于第二种途径。然而，这两种方式在实际工程应用中均存在不足，比如：阻尼层存在降噪频段有限(仅对高频有效)、敷设位置难确定、后期养护维修复杂等缺点；吸振器的工作频率单一、质量大，且与桥梁的连接可靠性难以保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全频段减振型桥面板系统及其施工方法，以解决现有桥梁结构减振降噪效果差的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种全频段减振型桥面板系统，包括具有腔道的压型钢板、设置在压型钢板上方的翼缘上的开孔钢板、设置在开孔钢板之间且用于控制高频振动能量的周期性减振垫、填充在压型钢板的腔道内的填充体以及嵌入在填充体内且用于控制中频振动能量的周期性减振体，且周期性减振体沿桥梁延伸方向等间距分布在压型钢板的腔道内的填充体内，用以控制低频振动能量。

进一步地，开孔钢板的孔洞内连续贯穿有钢筋组，钢筋组的上方设置有钢筋网片，钢筋组和钢筋网片浇注于超高性能混凝土板中，且超高性能混凝土板位于所述周期性减振垫上。

进一步地，周期性减振垫包括至少一个减振垫基本单元，减振垫基本单元包括多层弹性垫和刚性垫，且弹性垫和刚性垫交替叠合形成用于控制高频振动能量的周期减振结构。

进一步地，周期性减振垫的横桥向敷设长度与相邻两道开孔钢板的间距相适配，周期性减振垫的敷设厚度不超过两个减振垫基本单元的厚度。

进一步地，弹性垫材料为聚氨酯或环氧树脂高分子阻尼材料，所述刚性垫的材料可为铝或钢金属材料。

进一步地，周期性减振垫的铺设方式为满铺、条铺或点铺。

进一步地，周期性减振体包括至少一个减振体基本单元，减振体基本单元包括多个弹性体和刚性体，弹性体与刚性体交替组装形成用于控制中频振动能量的周期减振结构。

进一步地，弹性体的材料为橡胶，刚性体的材料为混凝土或金属。

进一步地，周期性减振体的形状可为锥体、台体或柱体中的一种或其组合，其在填充体中的嵌入方式可为单排、双排或其组合。

本发明还提供了一种全频段减振型桥面板系统的施工方法，包括以下步骤：

S1：将平钢板通过冷弯工艺形成具有连续U形截面的压型钢板，在压型钢板的水平部分焊接开孔钢板；

S2、根据压型钢板的U形部分尺寸制作填充体，并在填充体预留的孔洞中嵌入周期性减振体；

S3、对压型钢板的U形部分打磨、除锈后，用填充体连续填满；

S4、对压型钢板的水平部分打磨、除锈后，均匀涂刷粘接剂，铺设周期性减振垫；

S5、在开孔钢板的孔洞内穿入贯穿钢筋，绑扎钢筋网片并安装模板，浇筑超高性能混凝土板；

S6、待超高性能混凝土板养护合格后，拆除模板，施工完毕。

本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种全频段减振型桥面板系统及其施工方法，其结构可靠，在钢-混组合桥面板中引入周期性减振结构，通过合理设计减振结构的型式、几何尺寸、材料参数和布置方式，能在不同频率范围产生衰减域，削弱桥面板的全频段振动，进而降低传播到其它桥梁构件中的振动能量；

具体地，通过周期性减振垫削弱桥面板的高频振动能量，通过周期性减振体削弱桥面板的中频振动能量，通过周期性减振体在压型钢板的腔道内的布置方式削弱桥面板的低频振动能量，从而实现对桥面板的振动能量进行全频段控制，使得减振结构的优化设计具有更大的自由度。并且，本申请中的周期性减振结构从源头上隔离了振动能量，达到提高了减振效率和减振效果；同时，该周期性减振结构隐藏在桥面板系统的内部，消除了自然环境带来的不利影响，可实现免维护；

此外，本发明中，开孔钢板和贯穿钢筋传递剪力，能保证混凝土组件与钢组件共同受力，桥面板整体具有较高的强度和刚度；并且本发明所提供的桥面板系统中除超高性能混凝土板需要现场浇筑外，其它组件均在工厂制作完成，既能保证施工质量，又具有装配化程度高的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为钢组件的示意图；

图4为周期性减振垫的示意图；

图5为周期性减振垫的三种铺设方式；

图6为周期性减振体的示意图；

图7为周期性减振体的三种嵌入方式；

图8为实施例减振垫的能带结构图；

图9为实施例减振体沿桥垂向的能带结构图；

图10为实施例减振体沿桥纵向的能带结构图；

图11为安装全频段减振型桥面板系统前后的传递率曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图7所示，一种全频段减振型桥面板系统，包括具有腔道10的压型钢板1、设置在压型钢板1上方的翼缘上的开孔钢板2、设置在开孔钢板2之间且用于控制高频振动能量的周期性减振垫3、填充在压型钢板1的腔道10内的填充体4以及嵌入在填充体4内且用于控制中频振动能量的周期性减振体5，且周期性减振体5沿桥梁延伸方向等间距分布在压型钢板1的腔道10内的填充体4内，用以控制低频振动能量。压型钢板1、开孔钢板2和钢筋组6构成桥面板的钢组件。超高性能混凝土板8和钢筋网片7构成混凝土组件。周期性减振垫3和周期性减振体5构成周期性减振组件，该周期性减振结构隐藏在桥面板系统的内部，消除了自然环境带来的不利影响，可实现免维护。压型钢板1的腔道10为U形结构，填充体4的材料为废塑料或废橡胶，对周期性减振体5起到定位、保持作用。

通过周期性减振垫3削弱桥面板的高频振动能量，通过周期性减振体5削弱桥面板的中频振动能量，通过周期性减振体5在压型钢板1的腔道10内的布置方式削弱桥面板的低频振动能量，从而实现对桥面板的振动能量进行全频段控制，使得减振结构的优化设计具有更大的自由度。并且，本申请中的周期性减振结构从源头上隔离了振动能量，达到提高了减振效率和减振效果。

开孔钢板2的孔洞内连续贯穿有钢筋组6，钢筋组6的上方设置有钢筋网片7，钢筋组6和钢筋网片7浇注于超高性能混凝土板8中，且超高性能混凝土板8位于周期性减振垫3上。钢筋组6连续穿过开孔钢板2的孔洞，与钢筋网片7共同作为钢筋骨架，保证桥面板的承载能力。开孔钢板2和钢筋组6传递剪力，能保证混凝土组件与钢组件共同受力，桥面板整体具有较高的强度和刚度。

如图4至图5所示，周期性减振垫3包括至少一个减振垫基本单元30，减振垫基本单元30包括多层弹性垫301和刚性垫302，且弹性垫301和刚性垫302交替叠合形成用于控制高频振动能量的周期减振结构。弹性垫301与刚性垫302的厚度可相等或不等，减振垫基本单元30的厚度与桥面板高频振动波的波长有关，主要表现为带隙的中心频率为波长与两倍晶格常数的比值，此处的晶格常数为周期性减振垫3的一个减振垫基本单元30的厚度，当由于桥上荷载作用使得桥面板产生振动时，周期性减振垫3产生相应的高频带隙用以控制振动能量中的高频部分。周期性减振垫3的尺寸、厚度取决于压型钢板1的水平部分尺寸和超高性能混凝土板8的厚度。具体地，周期性减振垫3敷设在压型钢板1的水平部分上方与两道开孔钢板2之间，因此周期性减振垫3横桥向敷设长度为相邻两道开孔钢板2的间距，也可采用间断敷设的方式，纵桥向敷设方式如图6所示，敷设长度可根据敷设方式拟定。周期性减振垫3的一个减振垫基本单元30的厚度与所控制减振频段的中心频率有关，为保证超高性能混凝土板8与压型钢板1之间的连接强度，周期性减振垫3总厚度不宜过厚，宜为两个基本单元的厚度。

弹性垫301与刚性垫302之间可以通过材料自身的粘性连接，弹性垫301材料为聚氨酯或环氧树脂高分子阻尼材料，刚性垫302的材料可为铝或钢金属材料。如图5中(a)至(c)，周期性减振垫3的铺设方式为满铺、条铺或点铺。

如图6至图7所示，周期性减振体5包括至少一个减振体基本单元50，减振体基本单元50包括多个弹性体501和刚性体502，弹性体501与刚性体502交替组装形成用于控制中频振动能量的周期减振结构。各部件的尺寸与桥面板中频振动波的波长有关，其原理与周期性减振垫3原理一致，此处的晶格常数为构成减振体的一个减振体基本单元50的高度，当由于桥上荷载作用使得桥面板产生振动时，周期性减振体5产生相应的中频带隙用以控制振动能量中的中频部分。周期性减振体5的尺寸取决于压型钢板1的U形部分尺寸。

弹性体501的材料为橡胶或废橡胶，刚性体502的材料为混凝土或金属。如图7中(a)至(c)，周期性减振体5的形状可为锥体、台体或柱体中的一种或其组合，其在填充体4中的嵌入方式可为单排、双排或其组合。

本发明还提供了一种全频段减振型桥面板系统的施工方法，包括以下步骤：在施工之前先对全频段减振型桥面板系统进行系统设计，随后再根据设计进行施工。

具体的设计方法为：

S1：根据现行桥梁规范，对混凝土组件和钢组件进行结构设计，使其强度、刚度和抗疲劳性能满足现行桥梁规范要求。

S2、根据车辆和桥梁的力学参数，通过车桥耦合振动理论和噪声辐射理论，获得车辆激励下桥梁各构件的振动分布规律和总体噪声大小，并依据噪声规范限值要求，确定桥面板在不同频段的减振目标。

当混凝土组件和钢组件之间不设置减振组件时，以主从约束模拟二者之间的连接。由于桥梁的振动能量在整个频域的分布范围较宽，故需要对整个频域进行划分。结合两种减振组件的尺度差异性，优选地，将低频段设为500Hz以下，将中频段设为500-1500Hz，将高频段设为1500Hz以上，分别对各频段的振动进行计算，最后进行叠加获得总体响应。根据不同频段的振动对总体噪声的贡献量，对不同频段的振动赋予相应的权重系数。贡献量越大，则权重系数越大，减振目标也就越高。

S3、以刚度和阻尼作为关键力学参数，用减振单元对减振组件进行模拟，进而确定可实现减振目标的力学参数。

当混凝土组件和钢组件之间设置减振组件时，以减振单元模拟二者之间的连接。减振单元的参数包括刚度和阻尼两类，其中，周期性减振垫3和周期性减振体5的减振单元相互独立，故共有4个力学参数。这4个力学参数均具有频变特性，以反映周期结构对不同频率振动波的传播影响规律。根据S2中的权重系数确定优化顺序和目标，结合现有的优化设计理论，确定不同频段的减振单元的刚度和阻尼。

S4、基于周期结构理论，依据实现减振单元的力学参数，对周期性减振垫3的基本单元数量、材料参数、厚度、铺设方式进行设计，对周期性减振体5的基本单元数量、材料参数、形状、几何尺寸、布置间距、嵌入方式进行设计。具体如下：

周期性减振垫3的基本单元厚度依据控制高频频段中心频率与波长的关系得出，根据基本单元的厚度选取基本单元数量，若基本单元较厚，可适当减少基本单元数量。周期性减振垫3基本单元中弹性层与刚性层的材料差异越大越好。根据实际工程要求选取敷设面积较大的周期性减振垫3，可采用前述不同的敷设方式。总之，敷设面积越大，减振效果越显著。

周期性减振体5的总高度为压型钢板U形部分的高度，周期性减振体5的基本单元高度依据控制中频频段中心频率与波长的关系得出，根据基本单元的高度与总高度求得基本单元数量。周期性减振体5基本单元中弹性体501与刚性体502的材料差异越大越好。减振体组合方式可根据实际工程而定。周期性减振体5沿桥纵向间距依据控制低频频段中心频率与波长的关系得出。

首先，根据压型钢板1的水平部分尺寸和超高性能混凝土板8的厚度，确定周期性减振垫3的平面尺寸、厚度和铺设方式。然后，根据压型钢板1的U形部分尺寸，确定周期性减振体5的形状、高度和嵌入方式。最后，基于周期结构理论，依据不同频段的减振单元的力学参数，分别对周期性减振垫3和周期性减振体5的基本单元数量、材料参数、布置间距进行设计。

S5、考虑减振组件全部失效的极端情况下，即减振组件均达到最大变形时，按照S1方法，验算桥面板的强度、刚度和抗疲劳性能。当出现某一项不满足现行桥梁规范要求时，逐渐调整减振组件的最大变形直至合格。

实施例：按照上述设计方案进行设计，本实施例横桥向剖面图如图2所示，图1为图2所示的纵向剖面图。计算单元取图2所示一半，宽度为900mm，压型钢板1的U型腔道10的开口宽度为450mm，压型钢板1的U型腔道10的高度为330mm，压型钢板1厚8mm，超高性能混凝土板8厚60mm。纵桥向长度取2.5m，为两道横隔板的间距。周期性减振体5间隔距离为0.5m，周期个数为5。

周期性减振垫3的敷设方式为满铺，总厚度为10mm，单层厚度为2.5mm，周期数为4。采用有限元软件计算其能带结构图，如图8所示。周期性减振垫3在高频区域产生3个带隙，频率相对较低的高频带隙范围为2700-4500Hz。

周期性减振体5采用柱体，高度为330mm，单层高度为82.5mm，周期数为4，其上下表面与高性能混凝土板和压型钢板1紧密粘结并嵌入填充体4内，其能带结构图如图9所示。周期性减振体5在中低频区域内存在两个带隙，频率范围分别是470-820Hz和940-1460Hz。

周期性减振体5沿桥纵向等间隔布置，以单排形式嵌入填充体4，相邻间距为0.5m，周期个数为5，计算其能带结构图如图10所示。结构在低频区域存在两个带隙，频率范围为0-250Hz和270-300Hz。

图11为安装全频段减振型桥面板系统前后的传递率曲线。对比分析可见，本发明利用周期性减振垫3和周期性减振体5产生使振动无法传递的带隙区域，带隙范围宽且高、中、低各频段均存在带隙，可降低各个频段的结构振动，达到了全频段减振的目的。

当初步的设计完成后，按照设计方案进行施工，具体的施工方法为：

S1：将平钢板通过冷弯工艺形成具有连续U形截面的压型钢板1，在压型钢板1的水平部分焊接开孔钢板2；

S2、根据压型钢板1的U形部分尺寸制作填充体4，并在填充体4预留的孔洞中嵌入周期性减振体5；

S3、对压型钢板1的U形部分打磨、除锈后，用填充体4连续填满；

S4、对压型钢板1的水平部分打磨、除锈后，均匀涂刷粘接剂，铺设周期性减振垫3；

S5、在开孔钢板2的孔洞内穿入贯穿钢筋，绑扎钢筋网片7并安装模板，浇筑超高性能混凝土板8；

S6、待超高性能混凝土板8养护合格后，拆除模板，施工完毕。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全频段减振型桥面板系统，其特征在于，包括具有腔道（10）的压型钢板（1）、设置在所述压型钢板（1）上方的翼缘上的开孔钢板（2）、设置在开孔钢板（2）之间且用于控制高频振动能量的周期性减振垫（3）、填充在压型钢板（1）的腔道（10）内的填充体（4）以及嵌入在填充体（4）内且用于控制中频振动能量的周期性减振体（5），且所述周期性减振体（5）沿桥梁延伸方向等间距分布在压型钢板（1）的腔道（10）内的填充体（4）内，用以控制低频振动能量；

所述开孔钢板（2）的孔洞内连续贯穿有钢筋组（6），所述钢筋组（6）的上方设置有钢筋网片（7），所述钢筋组（6）和所述钢筋网片（7）浇注于超高性能混凝土板（8）中，且所述超高性能混凝土板（8）位于所述周期性减振垫（3）上；

所述周期性减振垫（3）包括至少一个减振垫基本单元（30），所述减振垫基本单元（30）包括多层弹性垫（301）和刚性垫（302），且所述弹性垫（301）和所述刚性垫（302）交替叠合形成用于控制高频振动能量的周期减振结构；

所述周期性减振体（5）包括至少一个减振体基本单元（50），所述减振体基本单元（50）包括多个弹性体（501）和刚性体（502），所述弹性体（501）与所述刚性体（502）交替组装形成用于控制中频振动能量的周期减振结构。

2.根据权利要求1所述的全频段减振型桥面板系统，其特征在于，所述周期性减振垫（3）的横桥向敷设长度与相邻两道开孔钢板（2）的间距相适配，所述周期性减振垫（3）的敷设厚度不超过两个所述减振垫基本单元（30）的厚度。

3.根据权利要求1所述的全频段减振型桥面板系统，其特征在于，所述弹性垫（301）材料为聚氨酯或环氧树脂高分子阻尼材料，所述刚性垫（302）的材料可为铝或钢金属材料。

4.根据权利要求1所述的全频段减振型桥面板系统，其特征在于，所述周期性减振垫（3）的铺设方式为满铺、条铺或点铺。

5.根据权利要求1所述的全频段减振型桥面板系统，其特征在于，所述弹性体（501）的材料为橡胶，所述刚性体（502）的材料为混凝土或金属。

6.根据权利要求3所述的全频段减振型桥面板系统，其特征在于，所述周期性减振体（5）的形状可为锥体、台体或柱体中的一种或其组合，其在填充体（4）中的嵌入方式可为单排、双排或其组合。

7.根据权利要求1至6任一项所述的全频段减振型桥面板系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将平钢板通过冷弯工艺形成具有连续U形截面的压型钢板（1），在压型钢板（1）的水平部分焊接开孔钢板（2）；

S2、根据压型钢板（1）的U形部分尺寸制作填充体（4），并在填充体（4）预留的孔洞中嵌入周期性减振体（5）；

S3、对压型钢板（1）的U形部分打磨、除锈后，用填充体（4）连续填满；

S4、对压型钢板（1）的水平部分打磨、除锈后，均匀涂刷粘接剂，铺设周期性减振垫（3）；

S5、在开孔钢板（2）的孔洞内穿入贯穿钢筋，绑扎钢筋网片（7）并安装模板，浇筑超高性能混凝土板（8）；

S6、待超高性能混凝土板（8）养护合格后，拆除模板，施工完毕。

Images