一种浮置板轨道用多重多级型支承结构的制作方法

本发明涉及轨道交通减振降噪领域，尤其是涉及一种浮置板轨道用多重多级型支承结构。

背景技术：

随着城市轨道交通的快速发展，由城市轨道交通引起的环境振动问题也变得日益突出。目前，轨道振动控制中最常见的做法是在上部轨道结构和下部基础之间插入弹性支承层，通过上部轨道结构在弹性支承层上的惯性运动衰减列车运行产生的振动。通过改善浮置板轨道弹性支承层，可有效降低行车造成的振动。

在具体施工时，钢弹簧浮置板减振轨道是将具有一定质量和刚度的混凝土道床板置于钢弹簧隔振器上，距离基础垫层顶面30mm或40mm，构成质量-弹簧-隔振系统。在减振效能方面，弹簧隔振器浮置板轨道比橡胶支承式浮置板轨道的效果还要好，截至目前钢弹簧浮置板道床已具有90多年的历史，由于造价较高，它主要用于医院、研究院、博物馆、音乐厅等对减振降噪有特殊要求的场合。另一方面，弹簧隔振器的寿命通常为5～7年，且弹簧结构容易因为腐蚀、难以耐受间歇式高负荷压力、锈蚀而产生结构上的损伤，造成使用寿命骤减。

cn208201509u公开了一种蝶形弹簧浮置板隔振器，包括顶盖、底座，所述底座内部设有芯轴，所述芯轴将调整垫片、蝶形弹簧串接相连，所述调整垫片位于芯轴靠近底座的一端，所述调整垫片上方设有蝶形弹簧，所述蝶形弹簧上方设有顶盖，所述底座、顶盖通过第一卡箍、第二卡箍、胶套连接，并通过螺栓固定。虽然其可通过改变蝶形弹簧片数，改变隔振器的刚度。但弹簧的串联叠加结构不利于与钢弹簧浮置板的长期配合使用，长期使用容易造成弹簧的扭曲形变，并造成结构老化。

因此亟需设计一种成本低、寿命长、耐腐蚀、可耐受间歇式高负荷压力的局域共振型支承结构。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种浮置板轨道用多重多级型支承结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种浮置板轨道用多重多级型支承结构，多重多级型支承结构由轴向方向对浮置板进行支承，所述的多重多级型支承结构由相同的多层结构沿轴向进行叠加而成，每层中沿径向由内至外依次分布有内散射体、内包覆层、外散射体、外包覆层和铝制套筒，轴向相邻两层之间设有橡胶垫层。

进一步地，所述的内包覆层和/或外包覆层上设有开槽结构。

进一步地，所述的开槽结构包括：

横向开槽，沿内包覆层和/或外包覆层的周向开设的圆环状槽；

竖向开槽，沿内包覆层和/或外包覆层的轴向开设的竖条状槽。

进一步地，所述的横向开槽使得内包覆层和/或外包覆层在轴向上被分为相同的多部分，每部分间横向开槽的槽宽相等。

进一步地，所述的竖向开槽使得内包覆层和/或外包覆层在轴向上被分为相同的多部分，每部分间竖向开槽的槽宽相等。

进一步地，所述的内包覆层、外包覆层和橡胶垫层为聚氨酯材料或橡胶材料中的一种。

进一步地，所述的内散射体和外散射体为钢材料。

进一步地，所述的内散射体与内包覆层之间、外散射体与外包覆层之间、外包覆层与铝制套筒之间胶黏连接。

进一步地，所述的橡胶垫层与轴向相邻两层间胶黏连接，构成轴向上的重复排列结构。

进一步地，所述的橡胶垫层的外径与铝制套筒的外径相同，所述的内包覆层、外包覆层、外散射体的厚度相同。

进一步地，所述的铝制套筒为铝合金材料。

进一步地，多重多级型支承结构在轴向上由2～6层叠加而成。

与现有技术相比，本发明中的浮置板轨道用多重多级型支承结构是基于浮置板轨道用局域共振型支承结构的一种改进结构。多重多级型支承结构由轴向方向对浮置板进行支承，多重多级型支承结构由相同的多层结构沿轴向进行叠加而成，每层中沿径向由内至外依次分布有内散射体、内包覆层、外散射体、外包覆层和铝制套筒，相邻两层之间设有橡胶或聚氨酯垫层。与局域共振型支承结构相比，本发明在支承层内部引入了多级谐振结构，在扩宽结构带隙的带宽的同时降低了结构一阶带隙的起始频率，有效提高结构的减振效果。此外，本发明还通过对包覆层作开槽处理，能够在有效降低包覆层材料的刚度的同时实现包覆层刚度的可控性，实现使结构一阶带隙的起止频率向低频移动的目的，进一步提高结构的减振性能。

附图说明

图1是本发明中浮置板轨道用多重多级型支承结构的内部结构示意图；

图2是本发明中多重多级局域共振型周期性支承层频散曲线；

图3是频响曲线对比图；

图4是考虑阻尼后结构的频响曲线；

图5是本发明中浮置板轨道用多重多级型支承结构包覆层横向开槽示意图；

图6是本发明中浮置板轨道用多重多级型支承结构包覆层竖向开槽示意图；

图7是本发明中横向开槽方式下局域共振型周期性支承层的频散曲线；

图8是本发明中竖向开槽方式下局域共振型周期性支承层的频散曲线。

图中：1、内散射体，2、内包覆层，3、外散射体，4、外包覆层，5、铝制套筒，6、橡胶垫层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例中浮置板轨道用多重多级型支承结构，多重多级型支承结构由轴向方向对浮置板进行支承，所述的多重多级型支承结构由相同的多层结构沿轴向进行叠加而成，参见图1，每层中沿径向由内至外依次分布有内散射体1、内包覆层2、外散射体3、外包覆层4和铝制套筒5，轴向相邻两层之间设有橡胶垫层6。

开槽设计：内包覆层2和/或外包覆层4上设有开槽结构。开槽结构包括：横向开槽，沿内包覆层2和/或外包覆层4的周向开设的圆环状槽；竖向开槽，沿内包覆层2和/或外包覆层4的轴向开设的竖条状槽。横向开槽使得内包覆层2和/或外包覆层4在轴向上被分为相同的多部分，每部分间横向开槽的槽宽相等。竖向开槽使得内包覆层2和/或外包覆层4在轴向上被分为相同的多部分，每部分间竖向开槽的槽宽相等。

各层选材及连接：参见表1，内包覆层2、外包覆层4和橡胶垫层6为聚氨酯材料或橡胶材料中的一种。所述的内散射体1和外散射体3为钢材料。内散射体1与内包覆层2之间、外散射体3与外包覆层4之间、外包覆层4与铝制套筒5之间胶黏连接。橡胶垫层6与轴向相邻两层间胶黏连接，构成轴向上的重复排列结构，铝制套筒5为铝合金材料。

表1材料参数表

尺寸选型：多重多级型支承结构在轴向上由2～6层叠加而成。橡胶垫层6的外径与铝制套筒5的外径相同，所述的内包覆层2、外包覆层4、外散射体3的厚度相同。沿轴向上的单层结构在轴向方向的厚度为8cm，内散射体1的直径为14cm，内包覆层2的外直径为18cm，外散射体3的外直径为22cm，外包覆层4的外直径为26cm，支承层直径为30cm，内包覆层2、外包覆层4的厚度为7cm，铝制套筒5的厚度为8cm，橡胶垫层6的厚度为0.5cm，施工时具体可根据需求加以调整。

本实施例中的浮置板轨道用多重多级型支承结构与局域共振型支承结构减振性能比较：

和原有的局域共振型周期性支承层相比，多重多级局域共振型支承结构在内部引入了多级谐振结构。利用有限元软件comsol计算结构的频散曲线，按地铁轨道垂向隔振的要求对频散曲线进行筛选，经筛选后的频散曲线如图2所示。

从图2中可以看出，和局域共振型周期性支承层相比，多重多级局域共振型周期性支承层在200hz的范围内存在两条带隙。第一条带隙的起止频率为51hz和88hz，第二条带隙的起止频率为131hz和166hz，在两条带隙之间存在一条通带，通带的起止频率分别对应着第一条带隙的截止频率和第二条带隙的起始频率。

为进一步分析有限周期结构的振动传递特性，在comsol中建立三周期多重多级局域共振型周期性支承层的有限元模型。在结构上端面施加加速度激励，计算下端面的响应，得到结构的频响曲线。多重多级局域共振型周期性支承层频响曲线计算结果如图3所示。

从图3中可以看出，多重多级局域共振周期性支承层存在两条明显的响应衰减区，在此区域内的响应有明显衰减，衰减区域的起止频率和计算得到的带隙相吻合。第二衰减区内振动的衰减程度相比第一衰减区来说更小，相应的响应放大部分的响应也更低。和普通局域共振型周期性支承层相比，多重多级局域共振型周期性支承层二阶带隙的起止频率显著降低。这对于结构的低频减振是有利的，但多重多级局域共振型周期性支承层一二阶带隙之间的通带限制了结构减振性能的进一步发挥。

为进一步分析两种结构的减振性能，引入材料阻尼，考虑材料阻尼后多重多级局域共振型周期性支承层和原有的周期性支承层的频响曲线计算结果如图4所示。

从图4中可以看出，考虑材料阻尼后，两种结构的频响曲线都变得更光滑，经计算此时多重多级局域共振型周期性支承层在200hz频率范围内带隙的带宽为72hz，局域共振型周期性支承层在200hz频率范围内带隙的带宽为78hz，两者几乎一致，但多重多级局域共振型周期性支承层两条带隙之间的通带限制了结构减振性能的进一步发挥。由多重多级局域共振结构的简化模型可知，通过调整结构的参数可以对通带的带宽进行调整，随着通带带宽逐渐减小，多重多级局域共振型周期性支承层的减振效果会逐渐超过局域共振型周期性支承层。

本实施例中包覆层开槽性能测试：

声子晶体的局域共振机理表明，通过降低包覆层的刚度可以有效降低整个结构的一阶带隙出现的位置。一般情况下可以通过降低包覆层材料的弹性模量达到降低包覆层刚度的目的。但是在实际工程应用中，包覆层可选取的材料是有限的，并且当包覆层弹性模量过小时，整个结构的可靠性难以保证，因此应当通过改变结构设计的方式对包覆层刚度进行调整。

对包覆层开槽可以在有效降低包覆层刚度的同时保证整个结构的安全可靠。根据开槽方向的不同，局域共振型周期性支承层可以分为横向开槽和竖向开槽两种不同的形式。横向开槽时，橡胶包覆层被分为厚度相等的上下两部分；竖向开槽时，竖橡胶包覆层按指定数目被n等分。两种开槽方式相对应的结构如图5和6所示。

利用有限元软件comsol分析两种开槽方式对局域共振型周期性支承层一阶带隙的影响，在对橡胶包覆层作横向开槽处理时，橡胶包覆层中间3.5cm厚的部分被截去，整个包覆层被分为厚度为1.75cm的上下两部分，在对橡胶包覆层作竖向开槽处理时，橡胶包覆层被等分为24份，按间隔一个的方式剔除掉其中的12块。分析可知，两种开槽方式下橡胶包覆层的体积均为原橡胶包覆层体积的一半。分别计算两种开槽方式下局域共振型周期性支承层的频散曲线，计算结果如图7和8所示。

从图7和8中可以看出，两种开槽方式下局域共振型周期性支承层的一阶带隙的起止频率均降低。横向开槽时，结构的一阶带隙的起止频率为37hz至91hz(图7)。竖向开槽时，结构的一阶带隙的起止频率为36hz至92hz(图8)。两种开槽方式得到的结果几乎一致。分析可知，对橡胶包覆层作横向开槽处理或竖向开槽处理都是通过减少橡胶的体积占比达到降低橡胶包覆层刚度的目的。当横向开槽和竖向开槽两种开槽方式得到的橡胶包覆层的最终体积相同时，两种开槽方式得到的包覆层的最终刚度也相同。对图5和6所示的两种开槽方式，被截去的橡胶包覆层的体积相同，因此计算得到的结果也相近。

在对橡胶包覆层作开槽处理时，假定开槽后橡胶包覆层的体积占比为n，则此时橡胶包覆层的等效刚度为：kn＝nk。则结构的一阶带隙起止频率的简化计算公式为：

对图5和6所示的两种开槽方式，经开槽处理后橡胶包覆层的体积占比为0.5，根据简化公式计算得到此时结构的一阶带隙的起止频率为：f1＝39hz；f2＝93hz。

根据简化公式计算得到的结果和有限元软件得到的结果基本一致。对橡胶包覆层作开槽处理能够有效降低结构一阶带隙的起止频率。

局域共振型周期性支承层的带隙来自钢散射体、橡胶包覆层和基体组成的局域共振系统，带隙的起止频率可以通过计算局域共振系统的两种振动模态得到，通过扩宽结构带隙的带宽或降低结构一阶带隙的起始频率可以有效提高结构的减振效果。对包覆层作开槽处理能够在有效降低包覆层材料的刚度的同时实现包覆层刚度的可控性，在实际应用中应根据结构减振的要求合理调整开槽方案；多重多级局域共振系统的引入可以使结构在低频范围内打开更多的带隙，通过调整结构参数缩小相邻两条带隙之间通带的带宽可以使结构获得更好的减振效果。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。