一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩阵列应用系统

本技术涉及地层振动控制领域，是一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩阵列系统，尤其涉及地层振动的超材料隔振方法以及基于惯容增益机制的桩结构减振体系及应用。

背景技术：

1、近年来，随着城市规模不断扩大，城市轨道交通作为一种高运量、便捷型的交通方式得到空前的发展。但随之而来的是城市土地资源集约化造成轨道交通线网密度的增加以及线路邻近建筑物距离的减小，加剧了轨道基础设施尤其地铁隧道运营产生的环境振动与噪声问题。一方面，地铁隧道中列车运行产生的振动会在地层中传播，造成周边建筑物的振动，对结构的响应、耐久性和安全性等产生不容忽视的影响；另一方面，车致地层振动的能量主要分布在0-80hz的频率范围，尤其以0.5-25hz频带范围内的能量最为集中，会降低精密仪器、精密加工等对低频微幅振动较为敏感的装置的使用性能。

2、超材料隔振桩是一种从传播过程中控制地层振动的方案，相较于其他减振方案施作时间节点更为灵活，可以在既有线路周边实现轨道交通振动隔离。其隔振机制主要基于三个原理：屏障效应、局部共振和bragg散射效应。屏障效应指振动波在多孔介质(岩土体)与弹性固体(空心桩)界面上传播时出现的反射、折射现象。局部共振指当与桩内谐振子的自振频率接近的振动波通过时，桩内谐振子产生共振实现对振动波能量的吸收。bragg散射效应指，在周期性分布结构中，对应于结构单元特征尺寸的特定波长范围内的波在传播时会发生反射、衍射，并出现相位差，相互干扰，对波的传播产生很强的破坏作用。

3、基于惯容的结构振动控制技术在机械和土木工程行业取得了大量应用，为低频减(隔)振工程问题提供了新的解决思路与途径。与传统质量元件不同，惯容器可以通过惯性放大作用实现质量增益效应，即改变结构惯性的同时基本不改变结构的物理质量，而且所增大的惯性不会增加结构所受的振动。惯容器的受力状态与其两端点间的相对加速度相关，其力学表达式为：其中f为惯容器两端受力，mg为惯容系数(具有质量的量纲且可远大于实际质量)，和为惯容器两端加速度。将惯容、弹簧、阻尼结合形成完整的减振系统应用于超材料隔振桩内，可以有效阻隔、吸收地层振动能量，大大提高传统超材料隔振桩的减(隔)振效率。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩阵列应用系统，所述超材料隔振桩阵列布置于隧道地铁列车振源、结构物之间，利用惯容的惯性放大与耗能增效优势，与超材料隔振桩的减(隔)振原理配合使用，实现地层振动能量有效吸收的三维减振控制。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩阵列应用系统，包括超材料隔振桩阵列、隧道地铁列车振源、具有减振要求的结构物，所述超材料隔振桩阵列设置在地下交通隧道与结构物之间的地层振动传播途径上，将多个基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩按照10m间距组成阵列，可以对波长范围101m内的振动能量吸收与耗散，实现地层振动有效吸收和阻隔。

4、所述超材料隔振桩设置在地下交通隧道与具有减振要求的结构物之间的地层振动传播途径上，桩内谐振子系统基于屏障效应、局部共振等减(隔)振机理控制地层振动能量；所述惯容阻尼器与谐振子系统连接，基于惯性放大原理实现对谐振子系统的质量增益和耗能增效，加速吸收并衰减地层振动能量，减轻结构动力响应。

5、所述基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩，其特征在于，包括空心桩(1)、惯容阻尼器(2)和谐振子系统(3)；所述惯容阻尼器(2)与谐振子系统(3)连接并设于桩体(1)外壳内，桩体内部其余空间采用混凝土填充。

6、所述惯容阻尼器(2)包括弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)，其中：所述弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)采用多种拓扑连接方式进行连接；所述惯容质量增益系统(2-5)，根据惯容机制实现减振过程中的惯性放大与阻尼结构耗能增效，调节自振频率实现装置内部与超材料隔振桩主体结构的异步振动；所述粘滞阻尼器(2-6)，通过异步振动放大阻尼介质的有效变形与摩擦耗能，抑制来自地层的低频振动响应。

7、所述惯容质量增益系统(2-5)包括轴承(2-5-7)、滚珠螺纹丝杆(2-5-8)和刚性飞轮(2-5-9)；所述滚珠螺纹丝杆(2-5-8)包括螺纹丝杆、螺母和滚珠；所述惯容质量增益系统(2-5)将装置两端振动受力产生的直线相对运动通过轴承(2-5-7)转变为螺纹丝杆绕杆轴线的转动，带动固定安装在滚珠螺母上的刚性飞轮(2-5-9)旋转运动，形成惯性放大。

8、所述粘滞阻尼器(2-6)包括缸体(2-6-14)、端盖(2-6-15)、带孔活塞(2-6-16)和粘滞阻尼介质(2-6-17)；所述粘滞阻尼器(2-6)中，缸体(2-6-14)与带孔活塞(2-6-16)之间设有间隙，带孔活塞(2-6-16)穿套在通过轴承(2-5-7)固定的螺纹丝杆上，带孔活塞(2-6-16)表面设有若干孔道，增加粘滞阻尼介质(2-6-17)流动通过时的摩擦耗能；所述滚珠螺纹丝杆(2-5-8)的转动引发带孔活塞(2-6-16)在缸体内往复运动，压缩粘滞阻尼介质(2-6-17)产生变形，产生阻尼效果。

9、所述惯容阻尼器(2)中，所述弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)采用混联方式连接，典型混联方式有且不限于以下两种：

10、i.惯容质量增益系统(2-5)与粘滞阻尼器(2-6)采用并联方式连接后，再与弹簧(2-4)串联；

11、ii.或弹簧(2-4)与粘滞阻尼器(2-6)采用并联方式连接后，再与惯容质量增益系统(2-5)串联。

12、所述弹簧(2-4)根据不同典型混联方式可安装在惯容阻尼器不同位置：

13、i.弹簧(2-4)安装在滚珠螺纹丝杆(2-5-8)端部，通过端部圆盘进行接触，保证惯容质量增益系统(2-5)与粘滞阻尼器(2-6)两端产生同步位移，实现惯容质量增益系统(2-5)与粘滞阻尼器(2-6)并联后再与弹簧(2-4)串联。

14、ii.弹簧(2-4)安装在粘滞阻尼器(2-6)内部，与带孔活塞(2-6-16)接触，保证缸体内部弹簧(2-4)与粘滞阻尼介质(2-6-17)产生同步变形，实现弹簧(2-4)与粘滞阻尼器(2-6)并联后再与惯容质量增益系统(2-5)串联。

15、所述的惯容质量增益系统(2-5)：所述螺纹丝杆的导程为lp，刚性飞轮的实际质量为mw，转动惯量为j，其内、外径分别为ri和rj，根据装置的惯性放大机理用其等量纲惯容系数mg来表示：

16、

17、所述的弹簧(2-4)、惯容质量增益系统(2-5)和粘滞阻尼器(2-6)典型混联方式，惯容阻尼器装置内不同的混联方式下的动力学平衡方程分别为：

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19、

20、其中，kg为连接弹簧刚度，cg为粘滞阻尼介质阻尼系数，u为惯容阻尼器装置端部位移，u1为装置与质量块(3-10)连接处位移，u2为粘滞阻尼器活塞的位移。

21、所述谐振子系统(3)包括圆柱形质量块(3-10)和弹性橡胶垫(3-11)；利用质量块(3-10)的质量和弹性橡胶垫(3-11)的刚度调整改变谐振子系统(3)的自振频率，当地层振动波以带隙范围内的频率传播至超材料隔振桩内时产生共振，实现对振动波的捕获。

22、所述惯容阻尼器与谐振子系统连接，均略小于空心桩内径，设置于空心桩内部，其余部分采用混凝土材料填充。

23、所述粘滞阻尼器中，缸体与带孔活塞之间设有间隙，带孔活塞穿套在通过轴承固定的螺纹丝杆上，带孔活塞表面设有若干孔道，增加粘滞阻尼介质流动通过时的摩擦耗能。所述滚珠螺纹丝杆的转动通过轴承引发带孔活塞在缸体内往复运动，压缩粘滞阻尼介质产生有效变形，活塞前后的压力差使粘滞流体从阻尼通道中通过，产生阻尼效果。

24、进一步，所述弹簧根据不同典型混联方式安装在惯容阻尼器不同位置；

25、所述弹簧安装在滚珠螺纹丝杆端部，螺纹丝杆安装有端部圆盘并于弹簧接触，保证惯容质量增益系统与粘滞阻尼器两端产生同步位移，实现惯容质量增益系统与粘滞阻尼器并联后再与弹簧串联；

26、所述弹簧安装在粘滞阻尼器内部且一端与带孔活塞接触，保证缸体内部弹簧与粘滞阻尼介质产生同步变形，实现弹簧与粘滞阻尼器并联后再与惯容质量增益系统串联。

27、进一步地，所述惯容阻尼器与谐振子系统连接，设置于超材料隔振桩的空心腔外壳内，空心腔的桩体选用c35p8抗渗混凝土，有良好的抗渗性能，用于保护内部惯容阻尼器减振装置不被岩土、地下水及锈蚀离子侵入、侵蚀和破坏，并保障超材料隔振桩的整体性。

28、在桩体内部，惯容阻尼器端部圆盘接触质量块，质量块顶部采用弹性橡胶垫封装，其余空间采用混凝土材料填充保证刚性，实现力学模型上惯容阻尼器与弹簧元件(弹性橡胶垫)并联后再与质量块串联，形成完整的减振装置。

29、进一步地，可通过将多个所述基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩按照一定间距组成阵列，可以对特定波长范围内振动能量的吸收与耗散，实现地层振动有效吸收和阻隔。

30、进一步地，本发明提出一种基于惯容阻尼器增益的超材料隔振桩结构减振应用系统，当超材料隔振桩发生振动时，连接弹簧被压缩产生弹性力，滚珠螺纹丝杆将装置两端的轴向加速度转换为旋转加速度并带动刚性飞轮的旋转，由于飞轮的转动惯量存在产生远大于实际物理质量的惯性作用，达到质量块惯性质量增效的效果；粘滞阻尼器内部活塞与缸体之间发生相对运动，由于活塞前后的压力差使粘滞流体从阻尼通道中通过，同时惯容的惯性作用会放大粘滞阻尼介质有效变形，提高了阻尼结构耗散外界输入结构的振动能量效率，达到减轻结构振动响应的目的。

31、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

32、本发明将考虑惯容增益的惯容阻尼器减振装置应用于超材料隔振桩中配合控制地层振动，在满足既有建筑物减振需求的同时充分利用惯容的惯性放大与耗能增效特性，提高超材料隔振桩对地层振动的减(隔)振效率，同时表观质量增益带来的轻便可将隔振桩的尺寸和质量控制在易于施作的范围内，具有较好的工程应用前景。