基于调节阻尼减少振动影响周围环境的振动桩锤的制作方法

本发明属于岩土工程的振动沉桩领域，尤其涉及一种基于调节阻尼减少振动影响周围环境的振动桩锤。

背景技术：

岩土工程打桩施工中，可以在桩顶部静力加载从而将桩压入土层中，也可以在桩顶部用冲击载荷将桩打入土层，但冲击载荷作用下对周围环境影响较大，因此在建筑物林立的市区这种冲击打桩的方法往往禁止使用。目前也有在桩顶夹持振动锤从而带动桩产生一定频率的竖向持续振动，在这个过程中桩和土的侧摩阻力和桩端阻力降低，从而将桩沉入地基中，这种方法相对而言对周围环境影响较小，但是这种振动锤是依靠成对的偏心质量块转动产生竖向激振力，在启动的过程中偏心质量块的转动频率由零逐渐增加、并且要穿越地基的共振频率、直至达到稳定的工作转动频率，而偏心质量块的转动频率穿越地基的共振频率时地基振动明显增加，特别在市区会对邻近建筑物造成过大振动，因此限制了这种振动锤在市区的使用。因此人们也开发出了免共振锤，即多组偏心质量块转动频率在地基共振频率时附近时，偏心质量块产生的竖向和水平向激振力相互抵消，这样在偏心质量块加速转动穿越地基共振频率时就不会对地基产生振动影响，而偏心质量块转速达到稳定的工作频率后多组偏心质量块产生的水平向激振力相互抵消而竖向激振力相互叠加，从而带动桩振动下沉进入地基。这种免共振锤因为对邻近建筑物影响很小，因此在建筑物密集的市区中得到成功应用，但是这种免共振锤价格高昂且远超过普通的振动锤价格。因此需要一种振动桩锤，它带有附加质量块、弹簧和可调节阻尼器，即振动锤的激振频率穿越地基共振频率时，通过可调节阻尼器的变化使附加质量块、弹簧和可调节阻尼器组成的系统作为减振器抑制振动锤的振动，从而减少地基共振对邻近建筑物的影响；而当振动锤锤激振频率达到工作频率时，通过可调节阻尼器的变化使附加质量块、弹簧和可调节阻尼器组成的系统作为振动放大器加大振动桩锤施加在桩上的动载荷，从而加速沉桩。

技术实现要素：

本发明为了克服普通振动桩锤激振频率由零增加至工作频率的过程中因穿越地基共振频率而导致周围环境振动过大的问题，以及在工作频率时难以放大振动桩锤振动的问题，本发明提供了一种基于调节阻尼减少振动影响周围环境的振动桩锤。

本发明的技术方案：一种基于调节阻尼减少振动影响周围环境的振动桩锤，包括从上至下依次连接的质量块、阻尼弹簧混合结构、激振锤、第一螺旋弹簧；

所述阻尼弹簧混合结构包括第二螺旋弹簧、第三螺旋弹簧、第一阻尼器、第二阻尼器、第一承压板和第二承压板；所述第一阻尼器顶部、第二阻尼器顶部和第二螺旋弹簧顶部分别与质量块连接，所述第一阻尼器底部和第三螺旋弹簧底部分别与第一承压板顶部连接，第一承压板盖在激振锤上部，所述第二阻尼器底部和第二螺旋弹簧底部分别与第二承压板连接，第二承压板盖在第三螺旋弹簧上部。

优选地，所述第一阻尼器和第二阻尼器均可调节阻尼系数的阻尼器，所述第一阻尼器可以提供负阻尼系数和正阻尼系数，常规的阻尼器提供的都是正阻尼系数，而所述正阻尼系数表明阻尼器提供的力与速度方向相反，所述负阻尼系数表明阻尼器提供的力与速度方向相同。所述第一阻尼器包含受力杆、活塞、流体缸、第一压力控制器、第二压力控制器和速度计，所述速度计贴在受力杆上，所述活塞可在流体缸内自由滑动且将流体缸分为第一腔室和第二腔室，受力杆穿过流体缸外壁且与活塞固定连接，第一压力控制器与第一腔室连接且可精确实时控制第一腔室内流体压力，第二压力控制器与第二腔室连接且可精确实时控制第二腔室内流体压力，第一腔室和第二腔室内的流体不能相互流通且都和外界大气隔绝；所述第一压力控制器和第二压力控制器都为动态伺服控制流体压力，具有精细化调节压力的能力。当指定第一阻尼器提供阻尼系数c1时，调节第一压力控制器和第二控制器的压力，从而使第一腔室和第二腔室对活塞的合力fc1与活塞运动速度vv的比值等于阻尼系数c1,即c1＝fc1/vv，当阻尼系数c1为负值时力fc1与活塞运动速度vv的方向相同，当阻尼系数c1为正时力fc1与活塞运动速度vv的方向相反。

优选的，第二阻尼器可以为可调节阻尼的磁流变阻尼器或与第一阻尼器结构相同。

优选地，所述激振锤由偏心质量块旋转产生激振力，偏心质量块可以用电或用柴油机驱动旋转。

优选的，所述第一承压板为压电陶瓷片且配有能量存储电路和蓄电池，第一承压板、能量存储电路和蓄电池依次连接，蓄电池和第一阻尼器中的第一压力控制器连接以及第二压力控制器连接。蓄电池通过能量存储电路接收压电陶瓷片因电压波动产生的电能。

一种基于调节阻尼减少振动影响周围环境的振动桩锤的沉桩方法，包括下述步骤：

步骤1：将桩竖直立于地基土层上面，从下至上将桩、夹具、第一螺旋弹簧、激振锤、阻尼弹簧混合结构、质量块连接在一起；

步骤2：启动激振锤，在激振锤的激振频率穿越地基共振频率过程中抑制激振锤作用在夹具上的激振力，即通过调节第一阻尼器和第二阻尼器的阻尼系数，从而使阻尼弹簧混合结构和质量块构成减振系统：

各变量的定义如下：

m1：激振锤质量

m2：质量块质量

k1：第一螺旋弹簧的刚度

k2：阻尼弹簧混合结构中第二螺旋弹簧的刚度

k3：阻尼弹簧混合结构中第三螺旋弹簧的刚度

c1：第一阻尼器提供的阻尼系数

c2：第二阻尼器提供的阻尼系数

k：阻尼弹簧混合结构的等效刚度

c：阻尼弹簧混合结构的等效阻尼

f1：作用在激振锤上的激振力，有f1＝f0sin(ωt)

f0：为激振力f1的振幅

ω：为激振力f1的频率

t：为时间

a1：激振锤的振幅

f2：第一螺旋弹簧作用在夹具上的激振力

则由动力学关系可得到阻尼弹簧混合结构的等效刚度k和等效阻尼c分别为：

由动力学关系可得到激振锤的振幅a1为：

显然当激振锤的振幅a1＝0时作用在夹具上的激振力f2为0，若要使a1＝0则要求阻尼弹簧混合结构的等效刚度k＝ω²m2同时等效阻尼c＝0，因此实时调节第一阻尼器阻尼系数c1和第二阻尼器阻尼系数c2，使得而且这里第一阻尼器的阻尼系数c1取负数且第二阻尼器的阻尼系数c2取正值，这时阻尼弹簧混合结构和质量块构成减振系统，在激振锤的激振频率穿越地基共振频率过程中起到抑制激振锤作用在夹具上的激振力的作用，从而减少激振锤对周围环境的影响；

步骤3：激振锤的激振频率增长到稳定的工作频率时，通过调节第一阻尼器和第二阻尼器的阻尼系数，从而使阻尼弹簧混合结构和质量块构成动力放大系统：

各变量的定义如步骤2中所示，在激振锤的振幅a1表达式中：

若使阻尼弹簧混合结构和质量块构成动力放大系统，要求上述表达式中的分母为0，这时要求阻尼弹簧混合结构的等效刚度同时等效阻尼c＝0，因此实时调节第一阻尼器阻尼系数c1和第二阻尼器阻尼系数c2，使得同时这里第一阻尼器的阻尼系数c1取负数且第二阻尼器的阻尼系数c2取正值，这时阻尼弹簧混合结构和质量块构成动力放大系统，且夹具受到第一螺旋弹簧的激振力最大从而加速沉桩。

优选的，所述调节第一阻尼器阻尼系数c1的方法为调节第一压力控制器和第二控制器的压力，从而使第一腔室和第二腔室对活塞的合力fc1与活塞运动速度vv的比值等于阻尼系数c1,即c1＝fc1/vv，当阻尼系数c1为负值时力fc1与活塞运动速度vv的方向相同，当阻尼系数c1为正值时力fc1与活塞运动速度vv的方向相反。

优选的，所述步骤2和步骤3中振动引起压电陶瓷片制成的第一承压板上下表面电压波动，此电压波动通过能量存储电路储存在蓄电池中，蓄电池给第一阻尼器中的第一压力控制器和第二压力控制器辅助供电，从而减少电能消耗。

本发明的有益效果是克服普通振动桩锤激振频率由零增加至工作频率的过程中因穿越地基共振频率而导致周围环境振动过大的问题，以及在工作频率时难以放大振动桩锤振动的问题，本发明提供了一种基于调节阻尼减少振动影响周围环境的振动桩锤。

附图说明

图1为本发明的整体组装结构与桩协同作用示意图；

图2为本发明的阻尼弹簧混合结构的结构示意图；

图3为本发明的可提供负阻尼系数的第一阻尼器结构示意图；

图4为本发明的压电陶瓷片、能量存储电路、蓄电池和第一阻尼器连接示意图；

图中1.地基，2.桩，3.夹具，4.第一螺旋弹簧，5.激振锤，6.阻尼弹簧混合结构，7.质量块，8.第二螺旋弹簧，9.第三螺旋弹簧，10.第一阻尼器，11.第二阻尼器，12.第一承压板，13.第二承压板，14.受力杆，15.活塞，16.流体缸，17.第一压力控制器，18.第二压力控制器，19.第一腔室，20.第二腔室，21.速度计，22.能量存储电路，23.蓄电池。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-图4中一种基于调节阻尼减少振动影响周围环境的振动桩锤，包括从上至下依次连接的质量块7、阻尼弹簧混合结构6、激振锤5、第一螺旋弹簧4；

所述阻尼弹簧混合结构包括第二螺旋弹簧8、第三螺旋弹簧9、第一阻尼器10、第二阻尼器11、第一承压板12和第二承压板13；所述第一阻尼器10顶部、第二阻尼器11顶部和第二螺旋弹簧8顶部分别与质量块7连接，所述第一阻尼器10底部和第三螺旋弹簧9底部分别与第一承压板12顶部连接，第一承压板12盖在激振锤5上部，所述第二阻尼器11底部和第二螺旋弹簧8底部分别与第二承压板13连接，第二承压板13盖在第三螺旋弹簧9上部；

如图3所示，所述第一阻尼器包含受力杆14、活塞15、流体缸16、第一压力控制器17、第二压力控制器18和速度计21，所述速度计21贴在受力杆14上，所述活塞15可在流体缸16内自由滑动且将流体缸16分为第一腔室19和第二腔室20，受力杆14穿过流体缸16外壁且与活塞15固定连接，第一压力控制器17与第一腔室19连接且可精确控制第一腔室19内流体压力，第二压力控制器18与第二腔室20连接且可精确控制第二腔室20内流体压力，第一腔室19和第二腔室20内的流体不能相互流通且都和外界大气隔绝。所述第一压力控制器17和第二压力控制器18都为动态伺服控制流体压力，具有精细化调节压力的能力。当指定第一阻尼器10提供阻尼系数c1时，调节第一压力控制器17和第二控制器18的压力，从而使第一腔室19和第二腔室20对活塞15的合力fc1与活塞15运动速度vv的比值等于阻尼系数c1,即c1＝fc1/vv，当阻尼系数c1为负值时力fc1与活塞15运动速度vv的方向相同，当阻尼系数c1为正时力fc1与活塞15运动速度vv的方向相反；

第二阻尼器11为可调节阻尼的磁流变阻尼器或与第一阻尼器10结构相同；

所述第一承压板12为压电陶瓷片且配有能量存储电路22和蓄电池23，第一承压板12(压电陶瓷片)、能量存储电路22和蓄电池23依次连接，蓄电池23和第一阻尼器10中的第一压力控制器17和第二压力控制器18连接。蓄电池23通过能量存储电路22接收第一承压板12(压电陶瓷片)因电压波动产生的电能。

本发明基于调节阻尼减少振动影响周围环境的振动桩锤的沉桩方法，包括下述步骤：

步骤1：如图1所示，将桩2竖直立于地基1土层上面，从下至上将桩2、夹具3、第一螺旋弹簧4、激振锤5、阻尼弹簧混合结构6、质量块7连接在一起；

步骤2：启动激振锤5，在激振锤5的激振频率穿越地基1共振频率过程中抑制激振锤5作用在夹具3上的激振力，即通过调节第一阻尼器10和第二阻尼器11的阻尼系数，从而使阻尼弹簧混合结构6和质量块7构成减振系统：

各变量的定义如下：

m1：激振锤5质量

m2：质量块7质量

k1：第一螺旋弹簧4的刚度

k2：阻尼弹簧混合结构6中第二螺旋弹簧8的刚度

k3：阻尼弹簧混合结构6中第三螺旋弹簧9的刚度

c1：第一阻尼器10提供的阻尼系数

c2：第二阻尼器11提供的阻尼系数

k：阻尼弹簧混合结构6的等效刚度

c：阻尼弹簧混合结构6的等效阻尼

f1：作用在激振锤5上的激振力，有f1＝f0sin(ωt)

f0：为激振力f1的振幅

ω：为激振力f1的频率

t：为时间

a1：激振锤5的振幅

f2：第一螺旋弹簧4作用在夹具3上的激振力

则由动力学关系可得到阻尼弹簧混合结构6的等效刚度k和等效阻尼c分别为：

由动力学关系可得到激振锤5的振幅a1为：

显然当激振锤5的振幅a1＝0时作用在夹具3上的激振力f2为0，若要使a1＝0则要求阻尼弹簧混合结构6的等效刚度k＝ω²m2同时等效阻尼c＝0，因此调节第一阻尼器10阻尼系数c1和第二阻尼器11阻尼系数c2，使得而且这里第一阻尼器10的阻尼系数c1取负数且第二阻尼器11的阻尼系数c2取正值，这时阻尼弹簧混合结构6和质量块7构成减振系统，在激振锤5的激振频率穿越地基1共振频率过程中起到抑制激振锤5作用在夹具3上的激振力的作用，从而减少激振锤5对周围环境的影响；

步骤3：激振锤5的激振频率增长到稳定的工作频率时，通过调节第一阻尼器10和第二阻尼器11的阻尼系数，从而使阻尼弹簧混合结构6和质量块7构成动力放大系统：

各变量的定义如步骤2中所示，在激振锤5的振幅a1表达式中：

若使阻尼弹簧混合结构6和质量块7构成动力放大系统，要求上述表达式中的分母为0，这时要求阻尼弹簧混合结构6的等效刚度同时等效阻尼c＝0，因此调节第一阻尼器10的阻尼系数c1和第二阻尼器11的阻尼系数c2，使得同时这里第一阻尼器10的阻尼系数c1取负数且第二阻尼器11的阻尼系数c2取正值，这时阻尼弹簧混合结构6和质量块7构成动力放大系统，且夹具3受到第一螺旋弹簧4的激振力最大从而加速沉桩2。

优选的，所述调节第一阻尼器10阻尼系数c1的方法为调节第一压力控制器17和第二控制器18的压力，从而使第一腔室19和第二腔室20对活塞15的合力fc1与活塞15运动速度vv的比值等于阻尼系数c1,即c1＝fc1/vv，当阻尼系数c1为负值时力fc1与活塞15运动速度vv的方向相同，当阻尼系数c1为正时力fc1与活塞15运动速度vv的方向相反。

优选的，所述步骤2和步骤3中振动引起压电陶瓷片制作的第一承压板12上下表面电压波动，此电压波动通过能量存储电路22储存在蓄电池23中，蓄电池23给第一阻尼器10中的第一压力控制器17和第二压力控制器18辅助供电，从而减少电能消耗。