CN112626932A - 一种满铺周期垫层减振道床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种满铺周期垫层减振道床，包括周期复合道床板及设置在其下方的混凝土基底，所述周期复合道床板与所述混凝土基底之间通过限位结构限位，防止发生相对位移，其中，所述周期复合道床板由混凝土板与周期垫层从上至下交替排列固结而成，且混凝土板与周期垫层在竖直方向的投影完全重合，形成垫层满铺形式的一维散射型或局域共振型周期结构；每一混凝土板和其下方相邻的周期垫层构成一个基本单元，所述基本单元沿竖直方向的周期重复数不少于2。本发明的减振道床在竖直方向上形成弹性波禁带，能有效控制竖直方向振动传播，通过改变结构尺寸与材料组成能够主动调节禁带范围，可调节性强。

Description

一种满铺周期垫层减振道床

技术领域

本发明专利涉及轨道交通减振降噪领域，特别是涉及一种满铺周期垫层减振道床。

背景技术

目前轨道交通环境振动控制广泛采用的轨道减振措施暴露出以下问题：(1)目前轨道减振的原理是降低支承刚度或增加参振质量，过度减振或减振不当就可能引起轮轨异常磨耗，造成设备及零部件的快速非正常伤损，增加轮轨***养护维修工作量，甚至影响行车的平稳性和安全性；(2)减振区段长、投资高，以一条长30km的地铁为例，轨道减振引起的造价增加可能达到2亿元；(3)钢弹簧浮置板铺设路段乘客乘坐舒适度严重受损。

固体物理学研究发现，按照某种方式排列的周期介质具有弹性波禁带特性，即入射波的频率落在禁带范围内时，入射波不能在周期介质中传播。伴随凝聚态物理的蓬勃发展，国际上开始将周期结构禁带特性引入声振领域，声子晶体发展最为迅速，是典型代表。

目前沿未有利用周期结构禁带特性对轨道交通中涉及的结构进行周期化的创新设计、实现振动的主动调控的报导。

发明内容

为了克服现有技术中的缺点，本发明提供一种满铺周期垫层减振道床。根据轨道交通振源特性及振动传播衰减规律，采用周期结构禁带理论对道床结构进行周期化设计，改变结构几何尺寸和材料组成，从而实现对禁带及隔振频段的主动调节与控制，在达到减振预期目标的同时确保轨道与线路平顺性、降低钢轨负担、抑制异常波磨的发生。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种满铺周期垫层减振道床，包括周期复合道床板及设置在其下方的混凝土基底，所述周期复合道床板与所述混凝土基底之间通过限位结构限位，防止发生相对位移，其中，所述周期复合道床板由混凝土板与周期垫层从上至下交替排列固结而成，且混凝土板与周期垫层在竖直方向的投影完全重合，形成垫层满铺形式的一维散射型或局域共振型周期结构；每一混凝土板和其下方相邻的周期垫层构成一个基本单元，所述基本单元沿竖直方向的周期重复数不少于2。

在本发明的一个实施例中，在所述周期复合道床板上形成有通孔，在所述混凝土基底上形成有穿过所述通孔的凸起部，在所述凸起部与通孔之间设置有弹性垫层，所述通孔、凸起部和弹性垫层构成所述限位结构。

在本发明的另一个实施例中，沿所述混凝土基底左右两侧向上延伸形成连续的凸起部，所述连续的凸起部包住所述周期复合道床板两侧，在连续的凸起部和周期复合道床板两侧之间设置有弹性垫层，所述连续的凸起部和弹性垫层构成所述限位结构。

所述周期垫层可以为弹性层、刚性层，或弹性层与复刚性层复合形成的复合层，所述周期复合道床板的厚度为0.3m～0.54m。

优选的是，所述周期垫层为弹性层，多层周期垫层中弹性层的厚度加和≤0.04m。

另外，所述周期复合道床板顶部沿行车方向设置有连续或离散的承轨台，每个承轨台对应扣件孔位置处设置有两个用于固定扣件的套管，所述周期复合道床板上沿长度方向间隔设置有注浆孔。所述混凝土板与周期垫层通过砂浆或胶封固结。

优选的，在正线使用时，所述混凝土板与周期垫层在水平方向截面形状均为矩形。

本发明的减振道床，所述混凝土板与周期垫层沿竖直方向重复排列构成的一维周期结构，当周期垫层为弹性材料时，其首阶完全禁带的起始频率随混凝土板和周期垫层的厚度的增加而减小、随混凝土板和周期垫层的弹性模量增加而增大、随阻抗比增加而减小，其首阶完全禁带的带宽随混凝土板的厚度增加而变宽、随周期垫层的厚度的增加而变窄、随混凝土板和周期垫层的弹性模量增加而变宽、随混凝土板和周期垫层的阻抗比增加而变宽。

本发明的减振道床，当周期垫层为弹性材料时，增加所述凝土板和周期垫层的厚度、降低所述凝土板和周期垫层的弹性模量、增加所述凝土板和周期垫层的阻抗比，可有效降低首阶完全禁带的起始频率，即产生更好的低频隔振效果。

当所述周期垫层为弹性材料时，增加所述混凝土板的厚度、减小所述周期垫层的厚度、增加所述混凝土板和周期垫层的弹性模量、增加所述混凝土板和周期垫层的阻抗比可增加首阶完全禁带的带宽，即产生更宽频段的隔振效果。

通过上述方式，所述周期复合道床板通过改变混凝土板与周期垫层结构几何尺寸和材料组成可进行主动调控，在200Hz以内形成多段禁带分布，控制带宽最大可达70Hz以上，最低频率可低至轨道交通环境振动显著频率63Hz以下。

本发明从周期结构禁带理论切入，创新性地进行周期减振道床设计，颠覆了传统结构隔振思路，属智能结构(材料)范畴，具有以下突出优势：

(1)可有效控制竖直方向的振动传播；

(2)可通过周期结构或材料的人为设计来主动调整隔振频段的带宽和位置，可调节性强，在200Hz以内形成多段禁带分布，控制带宽最大可达70Hz以上，最低频率可低至轨道交通环境振动显著频率63Hz以下；

(3)无需额外附加阻尼器和主控装置，便可实现同时考虑承载和减振功能一体化的设计，减轻轨道***负担，抑制异常波磨的产生；

(4)节约减振成本投入，可作为线路使用的基础减振措施；

(5)减振部位下移，减少措施类型、确保轨道平顺性。

在200Hz以内形成多段禁带分布，控制带宽最大可达70Hz以上，最低频率可低至轨道交通环境振动显著频率63Hz以下；此外，无需额外附加阻尼器和主控装置，便可实现同时考虑承载和减振功能一体化的设计，减轻轨道***负担，减少异常波磨；节约减振成本投入，可作为线路使用的基础减振措施；减振部位下移，减少措施类型、确保轨道平顺性。

附图说明

图1为本发明的满铺周期垫层减振道床第一种实施方式的俯视图；

图2为本发明的满铺周期垫层减振道床第一种实施方式的A-A横剖面图；

图3为本发明的满铺周期垫层减振道床第一种实施方式的B-B侧剖面图；

图4为本发明的满铺周期垫层减振道床第二种实施方式的俯视图；

图5为本发明的满铺周期垫层减振道床第二种实施方式的A-A横剖面图；

图6为本发明的满铺周期垫层减振道床第二种实施方式的主视图；

图7是本发明的满铺周期垫层减振道床第二种实施方式的立体结构示意图。

图中：

1、周期复合道床板 1-1、混凝土板 1-2、周期垫层 2、混凝土基底兼限位结构

2a、凸起部 3、弹性垫层 4、承轨台 5、套管 6、注浆孔

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定的有益目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例对根据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。下面所述说明中，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可以任何形式组合：

如图1～7所示，本发明的满铺周期垫层减振道床包括周期复合道床板及设置在其下方的混凝土基底2，所述周期复合道床板与所述混凝土基底2之间通过限位结构限位，防止发生相对位移。其中，所述周期复合道床板由混凝土板1-1与周期垫层从上至下交替排列固结而成，且混凝土板与周期垫层在竖直方向的投影完全重合，形成垫层满铺形式的一维散射型或局域共振型周期结构；每一混凝土板和其下方相邻的周期垫层构成一个基本单元，所述基本单元沿竖直方向的周期重复数为3。凝土板1-1与周期垫层1-2水平方向截面形状一致，均为矩形，二者之间采用砂浆紧固或胶封固结。通过此方式，达到周期垫层1-2满铺于混凝土板1-1下的效果，均摊、削弱由混凝土板1-1传递下来的振动能量，且能够协调变形，由此使振动能量经过周期性的衰减而得到有效控制。所述混凝土板1-1与周期垫层1-2构成的周期复合道床板1的顶部应为混凝土板1-1，从而实现与钢轨通过扣件进行刚性连接与固定。

所述多个基本单元的厚度加和在0.3m～0.54m之间，当周期垫层1-2为弹性材料层时，多层周期垫层1-2中弹性层的厚度加和不得超过0.04m。通过此方式，可使满铺周期垫层减振道床达到建筑限界和轨道***刚度、位移要求。

如图1-3所示，在本发明的一个实施例中，沿所述混凝土基底2左右两侧向上延伸形成连续的凸起部2a，所述连续的凸起部包住所述周期复合道床板两侧，在连续的凸起部和周期复合道床板两侧之间设置有弹性垫层3，所述连续的凸起部和弹性垫层构成所述限位结构。

如图4-7所示，在本发明的另一个实施例中，在所述周期复合道床板上形成有通孔，在所述混凝土基底2上形成有穿过所述通孔的凸起部2a，在所述凸起部与通孔之间设置有弹性垫层3，所述通孔、凸起部和弹性垫层构成所述限位结构。

上述的弹性垫层3可采用橡胶、聚氨酯等材质。

作为可选的实施方式，所述周期复合道床板1顶部、沿行车方向设置凸起的承轨台4，所述承轨台4可为连续的或离散的，图1-3、图4-6所示的实施例中均采用了离散型式的承轨台4，相邻承轨台4的中心距为0.6m。

作为可选的实施方式，所述承轨台4按照每个扣件对应位置设置两个套管5，用于固定扣件，所述套管5位于所述承轨台4表面的对角线位置。所述周期复合道床板1上表面、沿行车方向依次布置注浆孔6，孔洞等间距布置。

所述周期垫层1-2可以为弹性层如橡胶、聚氨酯；也可以为刚性层，如钢板；亦可为弹性复合刚性而形成的复合层，要求周期垫层1-2与混凝土板1-1形成较大的阻抗比。

通过上述方式，可在不同介质界面形成较大的阻抗跃阶，从而使振动大幅衰减。

作为可选的实施方式，所述混凝土板1-1与周期垫层1-2沿竖直方向(厚度方向)交替重复排列构成特殊的一维散射型周期复合道床板1，可形成弹性波禁带，禁带范围内振动将大幅衰减，即形成振动衰减频段，有效抑制竖直方向振动。当周期垫层1-2为弹性垫层时，为降低其首阶完全禁带的起始频率，可增加混凝土板1-1和周期垫层1-2的厚度、降低混凝土板1-1和周期垫层1-2的弹性模量；为增加首阶完全禁带的带宽，可增加混凝土板1-1的厚度、降低周期垫层1-2的厚度、增加混凝土板1-1和周期垫层1-2的弹性模量、增加混凝土板1-1与周期垫层1-2的阻抗比。

通过上述方式，所述周期复合道床板1通过改变混凝土板1-1与周期垫层1-2结构几何尺寸和材料组成进行主动调控，在200Hz以内形成多段禁带分布，控制带宽最大可达70Hz以上，最低频率可低至轨道交通环境振动显著频率63Hz以下。

所述满铺周期垫层减振道床应满足地铁设计限界、承载力、位移和耐久性的相关要求。

具体实施例

所述混凝土板1-1和周期垫层1-2的宽度为2.2m，所述混凝土板1-1厚度0.1m，所述周期垫层1-2取橡胶材料，厚度0.01m，所述混凝土板(1-1)与周期垫层1-2由上而下交替重复，各重复三次，构成厚度为0.33m的周期复合道床板1。所述混凝土基底兼限位结构2底座厚度0.15m，凸起高度0.33m。

图1-3所示的实施例中，离散凸起的截面尺寸为0.4m×0.5m(0.5m为沿线路走行方向尺寸)。图4-6所示的实施中，连续凸起的纵截面尺寸为0.33m×0.4m(0.4m为垂直线路走行方向尺寸)。

所述弹性垫层3为橡胶，厚度0.02m。所述承轨台4沿线路方向布置的最近中心距为0.6m，垂直于线路方向布置的最近中心距为1.513m，其高出周期复合道床板1顶面0.03m，横断面尺寸为0.3m×0.2m(0.2m为沿线路走行方向)，采用平坡方案。所述同一承轨台4上的两个套管5沿线路走行方向距离为0.125m，垂直线路走行方向距离为0.284m。所述灌浆孔6采用直径为0.17m的圆孔。所述混凝土板1-1采用C60混凝土，所述混凝土基底兼限位结构2采用C40自密实混凝土。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，满铺周期垫层减振道床的尺寸和材料设定有多重，并不限于本实施例，本领域技术人员在阅读完本说明书后可根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种满铺周期垫层减振道床，其特征在于：包括周期复合道床板及设置在其下方的混凝土基底，所述周期复合道床板与所述混凝土基底之间通过限位结构限位，防止发生相对位移，其中，

所述周期复合道床板由混凝土板与周期垫层从上至下交替排列固结而成，且混凝土板与周期垫层在竖直方向的投影完全重合，形成垫层满铺形式的一维散射型或局域共振型周期结构；每一混凝土板和其下方相邻的周期垫层构成一个基本单元，所述基本单元沿竖直方向的周期重复数不少于2。

2.根据权利要求1所述的满铺周期垫层减振道床，其特征在于：在所述周期复合道床板上形成有通孔，在所述混凝土基底上形成有穿过所述通孔的凸起部，在所述凸起部与通孔之间设置有弹性垫层，所述通孔、凸起部和弹性垫层构成所述限位结构。

3.根据权利要求1所述的满铺周期垫层减振道床，其特征在于：沿所述混凝土基底左右两侧向上延伸形成连续的凸起部，所述连续的凸起部包住所述周期复合道床板两侧，在连续的凸起部和周期复合道床板两侧之间设置有弹性垫层，所述连续的凸起部和弹性垫层构成所述限位结构。

4.根据权利要求1所述的满铺周期垫层减振道床，其特征在于：所述周期垫层为弹性层、刚性层，或弹性层与复刚性层复合形成的复合层，所述周期复合道床板的厚度为0.3m～0.54m。

5.根据权利要求4所述的满铺周期垫层减振道床，其特征在于：所述周期垫层为弹性层，多层周期垫层中弹性层的厚度加和≤0.04m。

6.根据权利要求1所述的满铺周期垫层减振道床，其特征在于：所述周期复合道床板顶部沿行车方向设置有连续或离散的承轨台，每个承轨台对应扣件孔位置处设置有两个用于固定扣件的套管，所述周期复合道床板上沿长度方向间隔设置有注浆孔。

7.根据权利要求1所述的满铺周期垫层减振道床，其特征在于：所述混凝土板与周期垫层通过砂浆或胶封固结。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的满铺周期垫层减振道床，其特征在于：所述混凝土板和周期垫层在水平方向的截面形状均为矩形。

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