一种仿生犀牛角层状结构的减振坑装置及其施工方法与流程

本发明涉及基坑爆破施工减振，尤其涉及一种仿生犀牛角层状结构的减振坑装置及其施工方法。

背景技术：

1、在基坑爆破施工减振技术领域中，现有技术大都是采用单一材料填充或简单空腔结构优化，通过这种使用，达到消耗冲击波能量，降低邻近建（构）筑物振动的目的。但是，现有技术中，由于材料单一，会有如下不足，不足之处在于：冲击波耗散机制单一，对不同峰值强度、持续时间的冲击波适应性有限；结构内部阻抗分布简单，难以在传播过程中形成持续、多级的透射、反射。

2、现有技术中的中国专利文献：cn119901181a中公开了一种花岗岩地质深基坑爆破减振结构及爆破方法，其步骤如下：s1、在爆破点外侧开凿矩形减震沟，在矩形减震沟中放置受力板，再根据实际需要确定爆破点之间的距离；s2、调节定位装置，在花岗岩上根据爆破点的布局，使用钻孔设备（如潜孔钻或挖改钻）进行钻孔；s3、钻孔的深度和直径应根据炸药和爆破需求进行调整；s4、在装药完成后，对爆破区域进行安全检查，确保没有人员或设备在危险区域内；s5、进行爆破，减震沟将会抵消大部分的冲击力，从而减少对周围建筑物的影响。

3、但上述方案在实施过程中，至少存在如下技术问题：减振坑装置结构波阻抗单一、耗能能力有限的不足。因此，亟需提出一种仿生犀牛角层状结构的减振坑装置及其施工方法。

技术实现思路

1、鉴于以上技术问题，本公开提供了一种仿生犀牛角层状结构的减振坑装置及其施工方法，解决了现有技术中减振坑装置结构波阻抗单一、耗能能力有限的不足的技术问题。通过设置立方体外壳、层状排列的三棱柱骨架以及置于三棱柱内部的多级橡胶空心管，可在冲击波传播过程中同时利用空气腔与橡胶填充单元之间的波阻抗差异产生反射和散射，并利用橡胶管之间及其与三棱柱内壁之间的挤压、碰撞和摩擦作用进一步耗散能量，从而提升减振坑的隔振效果。

2、根据本公开的一个方面，提供一种仿生犀牛角层状结构的减振坑装置，包括外部壳体，所述外部壳体具有用于接收应力波的来波面；

3、所述外部壳体内层状排列多个三棱柱结构；所述三棱柱结构内部以堆叠方式布置多个空心橡胶管，所述外部壳体内、除三棱柱结构及其内部的空心橡胶管所占据的空间外，其余区域为空腔。

4、在本公开的一些实施例中，所述空心橡胶管的直径设置为：靠近来波面一侧的空心橡胶管直径大于远离来波面一侧的空心橡胶管直径，从而沿波的传播方向形成梯度化耗能结构。

5、在本公开的一些实施例中，所述多个三棱柱结构的尖角朝向所述外部壳体的来波面设置，三棱柱结构的棱线方向平行于来波面，以使得装置被置于减震坑内时，棱线方向垂直于爆炸波的传播方向。

6、在本公开的一些实施例中，所述外部壳体内相邻层中的三棱柱结构采用错位排布方式。

7、在本公开的一些实施例中，所述多个三棱柱结构的内部空间为三棱柱形空腔，所述多个空心橡胶管的轴线均平行于所述三棱柱结构的棱线方向，且与所述三棱柱结构的内壁相切或接触。

8、在本公开的一些实施例中，所述空心橡胶管的管壁厚度沿远离所述来波面的方向、以与直径相同的趋势逐层递减，以进一步强化梯度耗能结构。

9、还包括并排式阵列的层叠式减震块，所述层叠式减震块包括外壳和设置于外壳内部的层叠式耗能结构；所述层叠式耗能结构由多个层片堆叠而成，每个层片由金属层片与聚合物层片交替排列构成；

10、所述金属层片为磁性层片，所述外壳的侧壁上固定设置永磁体阵列，磁性层片与永磁体之间产生磁力相互作用，形成非接触式阻尼，所述金属层片与聚合物层片之间，在轴向压缩作用下形成从间隙摩擦到接触摩擦的渐进式阻尼模式；

11、所述环形层片中至少一部分层片在其外缘设有径向凸出的摩擦翼片，所述外壳内壁对应位置设有轴向延伸的摩擦滑槽，所述摩擦翼片插入所述摩擦滑槽中，在轴向压缩时产生沿滑槽的滑动摩擦。

12、所述外壳的顶部设压盖，压盖通过一组预紧螺栓与外壳连接，所述预紧螺栓上套设碟形弹簧，用于调节对层叠式耗能结构的初始轴向预紧力。

13、一种基于梯度孔隙结构的爆炸波梯度耗能减振方法，包括以下步骤：

14、s1：梯度耗能体配置，构建一内部具有层状三棱柱阵列的立方箱体，使箱体内部除三棱柱区外形成空气空腔区；在三棱柱内部堆叠填充弹性空心橡胶管，并使不同层或不同位置的橡胶管直径形成梯度：靠近预设来波面一侧的橡胶管直径较大，远离来波面一侧的直径较小，以形成阻抗与刚度的梯度分布；

15、s2：定向方位安置，将所述立方箱体整体置于减振坑内，使三棱柱的长度方向与爆炸波的传播路径垂直；同时，将三棱柱的尖角朝向爆炸面，并将相邻层的三棱柱作错位排布，以增加后续波传播路径的曲折度；

16、s3：波阻抗界面散射衰减，当外部介质中的应力波传入箱体后，利用空气空腔区与填充橡胶管的三棱柱区之间显著的波阻抗差异，迫使入射波在各类界面处发生多次反射、折射与散射，使波能量在界面效应下产生第一次大幅衰减；

17、s4：多模式接触耗能激发，使传递入三棱柱区的应力波驱动橡胶管动作：单个橡胶空心管产生压缩、弯曲和局部变形；相邻橡胶管之间发生接触碰撞；橡胶管与三棱柱内壁之间产生挤压摩擦和碰撞；通过上述变形、碰撞与摩擦，将冲击能量转化为变形能、动能与热能而耗散；

18、s5：梯度渐进分层衰减，利用梯度分布的管径，使来波面一侧的大直径橡胶管在初始冲击阶段优先产生大变形，吸收较高比例的初始能量；随后，利用后续层中小直径橡胶管更高的填充数量和接触频率，在传播过程中引发更多频次的碰撞与摩擦，形成从大变形吸能到高频碰撞耗能的渐进式、多级耗能过程，最终大幅降低透过装置的应力波强度。

19、本发明的有益效果在于：

20、1.构建多机制协同耗能体系

21、本发明利用空气腔与橡胶填充区之间的波阻抗差异，对冲击波的能量进行耗散；并利用橡胶管之间以及橡胶管与三棱柱结构之间的挤压、碰撞和摩擦实现二次耗能，耗能机理更加丰富。

22、2.仿生犀牛角结构提升抗冲击能力

23、采用仿生犀牛角结构，采用层状堆叠，能够改变冲击波在装置内部的传播路径，延长传播行程，降低局部应力集中，提高整体抗冲击与隔振性能。

24、3.适用减振坑工程应用，可调谐设计

25、本发明适用于减振坑工程应用，可根据坑体尺寸进行单体布置或多元阵列布置，工程适应性较强。可根据爆炸荷载特性调整三棱柱层数、排列角度、橡胶管数量、管径和空腔比例，便于实现定制化设计。

26、金属层片与聚合物层片之间形成从间隙摩擦到接触摩擦的渐进过渡，而非开关式突变，大幅降低减震过程中的冲击感与二次伤害。永磁体与磁性层片之间无物理接触，完全避免了传统摩擦阻尼器的磨粒磨损、粘着磨损问题，尤其适合长期高频微振动环境。永磁体提供恒定磁场，被动式工作，不耗电、无液压油泄漏风险，环境适应性强（耐高低温、真空、粉尘）。多个减震块并排布置，总承载能力倍增；同时单个减震块失效不影响其他模块，系统级可靠性高。相对于单一大型减震器，并排阵列可以灵活填充不规则安装空间（如设备底座空隙、桥梁支座凹槽），且便于运输和现场吊装。实现了非接触磁阻尼（无磨损高频响应）+ 层间渐进摩擦（平滑过渡）+ 翼片滑槽滑动摩擦（稳定大耗能）的三机制融合，通过预紧力可调、模块化层叠、并排阵列的结构设计，获得了宽频自适应、长寿命、易维护、高容错的综合性能优势，特别适合需要同时控制微振动与强冲击的工程场景。