CN219315831U

CN219315831U - 一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩

Info

Publication number: CN219315831U
Application number: CN202320041114.5U
Authority: CN
Inventors: 何超; 钱兴邦; 周顺华; 张泽宇; 宫全美; 张小会; 狄宏规
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2023-01-08
Filing date: 2023-01-08
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2033-01-08

Abstract

本实用新型的目的在于提供一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，利用惯容的惯性放大与耗能增效优势，与超材料隔振桩的减(隔)振原理配合使用，实现地层振动能量有效吸收的三维减振控制，其特征在于，包括空心桩(1)、惯容阻尼器(2)和谐振子系统(3)；所述惯容阻尼器(2)与谐振子系统(3)连接并设于桩体(1)外壳内，桩体内部其余空间采用混凝土填充。

Description

一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩

技术领域

本申请涉及地层振动控制领域，是一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩。

背景技术

近年来，随着城市规模不断扩大，城市轨道交通作为一种高运量、便捷型的交通方式得到空前的发展。但随之而来的是城市土地资源集约化造成轨道交通线网密度的增加以及线路邻近建筑物距离的减小，加剧了轨道基础设施尤其地铁隧道运营产生的环境振动与噪声问题。一方面，地铁隧道中列车运行产生的振动会在地层中传播，造成周边建筑物的振动，对结构的响应、耐久性和安全性等产生不容忽视的影响；另一方面，车致地层振动的能量主要分布在0-80Hz的频率范围，尤其以0.5-25Hz频带范围内的能量最为集中，会降低精密仪器、精密加工等对低频微幅振动较为敏感的装置的使用性能。

超材料隔振桩是一种从传播过程中控制地层振动的方案，相较于其他减振方案施作时间节点更为灵活，可以在既有线路周边实现轨道交通振动隔离。其隔振机制主要基于三个原理：屏障效应、局部共振和Bragg散射效应。屏障效应指振动波在多孔介质(岩土体)与弹性固体(空心桩)界面上传播时出现的反射、折射现象。局部共振指当与桩内谐振子的自振频率接近的振动波通过时，桩内谐振子产生共振实现对振动波能量的吸收。Bragg散射效应指，在周期性分布结构中，对应于结构单元特征尺寸的特定波长范围内的波在传播时会发生反射、衍射，并出现相位差，相互干扰，对波的传播产生很强的破坏作用。

基于惯容的结构振动控制技术在机械和土木工程行业取得了大量应用，为低频减(隔)振工程问题提供了新的解决思路与途径。与传统质量元件不同，惯容器可以通过惯性放大作用实现质量增益效应，即改变结构惯性的同时基本不改变结构的物理质量，而且所增大的惯性不会增加结构所受的振动。惯容器的受力状态与其两端点间的相对加速度相关，其力学表达式为：

其中F为惯容器两端受力，m_g为惯容系数(具有质量的量纲且可远大于实际质量)，/>

和/>

为惯容器两端加速度。将惯容、弹簧、阻尼结合形成完整的减振系统应用于超材料隔振桩内，可以有效阻隔、吸收地层振动能量，大大提高传统超材料隔振桩的减(隔)振效率。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，利用惯容的惯性放大与耗能增效优势，与超材料隔振桩的减(隔)振原理配合使用，实现地层振动能量有效吸收的三维减振控制。

为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，包括空心桩(1)、惯容阻尼器(2)和谐振子系统(3)；所述惯容阻尼器(2)与谐振子系统(3)连接并设于桩体(1)外壳内，桩体内部其余空间采用混凝土填充。

所述惯容阻尼器(2)包括弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)，其中：所述弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)采用多种拓扑连接方式进行连接；所述惯容质量增益系统(2-5)，根据惯容机制实现减振过程中的惯性放大与阻尼结构耗能增效，调节自振频率实现装置内部与超材料隔振桩主体结构的异步振动；所述粘滞阻尼器(2-6)，通过异步振动放大阻尼介质的有效变形与摩擦耗能，抑制来自地层的低频振动响应。

所述惯容质量增益系统(2-5)包括轴承(2-5-7)、滚珠螺纹丝杆(2-5-8)和刚性飞轮(2-5-9)；所述滚珠螺纹丝杆(2-5-8)包括螺纹丝杆、螺母和滚珠；所述惯容质量增益系统(2-5)将装置两端振动受力产生的直线相对运动通过轴承(2-5-7)转变为螺纹丝杆绕杆轴线的转动，带动固定安装在滚珠螺母上的刚性飞轮(2-5-9)旋转运动，形成惯性放大。

所述粘滞阻尼器(2-6)包括缸体(2-6-14)、端盖(2-6-15)、带孔活塞(2-6-16)和粘滞阻尼介质(2-6-17)；所述粘滞阻尼器(2-6)中，缸体(2-6-14)与带孔活塞(2-6-16)之间设有间隙，带孔活塞(2-6-16)穿套在通过轴承(2-5-7)固定的螺纹丝杆上，带孔活塞(2-6-16)表面设有若干孔道，增加粘滞阻尼介质(2-6-17)流动通过时的摩擦耗能；所述滚珠螺纹丝杆(2-5-8)的转动引发带孔活塞(2-6-16)在缸体内往复运动，压缩粘滞阻尼介质(2-6-17)产生变形，产生阻尼效果。

所述惯容阻尼器(2)中，所述弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)采用混联方式连接，典型混联方式有且不限于以下两种：

I.惯容质量增益系统(2-5)与粘滞阻尼器(2-6)采用并联方式连接后，再与弹簧(2-4)串联；

II.或弹簧(2-4)与粘滞阻尼器(2-6)采用并联方式连接后，再与惯容质量增益系统(2-5)串联。

所述弹簧(2-4)根据不同典型混联方式可安装在惯容阻尼器不同位置：

I.弹簧(2-4)安装在滚珠螺纹丝杆(2-5-8)端部，通过端部圆盘进行接触，保证惯容质量增益系统(2-5)与粘滞阻尼器(2-6)两端产生同步位移，实现惯容质量增益系统(2-5)与粘滞阻尼器(2-6)并联后再与弹簧(2-4)串联。

II.弹簧(2-4)安装在粘滞阻尼器(2-6)内部，与带孔活塞(2-6-16)接触，保证缸体内部弹簧(2-4)与粘滞阻尼介质(2-6-17)产生同步变形，实现弹簧(2-4)与粘滞阻尼器(2-6)并联后再与惯容质量增益系统(2-5)串联。

所述的惯容质量增益系统(2-5)：所述螺纹丝杆的导程为L_p，刚性飞轮的实际质量为m_w，转动惯量为J，其内、外径分别为r_i和r_j，根据装置的惯性放大机理用其等量纲惯容系数m_g来表示：

所述的弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)典型混联方式，惯容阻尼器装置内不同的混联方式下的动力学平衡方程分别为：

其中，k_g为连接弹簧刚度，c_g为粘滞阻尼介质阻尼系数，u为惯容阻尼器装置端部位移，u₁为装置与质量块(3-10)连接处位移，u₂为粘滞阻尼器活塞的位移。

所述谐振子系统(3)包括圆柱形质量块(3-10)和弹性橡胶垫(3-11)；利用质量块(3-10)的质量和弹性橡胶垫(3-11)的刚度调整改变谐振子系统(3)的自振频率，当地层振动波以带隙范围内的频率传播至超材料隔振桩内时产生共振，实现对振动波的捕获。

所述惯容阻尼器与谐振子系统连接，均略小于空心桩内径，设置于空心桩内部，其余部分采用混凝土材料填充。

所述超材料隔振桩设置在地下交通隧道与具有减振要求的结构物之间的地层振动传播途径上，桩内谐振子系统基于屏障效应、局部共振等减(隔)振机理控制地层振动能量；所述惯容阻尼器与谐振子系统连接，基于惯性放大原理实现对谐振子系统的质量增益和耗能增效，加速吸收并衰减地层振动能量，减轻结构动力响应。

所述粘滞阻尼器中，缸体与带孔活塞之间设有间隙，带孔活塞穿套在通过轴承固定的螺纹丝杆上，带孔活塞表面设有若干孔道，增加粘滞阻尼介质流动通过时的摩擦耗能。所述滚珠螺纹丝杆的转动通过轴承引发带孔活塞在缸体内往复运动，压缩粘滞阻尼介质产生有效变形，活塞前后的压力差使粘滞流体从阻尼通道中通过，产生阻尼效果。

进一步，所述弹簧根据不同典型混联方式安装在惯容阻尼器不同位置；

所述弹簧安装在滚珠螺纹丝杆端部，螺纹丝杆安装有端部圆盘并于弹簧接触，保证惯容质量增益系统与粘滞阻尼器两端产生同步位移，实现惯容质量增益系统与粘滞阻尼器并联后再与弹簧串联；

所述弹簧安装在粘滞阻尼器内部且一端与带孔活塞接触，保证缸体内部弹簧与粘滞阻尼介质产生同步变形，实现弹簧与粘滞阻尼器并联后再与惯容质量增益系统串联。

进一步地，所述惯容阻尼器与谐振子系统连接，设置于超材料隔振桩的空心腔外壳内，空心腔的桩体选用C35P8抗渗混凝土，有良好的抗渗性能，用于保护内部惯容阻尼器减振装置不被岩土、地下水及锈蚀离子侵入、侵蚀和破坏，并保障超材料隔振桩的整体性。

在桩体内部，惯容阻尼器端部圆盘接触质量块，质量块顶部采用弹性橡胶垫封装，其余空间采用混凝土材料填充保证刚性，实现力学模型上惯容阻尼器与弹簧元件(弹性橡胶垫)并联后再与质量块串联，形成完整的减振装置。

进一步地，可通过将多个所述基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩按照一定间距组成阵列，可以对特定波长范围内振动能量的吸收与耗散，实现地层振动有效吸收和阻隔。

进一步地，本实用新型提出一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩结构减振体系，当超材料隔振桩发生振动时，连接弹簧被压缩产生弹性力，滚珠螺纹丝杆将装置两端的轴向加速度转换为旋转加速度并带动刚性飞轮的旋转，由于飞轮的转动惯量存在产生远大于实际物理质量的惯性作用，达到质量块惯性质量增效的效果；粘滞阻尼器内部活塞与缸体之间发生相对运动，由于活塞前后的压力差使粘滞流体从阻尼通道中通过，同时惯容的惯性作用会放大粘滞阻尼介质有效变形，提高了阻尼结构耗散外界输入结构的振动能量效率，达到减轻结构振动响应的目的。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本实用新型将考虑惯容增益的惯容阻尼器减振装置应用于超材料隔振桩中配合控制地层振动，在满足既有建筑物减振需求的同时充分利用惯容的惯性放大与耗能增效特性，提高超材料隔振桩对地层振动的减(隔)振效率，同时表观质量增益带来的轻便可将隔振桩的尺寸和质量控制在易于施作的范围内，具有较好的工程应用前景。

附图说明

图1是本实用新型中一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩结构示意图；

图2是图1中粘滞阻尼器结构示意图；

图3是实施例1采用第一种混联方式的惯容阻尼器拓扑连接及装置结构示意图；

图4是实施例2采用第二种混联方式的惯容阻尼器拓扑连接及装置结构示意图。

图中，1为空心桩，2为惯容阻尼器，2-4为弹簧，2-5为惯容质量增益系统，2-5-7为轴承，2-5-8为滚珠螺纹丝杆，2-5-9为刚性飞轮，12为混凝土填充层，13为空心桩盖板；

3为谐振子系统：3-10为质量块，3-11为弹性橡胶垫；

2-6为粘滞阻尼器：2-6-14为缸体，2-6-15为端盖，2-6-16为带孔活塞，2-6-17为粘滞阻尼介质

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的目的、技术方案和优势进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，提供一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，内部包括弹簧、轴承、滚珠螺纹丝杆、刚性飞轮、粘滞阻尼器、谐振子系统和桩体外壳；所述轴承、滚珠螺纹丝杆和刚性飞轮组成惯容质量增益系统，并与弹簧和粘滞阻尼器混联连接形成惯容阻尼器减振系统，与谐振子系统连接组成完整的减振体系设置于超材料隔振桩空心腔体内。

所述弹簧，发生弹性压缩使超材料隔振桩吸收地层振动；惯容质量增益系统，根据惯容机制实现减振过程中的惯性放大与阻尼结构耗能增效，调节频率实现装置内部与超材料隔振桩主体结构的异步振动；粘滞阻尼器，通过异步振动放大阻尼介质的有效变形，抑制来自地层的低频振动响应。

所述谐振子系统包括圆柱形质量块和弹性橡胶垫；利用质量块的质量和弹性橡胶垫的刚度调整改变谐振子系统的自振频率，当地层弹性波以带隙范围内的频率传播至超材料隔振桩内时产生共振，实现对弹性波的捕获。

如图1所示，所述惯容质量增益系统采用滚轴丝杠式惯容器，包括轴承、滚珠螺纹丝杆和刚性飞轮；惯容质量增益系统将装置两端振动受力产生的直线相对运动通过轴承转变为螺纹丝杆的转动，带动固定在滚珠螺母上的刚性飞轮旋转运动，形成惯性放大与阻尼结构耗能增效，产生质量增益效果。其中假设螺纹丝杆的导程为L_p，刚性飞轮的实际质量为m_w，转动惯量为J，其内、外径分别为r_i和r_j，根据装置的惯性放大机理可以用其等量纲惯容系数m_g来表示：

如图2所示，所述粘滞阻尼器包括缸体、端盖、带孔活塞、螺纹丝杆、粘滞阻尼介质。缸体与带孔活塞之间设有间隙，带孔活塞穿套在通过轴承固定的螺纹丝杆上，带孔活塞表面设有若干孔道，增加粘滞阻尼介质流动通过时的摩擦耗能。所述滚珠螺纹丝杆的转动通过轴承引发带孔活塞在缸体内往复运动，压缩粘滞阻尼介质产生有效变形，活塞前后的压力差使粘滞流体从阻尼通道中通过，产生阻尼效果。

实施例1

实施例1中采用粘滞颗粒阻尼介质。

在本实施例中提供一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，惯容阻尼器设于空心桩体内并与谐振子系统连接，惯容阻尼器包括弹簧、惯容质量增益系统和粘滞阻尼器；如图3(a)所示，所述惯容质量增益系统2-5与粘滞阻尼器2-6采用并联方式连接后，再与所述弹簧2-4串联连接，形成混联I型惯容阻尼器减振系统；如图3(b)所示，与谐振子系统3拓扑连接可形成完整的减振系统。对应的装置内部动力学平衡方程为：

混联I型惯容阻尼器减振系统：

I型减振装置：

其中，k_g为连接弹簧刚度，c_g为粘滞阻尼介质阻尼系数，u为惯容阻尼器装置端部位移，u₁为装置与质量块连接处位移，u₂为粘滞阻尼器活塞的位移，F_e为减振装置的产生激励。

所述弹簧安装在滚珠螺纹丝杆端部，如图3(c)所示，螺纹丝杆安装有端部圆盘并与弹簧接触，保证惯容质量增益系统与粘滞阻尼器两端产生同步位移，实现惯容质量增益系统与粘滞阻尼器并联后再与弹簧串联。

具体地，所述惯容阻尼器设置于超材料隔振桩的空心腔外壳内，空心腔的桩体选用C35P8抗渗混凝土，有良好的抗渗性能，用于保护内部惯容阻尼器减振装置不被岩土、地下水及锈蚀离子侵入、侵蚀和破坏，并保障超材料隔振桩的整体性。

质量块与弹性橡胶垫设置为圆柱体，与惯容阻尼器端部连接，小于桩体及盖板内径，设置于空心桩内部。

在一个优选的实施例中，空心桩外径0.8m，内径0.7m；空心桩的盖板选用430型铁素体类不锈钢，耐腐蚀且具有较好延展性，其直径0.8m，厚度0.1m；

质量块由普通含锰钢60制成，刚度较大，密度约7800kg/m³，圆柱形底面直径0.66m、高0.9m；

弹性橡胶垫选用强度高、弹性好、耐老化的聚氨酯橡胶，聚氨酯橡胶由硬段和软段组成的，通过调整硬段和软段的比例可以调整其弹性模量为6.8MPa左右，圆柱形底面直径0.66m。

惯容质量增益系统采用常规滚珠螺杆式惯容，具有质量小但转动惯量大的飞轮作为转子，惯性放大系数可达到5×10⁵；

粘滞阻尼器采用粘滞颗粒阻尼介质，缸体与带孔活塞之间设有1mm间隙，孔道采用“S型结构流道”，等效阻尼约为2.5×10³N·s/m；

采用惯容阻尼器增益下的谐振子系统其自振频率可降至10Hz以下。

当超材料隔振桩发生振动时，系统承载后弹簧压缩对端部圆盘产生力，通过滚珠螺母将直线运动转化成飞轮的旋转运动，形成惯性放大，带动粘滞阻尼器内部活塞与缸体之间发生相对运动，产生阻尼力，同时惯容的惯性作用放大粘滞阻尼介质有效变形，提高能量耗散效率，达到减轻结构竖向振动的目的。

实施例2

实施例2中采用粘滞硅油阻尼液。

在本实施例中提供另一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，惯容阻尼器设于空心桩体内，惯容阻尼器包括弹簧、惯容质量增益系统和粘滞阻尼器；如图4(a)所示，弹簧2-4与粘滞阻尼器2-6采用并联方式连接后，再与惯容质量增益系统2-5串联连接，形成混联II型惯容阻尼器减振系统；如图4(b)所示，与谐振子系统3拓扑连接可形成完整的减振系统。对应的装置内部动力学平衡方程为：

混联II型惯容阻尼器减振系统：

II型减振装置：

所述弹簧安装在粘滞阻尼器内部且一端与带孔活塞接触，如图4(c)所示，保证缸体内部弹簧与粘滞阻尼介质产生同步变形，实现弹簧与粘滞阻尼器并联后再与惯容质量增益系统串联。

在一个优选的实施例中，与实施例1不同的是，粘滞阻尼器采用粘滞硅油阻尼液，等效阻尼约为11223N·s/m，保证阻尼液中弹簧的工作性能；

当超材料隔振桩受到竖向荷载作用发生振动时，减振装置两端受力，滚珠螺杆两端间产生直线相对运动并转化为螺母与飞轮的旋转运动，形成惯性放大，同时螺杆端部带动活塞在缸体内往复运动，使弹簧与阻尼液发生同步变形，实现完整的减振效果。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，包括空心桩(1)、惯容阻尼器(2)和谐振子系统(3)；所述惯容阻尼器(2)与谐振子系统(3)连接并设于空心桩(1)外壳内，桩体内部其余空间采用混凝土填充。

2.如权利要求1所述的一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，所述惯容阻尼器(2)包括弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)，其中：

所述弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)采用多种拓扑连接方式进行连接；

所述惯容质量增益系统(2-5)，根据惯容机制实现减振过程中的惯性放大与阻尼结构耗能增效，调节自振频率实现装置内部与超材料隔振桩主体结构的异步振动；

所述粘滞阻尼器(2-6)，通过异步振动放大阻尼介质的有效变形与摩擦耗能，抑制来自地层的低频振动响应。

3.如权利要求2所述的一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，所述惯容质量增益系统(2-5)包括轴承(2-5-7)、滚珠螺纹丝杆(2-5-8)和刚性飞轮(2-5-9)；所述滚珠螺纹丝杆(2-5-8)包括螺纹丝杆、螺母和滚珠；

所述惯容质量增益系统(2-5)将装置两端振动受力产生的直线相对运动通过轴承(2-5-7)转变为螺纹丝杆绕杆轴线的转动，带动固定安装在滚珠螺母上的刚性飞轮(2-5-9)旋转运动，形成惯性放大。

4.如权利要求3所述的一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，所述粘滞阻尼器(2-6)包括缸体(2-6-14)、端盖(2-6-15)、带孔活塞(2-6-16)和粘滞阻尼介质(2-6-17)；

所述粘滞阻尼器(2-6)中，缸体(2-6-14)与带孔活塞(2-6-16)之间设有间隙，带孔活塞(2-6-16)穿套在通过轴承(2-5-7)固定的螺纹丝杆上，带孔活塞(2-6-16)表面设有若干孔道，增加粘滞阻尼介质(2-6-17)流动通过时的摩擦耗能；所述滚珠螺纹丝杆(2-5-8)的转动引发带孔活塞(2-6-16)在缸体内往复运动，压缩粘滞阻尼介质(2-6-17)产生变形，产生阻尼效果。

5.如权利要求2所述的一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，所述惯容阻尼器(2)中，所述弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)采用混联方式连接，典型混联方式有以下两种：

6.如权利要求5所述的一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，所述弹簧(2-4)根据不同典型混联方式可安装在惯容阻尼器不同位置：

I.弹簧(2-4)安装在滚珠螺纹丝杆(2-5-8)端部，通过端部圆盘进行接触，保证惯容质量增益系统(2-5)与粘滞阻尼器(2-6)两端产生同步位移，实现惯容质量增益系统(2-5)与粘滞阻尼器(2-6)并联后再与弹簧(2-4)串联；

7.如权利要求3所述的一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，所述的惯容质量增益系统(2-5)：

所述螺纹丝杆的导程为Lp，刚性飞轮的实际质量为mw，转动惯量为J，其内、外径分别为ri和rj，根据装置的惯性放大机理用其等量纲惯容系数mg来表示：

8.如权利要求6所述的一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，根据所述的弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)典型混联方式，惯容阻尼器装置内不同的混联方式下的动力学平衡方程分别为：

I.

II.

其中，kg为连接弹簧刚度，cg为粘滞阻尼介质阻尼系数，u为惯容阻尼器装置端部位移，u₁为装置与质量块(3-10)连接处位移，u₂为粘滞阻尼器活塞的位移。

9.如权利要求1所述的一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，所述谐振子系统(3)包括圆柱形质量块(3-10)和弹性橡胶垫(3-11)；利用质量块(3-10)的质量和弹性橡胶垫(3-11)的刚度调整改变谐振子系统(3)的自振频率，当地层振动波以带隙范围内的频率传播至超材料隔振桩内时产生共振，实现对振动波的捕获。