新型钢弹簧浮置板隔振市政道路设计方法

1.本发明涉及市政道路设计技术领域，具体地，涉及新型钢弹簧浮置板隔振市政道路设计方法。


背景技术：

2.随着人们生活水平的不断提高，交通的振动对环境的影响越来越受到关注，交通振动已成为了国际上七大公害之一。同时由于城市的快速发展，城市用地的日趋紧张，市政道路离城市建筑物的距离越来越小，最短距离甚至只有几米，市政交通的振动会对临近建筑物的安全或者临近建筑物内人体舒适度造成显著的不利影响。
3.针对市政交通的振动对临近建筑物安全或者临近建筑物内人体舒适度造成的不利影响，目前常用隔振技术手段进行隔振。目前常用的隔振技术手段有地面振动屏障隔振，如行道树-排水沟-多孔波阻板组合隔振屏障、排桩填充式隔振沟、带波阻块的装配式隔振沟等，但是这种隔振手段对于靠近建筑物的市政道路难以适用；建筑物基础隔振，即在建筑物基础上设置隔振层(一般采用隔震支座)，这种隔振方法会大量增加建筑物工程造价，增加后续养护维修难度。由于钢弹簧浮置板可从振源传递过程控制，保证了其具有良好的隔振效果，并且其具有固有频率低(3～5hz)，隔振可达15～25db等优点，目前已大量应用在轨道交通隔振上，近来也开始应用于市政道路减振上。市政交通荷载激励频率的范围在10～40hz，而钢弹簧浮置板的基频的范围为3～5hz，小于倍市政交通荷载激励频率，把钢弹簧浮置板应用于市政道路隔振，从理论上可以确保达到良好的隔振效果。
4.但是，目前，对于钢弹簧浮置板隔振市政道路振动控制设计，缺少一套完整、可行的定量分析一体化控制技术，仅靠科学试验来设计隔振方案，缺少普遍性，难以大规模应用设计。如果根据已有经验进行设计，设计方案很可能达不到预期的隔振效果，将会影响临近建筑物人体舒适度，甚至带来安全隐患，个别的还需要返工或重新设计，造成很多不必要的花销。为了解决上述问题，需考虑计算方法的通用性，并且确保该计算方法对钢弹簧浮置板隔振市政道路是行之有效的。


技术实现要素：

5.针对目前市政道路振动控制设计缺少一套完整、可行的定量分析一体化控制技术，本发明提出一种新型钢弹簧浮置板隔振市政道路设计方法，该方法能够最大限度地减小汽车荷载作用下市政道路振动，从而能够保证满足市政道路邻近的居民区、商业区、文教区等区域的振动要求。
6.为了达到上述的目的，本发明提出五阶段设计的钢弹簧浮置板隔振道路设计方法，应用于市政道路的振动控制，其技术方案如下：
7.一种新型钢弹簧浮置板隔振市政道路设计方法，包括如下步骤：
8.s1.选择与目标浮置板隔振道路具有相同或相似的交通车辆荷载因素的市政道路
进行振动测试，得到市政道路振动实测数据；根据得到的市政道路振动实测数据，确定市政道路交通车辆的数值计算模型；
9.s2.根据不同区域的振动控制要求，确定振动控制限值；
10.s3.确定浮置板隔振道路的结构参数范围；
11.s4.在所述结构参数范围内选取结构参数，对浮置板隔振道路的结构参数建立浮置板隔振道路的数值模型；
12.s5.对步骤s4建立的浮置板隔振道路的数值模型进行静力计算，判断静力计算结果是否满足受力要求，如果满足受力要求，则进行下一步，如果不满足受力要求，对浮置板隔振道路的结构参数进行初步优化，返回步骤s4；将满足受力要求的数值模型，输入步骤s1得到的市政道路交通车辆的数值计算模型，进行动力计算，得到浮置板隔振道路附近的路面振动响应；
13.s6.选取浮置板隔振道路周围的敏感建筑，以步骤s5中得到的路面振动响应作为激励计算所述敏感建筑内部的振动，并对计算得到的振动进行评价，判断隔振后的敏感建筑内部的振动是否满足规范，如果满足规范，则进行下一步，如果不满足规范，进一步优化浮置板隔振道路的结构参数，返回步骤s4；
14.s7.对满足隔振要求的浮置板隔振道路采用隔振效果评估指标验证隔振效果，判断计算得到的隔振效果评估指标值是否低于步骤s2确定的振动控制限值，如果低于步骤s2确定的振动控制限值，则浮置板隔振道路满足隔振要求，结束设计，如果不低于步骤s2确定的振动控制限值，则浮置板隔振道路不满足隔振要求，再进一步优化浮置板隔振道路的结构参数，返回步骤s4。
15.进一步地，步骤s1中，所述确定市政道路交通车辆的数值计算模型具体包括如下步骤：对所述市政道路振动实测数据进行频谱分析，获得市政道路振动功率谱，再采用三角级数法对获得的市政道路功率谱进行模拟，并施加在移动力上，得到市政道路交通车辆的数值计算模型。
16.进一步地，所述步骤s3具体包括：
17.s31.通过正交试验和有限元分析，确定浮置板隔振道路的长度、宽度和厚度；
18.s32.将钢弹簧浮置板隔振道路简化为简支梁，建立浮置板道路有限元模型，采用永久作用和0.5可变作用作为静力荷载，计算出钢弹簧刚度的范围；
19.s33.将钢弹簧浮置板视为单自由度体系，根据基频范围，计算出钢弹簧间距的范围。
20.进一步地，步骤s32中，所述计算出初设的钢弹簧刚度的范围，具体的计算方式如下：
21.计算出静力荷载作用下浮置板隔振道路最大的位移值，查询城市桥梁规范得出允许最大位移值；
22.根据所述浮置板隔振道路最大的位移值和允许最大位移值，按下式计算弹簧对浮置板隔振道路产生的变形：
23.yg＝-(y
max-y
al
)(1)
24.式中，yg为浮置板道路跨中挠度，y
max
为静力荷载作用下浮置板隔振道路最大的位移值，y
al
为浮置板道路允许最大位移值；
25.浮置板道路跨中挠度可通过下式得到：
[0026][0027]
式中：yg为浮置板道路跨中挠度，f为钢弹簧反力，l为浮置板道路长度，e为混凝土弹性模量，i为截面惯性矩；
[0028]
综合式(1)和(2)，得到钢弹簧反力；根据钢弹簧反力和所述允许最大位移值，按下式计算出钢弹簧刚度的阈值，并根据所述钢弹簧刚度的阈值设定出钢弹簧刚度的范围：
[0029][0030]
式中：k0为钢弹簧刚度，f为钢弹簧反力，y
al
为浮置板隔振道路允许最大位移值。
[0031]
进一步地，步骤s32中，所述浮置板道路有限元模型是通过浮置板用板单元和隔振器用弹簧阻尼单元进行建立。
[0032]
进一步地，步骤s33中，所述基频范围是根据基频需小于倍的交通荷载激励频率进行设定。
[0033]
进一步地，步骤s33中，所述计算出钢弹簧间距的范围，具体的计算方式如下：
[0034]
利用基频范围，通过下式求出弹簧总刚度的范围：
[0035][0036]
式中：f为基频，k为弹簧总刚度，m为混凝土板质量；
[0037]
利用所述弹簧总刚度的范围和从所述钢弹簧刚度的范围选取的钢弹簧刚度，通过下式求出钢弹簧个数的范围；
[0038]
k＝nk1(5)
[0039]
式中：k为弹簧总刚度，n为钢弹簧个数，k1为钢弹簧刚度；
[0040]
利用所述浮置板道路长度、浮置板道路宽度和钢弹簧个数的范围，通过下式计算出弹簧间距的范围：
[0041][0042]
式中：lg为弹簧间距，a为浮置板道路长度，b为浮置板道路宽度，n0为初设的钢弹簧个数；
[0043]
进一步地，所述步骤s5具体包括：
[0044]
s51.将钢弹簧浮置板隔振道路视为多点支承的混凝土板式桥结构，按照桥梁规范计算浮置板隔振道路在各种作用组合下的内力、变形和应力，对所述内力、变形和应力按规范采用分项系数进行组合；
[0045]
s52.根据步骤s51计算得到的结果，按照承载能力极限状态基本组合进行配筋设计；
[0046]
s53.判断由步骤s51得到的结果是否满足受力要求，如果满足步骤s43中所述的受力要求，则进行下一步，如果不满足，则对浮置板隔振道路的结构参数进行初步优化，返回步骤s4。
[0047]
进一步地，所述受力要求为：浮置板隔振道路短期效应组合值产生的长期挠度在消除结构自重产生的长期挠度和短期效应组合值产生的裂缝，均小于正常使用极限状态的限值。
[0048]
进一步地，步骤s5中，所述动力计算是通过瞬态动力学进行计算，所述瞬态动力学的计算公式如下式：
[0049][0050]
式中：m、c、k分别为浮置板道路模型质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，u、分别为浮置板道路模型的位移、速度和加速度，f为外部输入荷载。
[0051]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0052]
本发明提出的钢弹簧浮置板市政道路振动控制设计方法，通过现场测试分析和数值模拟分析相结合，分阶段进行设计，可得到最优的结构参数，从而可得到最优的钢弹簧浮置板市政道路，可以最大限度地减小汽车荷载作用下市政道路振动，从而能够保证满足市政道路邻近的居民区、商业区、文教区等区域的振动要求。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施例的钢弹簧浮置板隔振道路设计方法的流程图；
[0054]
图2为本发明实施例的汽车荷载下的钢弹簧浮置板隔振道路的示意图；
[0055]
图中：1、钢弹簧浮置板隔振道路；2、钢弹簧。
具体实施方式
[0056]
为了更详细地说明本发明的技术内容，下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的新型钢弹簧浮置板隔振道路设计方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下具体实施例。本发明的新型钢弹簧浮置板隔振道路设计方法为汽车荷载下钢弹簧浮置板隔振道路设计方法，需要说明的是：
[0057]
①
本发明的汽车荷载下钢弹簧浮置板隔振道路设计采用现场测试分析与数值模拟分析相结合的分阶段设计与实施的振动控制技术；
[0058]
②
由于不同路段的车流梁、车型和车速等不同，难以用纯理论方法准确地描述市政道路车流动力荷载规律，因此需要制定有针对性的现场测试方案。
[0059]
③
本发明的汽车荷载下钢弹簧浮置板隔振道路设计是在满足行车安全性和平顺性控制要求满足前提下，再进行钢弹簧浮置板隔振道路设计的。
[0060]
请参考图1，本实施例的新型钢弹簧浮置板隔振市政道路设计方法包括如下步骤：
[0061]
第一阶段：市政道路振动测试与分析
[0062]
(1)根据浮置板隔振市政道路预测的车流、车型和车速等交通荷载因素，选择与浮置板隔振市政道路具有相同因素或相似因素的市政道路进行振动测试，得到市政道路振动实测数据，确定交通车辆荷载的振动主频和荷载模型。具体地，通过在行车道旁放置传感器对市政道路进行振动测试，得到市政道路振动实测数据，该传感器可沿着行车道的长度方向设置间隔设置多个，并且可以设置多排。由于不同路段的车流梁、车型和车速等不同，难以用纯理论方法准确地描述市政道路车流动力荷载规律，因此需要根据实际情况制定有针对性的现场测试方案。
[0063]
(2)对得到的市政道路振动实测数据进行频谱分析，获取市政道路振动功率谱，再采用三角级数法对市政道路功率谱进行模拟，并施加在移动力上，确定市政道路交通车辆的数值计算模型，为钢弹簧浮置板市政道路隔振计算提供切合实际的激励源。
[0064]
第二阶段：区域振动控制分析
[0065]
研究分析不同区域的振动控制要求，根据不同区域的振动控制要求选用相应的规范/标准，采用相应的评价指标，确定振动控制限值，为进行市政道路振动控制设计提供参考依据。上述规范/标准均为本领域所公知的规范/标准。比如，上述规范/标准选用《城市区域环境振动标准》时，振动评价指标为铅垂向z振级，城市各类区域均有对应的铅垂向z振级标准值。
[0066]
第三阶段：钢弹簧浮置板隔振道路(以下简称浮置板隔振道路)参数设定
[0067]
(1)根据实际工程防排水的需要，通过正交试验和有限元分析，进行参数分析，找到最优的设计参数，确定浮置板隔振道路的长度、宽度和厚度。
[0068]
(2)把浮置板隔振道路视为一两端支撑的简支梁，通过浮置板用板单元和隔振器用弹簧阻尼单元，建立浮置板隔振道路fem模型，采用永久作用和0.5可变作用作为静力荷载，计算出静力荷载作用下浮置板隔振道路的最大的位移值，查询桥梁规范得出允许最大位移值y
al
，允许最大位移值y
al
：
[0069][0070]
式中：y
al
为允许最大位移值，lj为计算跨径。
[0071]
为了满足浮置板隔振道路行车的平顺性和舒适性，钢弹簧支撑力需使浮置板隔振道路产生变形为：
[0072]
yg＝-(y
max-y
al
)
ꢀꢀ
(2)
[0073]
式中：yg为简支浮置板道路跨中挠度，y
max
为静力荷载作用下浮置板隔振道路最大的位移值，y
al
为浮置板道路允许最大位移值。
[0074]
而简支浮置板隔振道路跨中的挠度的计算式可由下式获得：
[0075][0076]
式中：yg为简支浮置板道路跨中挠度，f为钢弹簧反力，l为浮置板道路长度，e为混凝土弹性模量，i为截面惯性矩。
[0077]
将上述式(3)代入式(2)，可以得出钢弹簧反力f。
[0078]
至此，利用钢弹簧反力和浮置板隔振道路允许最大位移值，利用下式(4)可以得到钢弹簧刚度的最小值，通过钢弹簧刚度的最小值就可以设定出钢弹簧刚度的范围：
[0079][0080]
式中：k0为钢弹簧刚度，f为钢弹簧反力，yal为浮置板隔振道路允许最大位移值。
[0081]
同时，可结合钢弹簧刚度的范围和钢弹簧隔振器的产品规格性能选择钢弹簧刚度，可设定出初设的钢弹簧刚度。
[0082]
(3)根据市政道路交通荷载激励频率在10～40hz，要使浮置板隔振道路起到隔振效果，基频需小于倍的交通荷载激励频率，由此可以得到基频的上限值，从而可设定出
基频范围；
[0083]
把钢弹簧浮置板视为单自由度体系，其基频的计算式如下：
[0084][0085]
其弹簧总刚度的计算式如下：
[0086]
k＝nk1ꢀꢀ
(6)
[0087]
式中：k为弹簧总刚度，m为混凝土板质量，n为钢弹簧个数，k1为钢弹簧刚度。
[0088]
利用设定的基频范围以及上述式(5)和式(6)，可以得出钢弹簧个数范围，其中钢弹簧刚度由上述的方法确定；根据得到的钢弹簧个数的范围，按照下式即可确定钢弹簧间距的选取范围：
[0089][0090]
式中：lg为弹簧间距，a为浮置板道路长度，b为浮置板道路宽度，n0为钢弹簧个数。
[0091]
从而，初步确定钢弹簧浮置板隔振道路的结构参数，对初步确定的钢弹簧浮置板隔振道路结构参数，结合实际工程，具体是结合道路平面尺寸和荷载等级，建立钢弹簧浮置板隔振道路的数值模型。
[0092]
第四阶段：浮置板隔振道路静力、动力计算
[0093]
(1)对建立的钢弹簧浮置板隔振道路的数值模型，进行静力计算分析：
[0094]
把钢弹簧浮置板隔振道路视为多支撑桥梁，按《城市桥梁设计规范》进行静力计算。由实际工程，选择车辆荷载、温度等荷载计算值，分别计算各种作用下，浮置板隔振道路的内力、变形和应力，分别计算各种作用下，浮置板隔振道路的内力、变形和应力。对浮置板隔振道路的内力、变形和应力按规范采用分项系数进行组合。
[0095]
先按照承载能力极限状态基本组合下进行配筋设计。
[0096]
具体地，由浮置板隔振道路的内力基本组合值，对浮置板隔振道路进行配筋设计，使抗力r大于效应s，以满足行车安全性要求，具体如下式：
[0097]
sd≤r
[0098]
式中：sd为作用组合，r为设计值。
[0099]
根据正常使用极限状态短期组合下的长期挠度与裂缝对钢弹簧的刚度和间距进行初步优化。具体地，根据对浮置板隔振道路短期效应组合值产生的长期挠度在消除结构自重产生的长期挠度不能超过跨径的以满足行车平顺性要求以满足行车平顺性要求；短期效应组合值产生的裂缝不能超过规范限值，对钢弹簧的间距和刚度进行优化。
[0100]
更为具体地，判断隔振道路短期效应组合值产生的长期挠度在消除结构自重产生的长期挠度是否小于超过跨径的若是，则进行下一步，若否，则对钢弹簧间距和刚度进行初步优化，返回第三阶段，建立新结构参数的数值模型。具体可通过下式判断：
[0101][0102]
式中：l
l
为频遇组合产生长期挠度值，lj为计算跨径
[0103]
并判断短期效应组合值产生的裂缝是否小于规范限值，具体如下式：
[0104]wcr
≤ws[0105]
式中：w
cr
为按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算最大裂缝，ws为最大裂缝限值。
[0106]
若是，则进行下一步，若否，则对钢弹簧间距和刚度进行优化，返回第三阶段，建立新结构参数的数值模型。
[0107]
(2)动力计算：把静力计算后的数值模型，即满足要求的数据模型，输入第一阶段得到的市政道路交通车辆的数值计算模型，通过瞬态动力学，计算动力荷载作用下浮置板隔振道路附近的路面振动响应，也就是隔振后的路面振动相应。其中，瞬态动力学通过下式确定：
[0108][0109]
式中：m、c、k分别为浮置板道路模型质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，u、分别为浮置板道路模型的位移、速度和加速度，f为外部输入荷载。
[0110]
通过上述计算，即可得到浮置板隔振道路附件的路面振动响应。
[0111]
第五阶段：敏感建筑结构振动响应
[0112]
选取浮置板隔振道路周围的敏感建筑，以第四阶段中得到的路面振动响应作为激励计算所述敏感建筑内部的振动，并对计算得到的振动进行评价，判断隔振后的敏感建筑内部的振动是否满足规范，如果满足规范，则进行下一步，如果不满足规范，进一步优化浮置板隔振道路的结构参数，返回第三阶段，建立新结构参数的数值模型。规范可以选择本领域通用的建筑物内部的振动限值。
[0113]
当浮置板隔振道路和建筑物合建在一起时，可以建立市政道路附近敏感建筑结构有限元(fem)模型，输入第四阶段计算得到的路面振动响应，计算敏感建筑结构的振动响应。
[0114]
可采用采用一致激励法进行计算。
[0115]
其中，一致激励法采用的一致激励法动力方程如下：
[0116][0117]
式中：ys分别为非支承处自由度的绝对加速度、速度和位移；ms、cs、ks为相应的质量、阻尼和刚度；yb分别为支承处自由度的绝对加速度、速度和位移；mb、cb、kb为相应的质量、阻尼和刚度；
[0118]
总的结构反应位移可分为动力反应位移和拟静力位移
[0119][0120]
式中：为动力反应位移，为非支承处的拟静力反应位移。
[0121]
根据下式
[0122][0123]
可以求得动力反应位移由动力反应位移和拟静力位移可以求得总的结构反应位移、速度和加速度。
[0124]
第六阶段：
[0125]
对满足隔振要求的浮置板隔振道路采用隔振效果评估指标验证隔振效果，判断隔振效果评估指标值是否低于上述确定的振动控制限值，如果低于确定的振动控制限值，则浮置板隔振道路满足隔振要求，结束设计，如果不低于确定的振动控制限值，则浮置板隔振道路不满足隔振要求，再进一步优化浮置板隔振道路的结构参数，返回第三阶段，建立新结构参数的数值模型。
[0126]
具体地，上述隔振效果评估指标是指频率、最大加速度、z振级和插入损失。频率、最大加速度、z振级和插入损失均可按照本领域通用的方法或规范进行确定。
[0127]
当规范选用《城市环境区域振动标准》时，其评价指标为z振级。对动力计算得到的建筑结构最大加速度先进行频谱分析，按1/3倍频程划分，计算得到1/3倍频程振级，然后对1/3频程振级进行z计权，最后得到z振级。判断隔振后的z振级是否满足振动控制要求，如不满足，需对钢弹簧刚度和间距进行进一步优化，最大限度地保证振动评价指标值低于选用标准的限值。
[0128]
综上分析，本发明提出的浮置板市政道路振动控制设计方法，通过现场测试分析和数值模拟分析相结合，分阶段进行设计，能够保证最大限度的满足市政道路振动控制的需求。
[0129]
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。