一种波阻块隔振屏障及设计方法

本发明涉及波阻块减振，具体是一种波阻块隔振屏障及设计方法。

背景技术：

1、随着城市道路网密度持续增长，由交通荷载引发的环境振动影响区域问题也日渐凸显，振动源与地基土体之间接触产生振动，产生的振动波在土体之间传播，并通过土体介质传递给临近建筑物，正不断冲击和干扰着沿线居民正常生活环境和身心健康。因此，对如何控制和降低交通荷载所产生的环境振动，从而减少对人们生活环境的影响，正越发引起社会的密切关注和重视。

2、近年来，有研究机构将周期结构引入用于环境减振的隔振屏障中，并在理论分析、模型实验、数值模拟等方面对周期性结构带隙特性进行深入研究，为交通荷载减振措施上提供了一种新的研究方向。在将周期性结构用于交通荷载隔振屏障研究中，主要包括了周期性层状结构、周期性波阻板、周期性排桩，对于周期性层状结构，也提出了一些以土体-空心管组成的周期性隔振墙，并分析出其带隙影响因素及在衰减域的减振性能。

3、如中国专利公开号cn110761132a提出的一种装配式隔振屏障，其包括沿水平方向并列布置的多个隔振模块，所述隔振模块包括沿竖直方向层叠布置的多个腹板部分和布置在最顶部的腹板部分上方的翼缘部分，所述腹板部分和翼缘部分均为空心结构，相邻的两个腹板部分之间可拆连接。腹板部分之间可拆连接，腹板部分和翼缘部分可在车间中提前制作为预制件并在现场进行连接拼装，避免在现场制作，缩短了隔振屏障的现场施工时间，降低了隔振屏障的成本；同时腹板部分和翼缘部分采用空心结构，空心结构在保证隔振屏障的结构强度的情况下，使该隔振屏障形成空腔，隔振效果接近于空沟隔振屏障，在保证稳定性的同时提高了隔振效果。

4、又如中国专利公开号cn219219127u提出的一种水平填埋矩形空心管隔振屏障装置，包括矩形空心管、橡胶垫和回填土。所述矩形空心管由多节中间管节和端头管节组合而成；在振源与受保护区域之间开挖沟槽中，水平布置至少三层矩形空心管；上下矩形空心管之间铺设橡胶垫；三层矩形空心管周围填充有回填土；由矩形空心管、橡胶垫和回填土构成水平填埋矩形空心管隔振屏障。该专利提供的隔振屏障，能为周围土体提供足够的支承力，有效解决了隔振沟由于稳定性差易于失效的问题，且由于混凝土、土体与空气三种介质之间具有较大的波阻抗比，能够大大降低透过屏障的波能，到达提高屏障隔振性能的效果。

5、周期结构的完全带隙受结构单胞的几何参数和材料参数的双重影响，因此，为实现更优的隔振效果，本申请意在提出实现完全带隙的周期性波阻块连续屏障的几何、材料设计方案。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的不足之处，本发明提出一种波阻块隔振屏障及设计方法，用于提升隔振屏障的隔振效果。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案：

3、一种波阻块隔振屏障，其包括多个单胞单元连续排列的屏障主体，所述屏障主体位于阻隔移动载荷振动传播的一侧，所述屏障主体排列延伸的长度方向与移动载荷移动方向一致；所述单胞单元从外到内依次为基体、包裹层和芯体，并在与移动载荷移动方向垂直的方向上延伸。

4、进一步地，所述相邻两单胞单元的基体为连续一体式，所述屏障主体为周期性多排结构。

5、进一步地，所述屏障主体在与移动载荷移动方向垂直的方向上延伸的深度与其距离移动荷载的垂直距离相当。

6、进一步地，所述基体为混凝土材质，所述包裹层为橡胶材质，所述芯体为天然土体。

7、进一步地，所述屏障主体为周期性1～5排结构，所述单胞单元以移动载荷横波传播平面为截面的截面形状为正方形，所述芯体以移动载荷横波传播平面为截面的截面形状为正方形、圆形、十字形中的任一种，所述芯体的截面积所占包裹层所围成面积之比不小于设定阈值。

8、进一步地，所述屏障主体为周期性三排结构，其排列延伸长度、距离移动荷载的垂直距离以及延伸的深度均为10m；所述单胞单元以移动载荷横波传播平面为截面的截面边长即为单胞常数1m，所述芯体的截面形状为边长0.8m的正方形，所述包裹层的厚度为0.05m；所述芯体的弹性模量为20mpa、密度为1900kg/m3、泊松比0.35，所述包裹层的弹性模量为0.137mpa、密度为1300kg/m3、泊松比0.463，所述基体的弹性模量为30000mpa、密度为2500kg/m3、泊松比0.2。

9、进一步地，当所述屏障主体中心位置的单胞单元的芯体缺失时，所述芯体以移动载荷横波传播平面为截面的截面形状为圆形或者中心位置的单胞单元的包裹层也缺失。

10、进一步地，当所述屏障主体有多个单胞单元的芯体和包裹层均缺失成为全缺失型单胞单元时，所述所有的全缺失型单胞单元均被屏障主体其他的单胞单元封闭式围在内部，且所述所有的全缺失型单胞单元均布分散在屏障主体中。

11、本发明还提供了一种波阻块隔振屏障设计方法，其包括步骤：

12、a、获取移动荷载的振动频率、移动方向以及地基属性；

13、b、采用数值模拟软件abaqus构建地基数值模型、作为振动源的移动载荷以及以初始化单胞单元构建隔振屏障的屏障主体模型，所述屏障主体模型包括连续排列的多个单胞单元，所述单胞单元从外到内依次为基体、包裹层和芯体，并在与移动载荷移动方向垂直的方向上延伸，所述相邻两单胞单元的基体为连续一体式，所述屏障主体模型为周期性多排结构；

14、c、在多物理场有限元软件comsol中，对所述屏障主体模型计算其带隙特征，通过调节单胞单元的单胞常数、包裹层厚度、芯体尺寸、基体密度、芯体密度、包裹层弹性模量中的至少一项，使得移动荷载的振动频率处于所述屏障主体的完全带隙区间中，得到单胞单元此时对应的结构参数；

15、d、将步骤c中单胞单元的结构参数注入所述屏障主体模型的单胞单元，将所述屏障主体模型埋入所述地基数值模型，所述屏障主体模型位于阻隔移动载荷振动传播的一侧，所述屏障主体模型排列延伸的长度方向与移动载荷移动方向一致；布置振动源，并在振动源传播方向上设置多个监测点，监测点位于所述屏障主体模型远离振动源的一侧地基中；

16、e、调节屏障主体模型与所述振动源的垂直距离、屏障主体模型的排数、屏障主体模型的长度、屏障主体模型延伸深度中的一项或多项，直至监测点的振动加速度降低到设定阈值以下。

17、进一步地，所述步骤c中，具体调节的优先顺序为单胞常数、芯体尺寸、包裹层厚度、包裹层弹性模量、芯体密度、基体密度。

18、本发明通过研究周期性波阻块连续屏障的几何参数和材料参数对完全带隙的影响，可根据振动波频率范围，调整相应的周期性波阻块连续屏障的参数，使目标隔振频率处于该完全带隙内，从而获得更好的减振效果，为实际工程周期性波阻块连续屏障设计提供参考。

技术特征：

1.一种波阻块隔振屏障，其特征在于，包括多个单胞单元连续排列的屏障主体，所述屏障主体位于阻隔移动载荷振动传播的一侧，所述屏障主体排列延伸的长度方向与移动载荷移动方向一致；

2.根据权利要求1所述的一种波阻块隔振屏障，其特征在于：所述相邻两单胞单元的基体为连续一体式，所述屏障主体为周期性多排结构。

3.根据权利要求1所述的一种波阻块隔振屏障，其特征在于：所述屏障主体在与移动载荷移动方向垂直的方向上延伸的深度与其距离移动荷载的垂直距离相当。

4.根据权利要求1或2所述的一种波阻块隔振屏障，其特征在于：所述基体为混凝土材质，所述包裹层为橡胶材质，所述芯体为天然土体。

5.根据权利要求4所述的一种波阻块隔振屏障，其特征在于：所述屏障主体为周期性1～5排结构，所述单胞单元以移动载荷横波传播平面为截面的截面形状为正方形，所述芯体以移动载荷横波传播平面为截面的截面形状为正方形、圆形、十字形中的任一种，所述芯体的截面积所占包裹层所围成面积之比不小于设定阈值。

6.根据权利要求5所述的一种波阻块隔振屏障，其特征在于：

7.根据权利要求2所述的一种波阻块隔振屏障，其特征在于：当所述屏障主体中心位置的单胞单元的芯体缺失时，所述芯体以移动载荷横波传播平面为截面的截面形状为圆形或者中心位置的单胞单元的包裹层也缺失。

8.根据权利要求2所述的一种波阻块隔振屏障，其特征在于：当所述屏障主体有多个单胞单元的芯体和包裹层均缺失成为全缺失型单胞单元时，所述所有的全缺失型单胞单元均被屏障主体其他的单胞单元封闭式围在内部，且所述所有的全缺失型单胞单元均布分散在屏障主体中。

9.一种波阻块隔振屏障设计方法，其特征在于，包括步骤：

10.根据权利要求9所述的一种波阻块隔振屏障设计方法，其特征在于：所述步骤c中，具体调节的优先顺序为单胞常数、芯体尺寸、包裹层厚度、包裹层弹性模量、芯体密度、基体密度。

技术总结
本发明公开了一种隔振屏障波阻块隔振屏障，其包括多个单胞单元连续排列的屏障主体，所述屏障主体位于阻隔移动载荷振动传播的一侧，所述屏障主体排列延伸的长度方向与移动载荷移动方向一致；所述单胞单元从外到内依次为基体、包裹层和芯体，并在与移动载荷移动方向垂直的方向上延伸。本发明通过研究周期性波阻块连续屏障的几何参数和材料参数对完全带隙的影响，可根据振动波频率范围，调整相应的周期性波阻块连续屏障的参数，使目标隔振频率处于该完全带隙内，从而获得更好的减振效果，为实际工程周期性波阻块连续屏障设计提供参考。

技术研发人员：王海洋,尹洪山,朱洪洲,包世波,许汝杭,王珠,杨焱淞,翟春鑫
受保护的技术使用者：重庆交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17