一种点铺周期垫层减振道床
阅读说明：本技术 一种点铺周期垫层减振道床 (Vibration-damping roadbed with periodic cushion layer for spot paving ) 是由 齐春雨 姜博龙 刘冀钊 胡文林 王少林 何宾 杨宝峰 杨其振 刘道通 谭大正 程 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种点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和周期垫层由上至下交替排列固结而成,且混凝土板在竖直方向的投影完全重合；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周期重复数不少于2；所述周期垫层由方形垫板沿行车方向按规律离散分布。该减振道床在竖直方向、横向和纵向上形成弹性波禁带,能有效控制三个方向振动的传播,通过改变结构几何尺寸和材料组成能主动调节禁带范围,可调节性强。(The invention provides a point-paved periodic cushion shock absorption ballast bed which comprises a periodic composite ballast bed plate and a concrete base arranged below the periodic composite ballast bed plate, wherein the periodic composite ballast bed plate and the concrete base are limited by a limiting structure to prevent relative displacement, the periodic composite ballast bed plate is formed by alternately arranging and consolidating concrete slabs and periodic cushion layers from top to bottom, and the projections of the concrete slabs in the vertical direction are completely overlapped; each concrete slab and the adjacent periodic cushion layer below the concrete slab form a basic unit, and the number of periodic repetitions of the basic unit in the vertical direction is not less than 2; the periodic cushion layer is formed by the fact that square base plates are distributed in a scattered mode along the driving direction according to rules. The damping ballast bed forms elastic wave forbidden bands in the vertical direction, the transverse direction and the longitudinal direction, can effectively control the propagation of vibration in three directions, can actively adjust the forbidden band range by changing the structural geometric dimension and the material composition, and has strong adjustability.)
技术领域
本发明专利涉及轨道交通减振降噪领域，特别是涉及一种点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)现有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，增加轮轨系统养护维修工作量，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，本发明提供一种点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：
一种点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和周期垫层由上至下交替排列固结而成，且混凝土板在竖直方向的投影完全重合；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周期重复数不少于2；所述周期垫层由方形垫板沿行车方向按规律离散分布，以沿行车方向(纵向)尺寸为长度、沿竖直方向尺寸为厚(高)度、沿横向尺度为宽度；所述垫板的宽度小于所述混凝土板的宽度，同一周期垫层中的垫板在横向设置一块或离散布置多块，铺设范围不超出所述混凝土板，形成垫层点铺形式；处于隔层的周期垫层的投影应完全重合；相邻层的周期垫层在竖直方向上对齐，或在横向及/或纵向上错位设置并沿线路中心线对称布置，形成长方晶格布置方式的二维散射型或局域共振型周期结构，可以有效隔离竖向、横向以及纵向振动。
优选的，在正线使用时，所述周期垫层中沿行车方向按某种规律离散分布的方形垫板为单列时可布置在横向的中央位置，且覆盖道床板横向宽度的50％以上，隔层垫板等宽且保证隔层的垫板在竖直方向对齐，邻层垫板可沿纵向错位，同层垫板沿线路中心线对称，确保线路平顺性。
优选的，在正线使用时，所述周期垫层中沿行车方向按某种规律离散分布的方形垫板为两列及以上时，可在两条钢轨正下方各布置一列，宽度、长度与所述承轨台同宽、同长或相接近，所述位于所述垫板承轨台正下方，也可位于所述两承轨台中间的正下方，隔层垫板等宽且保证隔层竖直方向对齐，邻层垫板可沿横、纵向错位，同层垫板沿线路中心线对称，确保线路平顺性。
所述相邻层的周期垫层在竖直方向上对齐且同一层周期垫层中仅有一列方形垫板沿行车方向布置时，所述周期复合道床板为长方晶格布置方式的二维散射型或局域共振型周期结构，在竖直方向和纵向有周期性和禁带特性；
所述相邻层的周期垫层在竖直方向上不对齐(纵向错位)且同一层周期垫层中仅有一列方形垫板沿行车方向布置时，所述周期复合道床板为六角晶格布置方式的二维散射型或局域共振型周期结构，在竖直方向和纵向有周期性和禁带特性；
所述同一层周期垫层中有一列以上方形垫板沿行车方向布置时，所述周期复合道床板为长)方体晶格布置方式的三维散射型或局域共振型周期结构，在竖直方向、纵向和横向等三个方向有周期性和禁带特性。
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，用于限制所述周期复合道床板侧移或沿纵向滑移，弹性垫层用于减缓冲击力。
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。
所述周期垫层应与混凝土板形成较大的阻抗比，周期垫层可以为弹性层如橡胶、聚氨酯；也可以为刚性层，如钢板；亦可以为弹性层与复刚性层复合形成的复合层。
优选的是所述周期复合道床板的厚度(多个基本单元厚度加和)为0.3m～0.54m。
当所述周期垫层为弹性层时，多层周期垫层的弹性层的厚度加和不得超过0.04m。
另外，在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，作为钢轨的承载结构。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。
优选地，所述混凝土板与周期垫层通过砂浆或胶封固结。
本发明的减振道床，当所述周期垫层为弹性材料时，减小所述周期垫层宽度、减小周期垫层中薄层垫板的长度、增加周期垫层中沿行车方向相邻两薄层垫板间距离、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，减小所述周期垫层宽度、减小周期垫层中薄层垫板的长度、减小周期垫层中沿行车方向相邻两薄层垫板间距离、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。
本发明基于周期结构禁带理论进行周期减振道床的设计，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、横向和纵向三个方向的振动传播；
(2)可通过通过改变混凝土板与周期垫层的结构几何尺寸和材料组成来主动调整隔振频段的带宽和位置，可调节性强，可在200Hz以内形成多段禁带分布，最低隔振频率可低至5Hz，控制带宽最大可达135Hz以上；
(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，减轻轨道系统负担，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。
附图说明
图1为本发明的点铺周期垫层减振道床第一种实施方式的俯视图；
图2为本发明的点铺周期垫层减振道床第一种实施方式的A-A剖面图；
图3为本发明的点铺周期垫层减振道床第一种实施方式的主视图；
图4为本发明的点铺周期垫层减振道床第二种实施方式的俯视图；
图5为本发明的点铺周期垫层减振道床第二种实施方式的A-A剖面图；
图6为本发明的点铺周期垫层减振道床第二种实施方式的B-B侧剖面图；
图7为本发明的点铺周期垫层减振道床第三种实施方式的俯视图；
图8为本发明的点铺周期垫层减振道床第三种实施方式的A-A横剖面图；
图9为本发明的点铺周期垫层减振道床第三种实施方式的侧视图；
图10为本发明的点铺周期垫层减振道床第四种实施方式的俯视图；
图11为本发明的点铺周期垫层减振道床第四种实施方式的A-A横剖面图；
图12为本发明的点铺周期垫层减振道床第四种实施方式的B-B侧剖面图；
图13为本发明实施例中周期结构的禁带分布图。
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；2a、限位结构；
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、特征及其功效详细说明。以下说明中，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可以任意形式组合。
本发明的点铺周期垫层减振道床包括由混凝土板1-1与周期垫层1-2沿竖直方向交替重复排列构成的二维或三维散射型或局域共振型周期复合道床板1，其在竖直方向、横向和纵向有周期性和禁带特性，可以有效隔离竖向、横向以及纵向振动。
所述周期复合道床板1下方设有混凝土基底2，周期复合道床板1和混凝土基底2通过限位结构2a进行限位，防止发生相对位移；所述周期复合道床板1上表面设有承轨台4和注浆孔6，所述承轨台4上设有套管5，所述周期复合道床板1与限位结构2a之间设有弹性垫层3。
所述周期垫层1-2由方形的薄层垫板沿行车方向按某种规律离散分布，以沿行车方向(纵向)尺寸为长度、沿竖直方向尺寸为厚(高)度、沿横向尺度为宽度，薄层垫板的宽度小于混凝土板1-1宽度，同一周期垫层1-2沿横向可离散布置多块垫板，铺设范围不超出混凝土板1-1，形成垫层点铺效果。
在正线使用时，当所述周期垫层1-2中沿行车方向按某种规律离散分布(可以等间隔分布，也可以按规律离散分布)的方形薄层垫板为单列时，可布置在横向的中央位置，且覆盖道床板横向宽度的50％以上，隔层垫板等宽且保证隔层的竖直方向对齐，邻层垫板可沿纵向错位，同层垫板沿线路中心线对称，确保线路平顺性。
在正线使用时，当所述周期垫层1-2中沿行车方向按某种规律离散分布的方形薄层垫板为2列及以上时，可在两条钢轨正下方各布置一列，宽度、长度与所述承轨台4同宽、同长或相接近，可位于所述承轨台4正下方，如图1～6所示的两种实施方式。也可位于所述两承轨台4中间的正下方，如图7～12所示的两种实施方式。隔层的垫板等宽且保证隔层的垫板竖直方向对齐，邻层的垫板可沿横、纵向错位，同层垫板沿线路中心线对称，以确保线路的平顺性。周期复合道床板1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。每一块混凝土板1-1与相邻的一块周期垫层1-2构成一个基本单元，整个周期复合道床板1包含基本单元重复数至少为2，在图1-12所示的实施例中，基本单元重复数为3。
通过上述方式，达到周期垫层1-2点铺于混凝土板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。
在图1和图7所示的实施例中，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，用于限制所述周期复合道床板侧移或沿纵向滑移，弹性垫层用于减缓冲击力。
在图4和图10所示的实施例中，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。
所述相邻层的周期垫层1-2在竖直方向上对齐且同一层周期垫层1-2中仅有一列方形垫板沿行车方向布置时，所述周期复合道床板1为长方晶格布置方式的二维散射型或局域共振型周期结构，在竖直方向和纵向有周期性和禁带特性；
所述相邻层的周期垫层1-2在竖直方向上不对齐(纵向错位)且同一层周期垫层1-2中仅有一列方形垫板沿行车方向布置时，所述周期复合道床板1为六角晶格布置方式的二维散射型或局域共振型周期结构，在竖直方向和纵向有周期性和禁带特性；
所述同一层周期垫层1-2中有一列以上方形垫板沿行车方向布置时，所述周期复合道床板1为长方体晶格布置方式的三维散射型或局域共振型周期结构，在竖直方向、纵向和横向等三个方向有周期性和禁带特性。
通过上述方式，振动能量经过周期性的衰减可得到有效控制。
所述周期垫层为弹性层如橡胶、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。
作为可选的实施方式，所述多个基本单元厚度加和在0.3m～0.54m之间，所述周期垫层1-2包含弹性材料层时，多层周期垫层1-2中弹性层的厚度加和不得超过0.04m。优选的，所述混凝土板1-1与周期垫层1-2之间采用砂浆或胶封，黏贴固结。通过上述方式，可使点铺周期垫层减振道床达到建筑限界和轨道系统刚度以及位移要求。
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，实施方式一～实施方式四中均采用了离散型式的承轨台4，凸起部分可为薄层长方体形状，所述承轨台4相邻的中心距为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。作为可选的实施方式，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。作为可选的实施方式，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。
所述周期复合道床板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，有效抑制竖直方向和横向振动。
作为可选的实施方式，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，产生更好的低频隔振效果，可减小所述周期垫层1-2宽度、减小周期垫层1-2中薄层垫板的长度、增加周期垫层1-2中沿行车方向相邻两薄层垫板间距离、增加所述混凝土板1-1和周期垫层1-2的厚度、降低所述混凝土板1-1和周期垫层1-2的弹性模量、增加所述混凝土板1-1和周期垫层1-2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；
作为可选的实施方式，当周期垫层1-2为弹性垫层时，为增加首阶完全禁带的带宽，即产生更宽频段的隔振效果，可减小所述周期垫层1-2宽度、减小周期垫层1-2中薄层垫板的长度、减小周期垫层1-2中沿行车方向相邻两薄层垫板间距离、增加所述混凝土板1-1的厚度、减小所述周期垫层1-2的厚度、增加所述混凝土板1-1和周期垫层1-2的弹性模量、增加所述混凝土板1-1和周期垫层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，可在200Hz以内形成多段禁带分布，最低隔振频率可低至5Hz，控制带宽最大可达146Hz。
所述点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。
实施例一
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，宽度0.2m，长度0.2m，实施方式一和实施方式二中，布置在所述承轨台4正下方；实施方式三和实施方式四中，布置在所述两相邻承轨台4中间的正下方。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3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，实施方式一和三中，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)；实施方式二和四中，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。
图7为上述实施例所对应周期结构的禁带分布图，在44～86Hz以及88～234Hz出现宽频带的禁带分布，禁带范围内振动将得到大幅衰减。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，点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。
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