一种基于局域共振机理的桥墩/桩基柱壳隔振结构的制作方法

1.本实用新型涉及一种基于局域共振机理的桥墩/桩基柱壳隔振结构，属桥梁桩体防振技术领域。


背景技术：

2.随着高架轨道交通的快速发展，列车荷载激励下引起的桥梁结构振动与噪声问题日愈突出。特别当高架桥梁穿越居民区和城区时，所引起的环境振动和噪声污染对沿线临近居民的工作与生活健康、临近建筑物和精密仪器的正常使用等造成了不利影响，成为最具代表性的环境问题。
3.局域共振机理属于声子晶体理论，即通过使材料结构呈现一定周期性，从而会产生弹性波带隙，而处于弹性波禁带频率范围内的弹性波信号不能通过，因而近年来逐渐应用到隔振降噪领域。
4.通过设计不同材料组分搭配及周期结构形式，可对一定频带内的振动信号进行有效隔离，使得声子晶体在隔振降噪领域具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是，为了解决列车荷载激励下引起的桥梁结构振动与噪声问题，公开一种基于局域共振机理的桥墩/桩基柱壳隔振结构。
6.本实用新型实现的技术方案如下，一种基于局域共振机理的桥墩/桩基柱壳隔振结构，包括混凝土外保护层、混凝土盖板、混凝土底座和局域共振型隔振组件；所述隔振结构为紧密包裹在桥墩或桩基外部的圆环柱壳结构；在圆环柱壳结构内设置了局域共振型隔振组件；圆环柱壳结构上部为混凝土盖板，下部为混凝土底座，圆周为混凝土外保护层，三者无缝连接。
7.所述局域共振型隔振组件包括橡胶基体和嵌入基体内的散射体；所述橡胶基体由废弃橡胶制品绞碎填充；所述散射体为金属柱状体，垂直于混凝土底座，均匀分布在所述混凝土盖板与混凝土底座之间。
8.所述金属柱状体为圆柱、四棱柱体或多棱柱体。
9.所述金属柱状体在圆环柱壳结构内圆周的垂直方向分布；所述金属柱状体均匀分布在桥墩或桩基外组成围绕桥墩或桩基的同心圆周，且至少分布两圈，里外圆周均匀分布的金属柱状体数量相同；同一横截面上相邻两圈的金属柱状体中心的连线与桥墩或桩基中心处同一直线；同一圈圆周均匀分布的金属柱状体形状相同；同一横截面上相邻两圈分布的金属柱状体形状相同，但横截面直径，外圈大于内圈。
10.所述圆周均匀分布的金属柱状体数量应能等分圆周360
º
。
11.所述混凝土保护层厚度为150mm；采用c20混凝土浇筑。
12.所述混凝土保护层包括混凝土外保护层、混凝土盖板、混凝土底座。
13.本实用新型的工作原理如下：局域共振机理属于声子晶体理论，即通过使材料结
构呈现一定周期性，从而会产生弹性波带隙，而处于弹性波禁带频率范围内的弹性波信号不能通过。当桩基或桥墩振动横向传递至隔振组件时，声子晶体基体（即橡胶材料填充层）的表面振动变形减少；最大变形发生散射体即金属柱状体附近，即散射体的共振代替了基体表面的运动，振动能量被散射体的局域共振所消耗。
14.采用不同横截面积的金属柱状体时，质量不同，形成不同的散射体填充比及不同的局域共振频率（如图5所示），从而可以实现覆盖低频及中高频的隔振能力。与单一散射体填充比相比（如图1所示），具有更宽频的隔振能力。
15.本实用新型的有益效果在于，本实用新型基于局域共振声子晶体理论和橡胶材料的减振作用，可有效对车桥振动向周围环境的传递进行阻隔，并且可以通过调整声子晶体周期性结构形式，实现隔振频率的可调节，以更好的满足土建工程隔振的需要。
16.本实用新型隔振组件结构简单且材料易获取，橡胶基体材料可以选用废弃轮胎等后加工获得，金属散射体可选用废弃钢材后加工制作，且隔振效果明显。经过数值仿真计算，本发明的最大隔振效果可达15db左右。
17.本实用新型隔振结构为双向隔振，一方面可以减弱桥墩/桩基振动向周围土体的传播，另一方面也可以减少土体振动对桥墩的影响。
附图说明
18.图1为柱壳隔振结构横截面示意图；
19.图2为柱壳隔振结构竖截面a-a剖视图；
20.图3为柱壳隔振结构金属柱状体为四棱柱的横截面示意图；
21.图4为晶格常数ⅱ横截面示意图；
22.图5为填充比ⅱ横截面示意图；
23.图中，1为混凝土外保护层；2为桥墩或桩基；3为金属柱状体（圆柱形）；4为橡胶基体；5为混凝土盖板；6为混凝土底座；7为金属柱状体（四棱柱形）。
具体实施方式
24.本实用新型的具体实施方式如图1~图5所示。
25.如图和图2所示，本实施例一种基于局域共振机理的桥墩/桩基柱壳隔振结构，包括混凝土外保护层1、混凝土盖板5、混凝土底座6和局域共振型隔振组件。
26.本实施例隔振结构为紧密包裹在桥墩或桩基2外部的圆环柱壳结构；在圆环柱壳结构内设置了局域共振型隔振组件；圆环柱壳结构上部为混凝土盖板5，下部为混凝土底座6，圆周为混凝土外保护层1，三者无缝连接。
27.本实施例局域共振型隔振组件包括橡胶基体4和嵌入基体内的散射体；所述橡胶基体4由废弃橡胶制品绞碎填充；所述散射体为金属柱状体3、7，垂直于混凝土底座6，均匀分布在所述混凝土盖板5与混凝土底座6之间。
28.金属柱状体为圆柱、四棱柱体或多棱柱体。
29.每个金属柱状体3或7与橡胶基体4组成了典型的“质量-弹簧”系统。混凝土外保护层1、混凝土盖板5和混凝土底座6对内部橡胶基体4材料起保护作用，以防止橡胶氧化。
30.本实施例金属柱状体在圆环柱壳结构内圆周的垂直方向分布，如图2所示。所述金
属柱状体均匀分布在桥墩或桩基外组成围绕桥墩或桩基的同心圆周，且至少分布两圈，里外圆周均匀分布的金属柱状体数量相同，如图3-图5所示；同一横截面上相邻两圈的金属柱状体中心的连线与桥墩或桩基中心处同一直线；同一圈圆周均匀分布的金属柱状体形状相同，如图3、图4所示；同一横截面上相邻两圈分布的金属柱状体形状相同，但横截面直径，外圈大于内圈，如图5所示。
31.采用不同横截面积的金属柱状体时，质量不同，形成不同的散射体填充比及不同的局域共振频率（如图5所示），从而可以实现覆盖低频及中高频的隔振能力。与单一散射体填充比相比（如图1所示），具有更宽频的隔振能力。
32.通过设计不同的晶格系数、晶格形状，可以实现中高频段的隔振带宽拓展。如图1和图4对比所示，不同的晶格系数d1和d2，产生的隔振频带是不一样的。禁止频率与晶格系数存在一定关系：波长（与中心频率对应）=1/2
×
晶格系数。
33.其中，晶格系数为相邻声子晶体晶胞中心之间的距离。故采用多种晶格系数，可有效增大带宽，提供更大更宽的频带振动吸收能力。
34.以上散射体尺寸、晶格系数等参数根据工程需要进行设计。
35.实施例1
36.本实施例的局域共振型隔振组件采用圆柱形金属柱状体3，本实施例桥墩/桩基柱壳隔振结构的横截面如图1所示。
37.本实施例在桥墩/桩基2与混凝土外保护层1之间设置了两圈圆柱形金属柱状体3，每圈的圆周方向设置了12根横截面直径相等的圆柱形金属柱状体3；自桥墩/桩基2的中心，在横截面上，两圈相邻的金属柱状体3中心的连线的延长线通过该中心。
38.实施例2
39.本实施例的局域共振型隔振组件采用四棱柱形金属柱状体7，本实施例桥墩/桩基柱壳隔振结构的横截面如图3所示。
40.本实施例在桥墩/桩基2与混凝土外保护层1之间设置了两圈四棱柱形金属柱状体7，每圈的圆周方向设置了12根横截面直径相等的四棱柱形金属柱状体7；自桥墩/桩基2的中心，在横截面上，两圈相邻的四棱柱形金属柱状体7中心的连线的延长线通过该中心。
41.实施例3
42.本实施例的局域共振型隔振组件采用圆柱形金属柱状体3，本实施例桥墩/桩基柱壳隔振结构的横截面如图4所示。
43.本实施例在桥墩/桩基2与混凝土外保护层1之间设置了三圈圆柱形金属柱状体3，每圈的圆周方向设置了6根横截面直径相等的圆柱形金属柱状体3；自桥墩/桩基2的中心，在横截面上，三圈相邻的金属柱状体3中心的连线的延长线通过该中心。
44.实施例4
45.本实施例的局域共振型隔振组件采用圆柱形金属柱状体3，本实施例桥墩/桩基柱壳隔振结构的横截面如图5所示。
46.本实施例在桥墩/桩基2与混凝土外保护层1之间设置了两圈圆柱形金属柱状体3，同一圈的圆周方向设置了12根横截面直径相等的圆柱形金属柱状体3；外圈的圆柱形金属柱状体3的横截面直径比内圈的圆柱形金属柱状体3的横截面直径大；自桥墩/桩基2的中心，在横截面上，两圈相邻的金属柱状体3中心的连线的延长线通过该中心。