一种条铺周期垫层减振道床的制作方法

本发明专利涉及轨道交通减振降噪领域，特别是涉及一种条铺周期垫层减振道床。

背景技术：

目前轨道交通环境振动控制广泛采用的轨道减振措施暴露出以下问题：(1)目前轨道减振的原理是降低支承刚度或增加参振质量，过度减振或减振不当就可能引起轮轨异常磨耗，造成设备及零部件的快速非正常伤损，增加轮轨系统养护维修工作量，甚至影响行车的平稳性和安全性；(2)减振区段长、投资高，以一条长30km的地铁为例，轨道减振引起的造价增加可能达到2亿元；(3)钢弹簧浮置板铺设路段乘客乘坐舒适度严重受损。

固体物理学研究发现，按照某种方式排列的周期介质具有弹性波禁带特性，即入射波的频率落在禁带范围内时，入射波不能在周期介质中传播。伴随凝聚态物理的蓬勃发展，国际上开始将周期结构禁带特性引入声振领域，声子晶体发展最为迅速，是典型代表。

目前沿未有利用周期结构禁带特性对轨道交通中涉及的结构进行周期化的创新设计，实现振动的主动调控的报导。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的缺点，本发明提供一种条铺周期垫层减振道床。根据轨道交通振源特性及振动传播衰减规律，采用周期结构禁带理论对道床结构进行周期化设计，改变结构几何尺寸和材料组成，从而实现对禁带及隔振频段的主动调节与控制，在达到减振预期目标的同时确保轨道与线路平顺性、降低钢轨负担、抑制异常波磨的发生。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种条铺周期垫层减振道床，包括周期复合道床板及设置在其下方的混凝土基底，所述周期复合道床板与所述混凝土基底之间通过限位结构限位，防止发生相对位移，其中，所述周期复合道床板由混凝土板和周期垫层由上至下交替排列固结而成，构成特殊的一维或二维散射型或局域共振型周期复合道床板，可以有效隔离竖向以及横向振动(以竖直方向为竖向，行车方向为纵向，垂直于行车方向的水平向为横向)。且混凝土板在竖直方向的投影完全重合；每一混凝土板和其下方相邻的周期垫层构成一个基本单元，所述基本单元沿竖直方向周期重复数不少于2；所述周期垫层由沿着行车方向连续扩展延伸的至少一条长条形的垫板组成，所述垫板的宽度小于混凝土板宽度，同一周期垫层的垫板铺设范围不超出混凝土板，形成垫层条铺形式；处于隔层的周期垫层中的垫板的投影完全重合，相邻的周期垫层中的垫板在竖直方向上对齐或错位设置，形成一维或二维散射型周期结构。

每一周期垫层的垫板均沿线路中心线轴对称设置。

当相邻周期垫层中的垫板在竖直方向上对齐且同一层周期垫层中仅沿线路中心线轴对称设置一条长条形的垫板时，形成一维散射型周期复合道床板，在竖直方向有周期性和禁带特性。

当相邻周期垫层中的垫板在竖直方向上对齐且同一层周期垫层中有至少两条等距离离散分布的长条形的垫板时，形成长方晶格布置方式的二维散射型周期复合道床板，在竖直方向和横向等两个方向有周期性和禁带特性。

当相邻周期垫层中的垫板在竖直方向上错位设置且同一层周期垫层中有至少两条等距离离散分布的长条形垫板时，形成六角晶格布置方式的二维散射型周期复合道床板，在竖直方向和横向等两个方向有周期性和禁带特性。

在本发明的一个实施例中，在所述周期复合道床板上形成有通孔，在所述混凝土基底上形成有穿过所述通孔的凸起部，在所述凸起部与通孔之间设置有弹性垫层，所述通孔、凸起部和弹性垫层构成所述限位结构。

在本发明的另一个实施例中，沿所述混凝土基底左右两侧向上延伸形成连续的凸起部，所述连续的凸起部包住所述周期复合道床板两侧，在连续的凸起部和周期复合道床板两侧之间置有弹性垫层，所述连续的凸起部和弹性垫层构成所述限位结构。

所述周期垫层为弹性层、刚性层，或弹性层与复刚性层复合形成的复合层，所述周期复合道床板的厚度为0.3m～0.54m。

当所述周期垫层为弹性层时，多层周期垫层的弹性层的厚度加和≤0.04m。

另外，所述周期复合道床板顶部沿行车方向设置有连续或离散的承轨台，每个承轨台对应扣件孔位置处设置有两个用于固定扣件的套管，所述周期复合道床板上沿长度方向间隔设置有注浆孔。

所述混凝土板与周期垫层通过砂浆或胶封固结。

优选的，在正线使用时，所述周期垫层中沿着行车方向连续扩展延伸的长条形的垫板为每层单条垫板时可布置在横向的中央位置，且覆盖道床板横向宽度的50％以上，各层垫板等宽且竖直方向对齐；

优选的，在正线使用时，所述周期垫层中沿着行车方向连续扩展延伸的长条形的垫板为两条或两条以上时，沿着线路中心线轴对称布置。

本发明的减振产床，混凝土板与周期垫层沿竖直方向重复排列构成的一维周期结构，其首阶完全禁带的起始频率随混凝土板和周期垫层的厚度的增加而减小、随混凝土板和周期垫层的弹性模量增加而增大、随周期垫层宽度减小而减小、随阻抗比增加而减小，其首阶完全禁带的带宽随混凝土板的厚度增加而变宽、随周期垫层的厚度的增加而变窄、随混凝土板和周期垫层的弹性模量增加而变宽、随周期垫层宽度减小而变宽、随混凝土板和周期垫层(1-2)的阻抗比增加而变宽。

当所述周期垫层为弹性材料时，减小所述周期垫层宽度、增加所述凝土板和周期垫层的厚度、降低所述凝土板和周期垫层的弹性模量、增加所述混凝土板和周期垫层的阻抗比，可有效降低首阶完全禁带的起始频率，即产生更好的低频隔振效果。

当所述周期垫层为弹性材料时，减小所述周期垫层宽度、增加所述混凝土板的厚度、减小所述周期垫层的厚度、增加所述混凝土板和周期垫层的弹性模量、增加所述混凝土板和周期垫层的阻抗比，可增加首阶完全禁带的带宽，即产生更宽频段的隔振效果。

通过上述方式，所述周期复合道床板通过改变混凝土板与周期垫层结构几何尺寸和材料组成进行主动调控，可在200hz以内形成多段禁带分布，最低隔振频率可低至8hz，控制带宽最大可达120hz以上。

本发明从周期结构禁带理论切入，创新性地进行周期减振道床设计，颠覆传统结构隔振思路，属智能结构(材料)范畴。与现有技术相比，本发明具有以下突出优势：

(1)可有效控制竖直和水平方向的振动传播；

(2)可通过周期结构或材料的人为设计来主动调整隔振频段的带宽和位置，可调节性强，控制频段可达200hz以下，控制带宽可达70hz以上；

(3)无需额外附加阻尼器和主控装置，便可实现同时考虑承载和减振功能一体化的设计，减轻轨道系统负担，抑制异常波磨的产生；

(4)节约减振成本投入，可作为线路使用的基础减振措施；

(5)减振部位下移，减少措施类型、确保轨道平顺性。

附图说明

图1为本发明的一种条铺周期垫层减振道床第一种实施方式的俯视图；

图2为本发明的一种条铺周期垫层减振道床第一种实施方式的a-a横剖面图；

图3为本发明的一种条铺周期垫层减振道床第一种实施方式的请视图；

图4为本发明的一种条铺周期垫层减振道床第二种实施方式的俯视图；

图5为本发明的一种条铺周期垫层减振道床第二种实施方式的a-a剖面图；

图6为本发明的一种条铺周期垫层减振道床第二种实施方式的b-b剖面图；

图7为图1-3所示条铺周期垫层减振道床的立体结构示意图；

图8为具体实施例中周期结构的禁带分布图。

图中：

1、周期复合道床板1-1、混凝土板1-2、周期垫层2、混凝土基底

2a、限位结构3、弹性垫层4、承轨台5、套管6、注浆孔

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定的有益目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对根据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。一个或多个实施例中的特定特征、结构或特点可有任何形式组合。

本发明的条铺周期垫层减振道床包括周期复合道床板1及设置在其下方的混凝土基底2，所述周期复合道床板1与所述混凝土基底2之间通过限位结构2a限位，防止发生相对位移。

其中，所述周期复合道床板1由混凝土板1-1和周期垫层1-2由上至下交替排列固结而成，构成特殊的一维或二维散射型或局域共振型周期复合道床板，可以有效隔离竖向以及横向振动。且各层的混凝土板1-1在竖直方向的投影完全重合；每一混凝土板和其下方相邻的周期垫层构成一个基本单元，所述基本单元沿竖直方向周期重复数不少于2。

所述周期垫层1-2由沿着行车方向连续扩展延伸的至少一条长条形的垫板组成，所述垫板的宽度小于混凝土板宽度，同一周期垫层的垫板铺设范围不超出混凝土板，形成垫层条铺形式。处于隔层的周期垫层中的垫板的投影完全重合，相邻的周期垫层中的垫板在竖直方向上对齐或错位设置，形成一维或二维散射型周期结构

当相邻周期垫层中的垫板在竖直方向上对齐且同一层周期垫层中仅有一条长条形的垫板时，形成一维散射型周期复合道床板，在竖直方向有周期性和禁带特性。

当相邻周期垫层中的垫板在竖直方向上对齐且同一层周期垫层中有至少两条等距离离散分布的长条形的垫板时，形成长方晶格布置方式的二维散射型周期复合道床板，在竖直方向和横向等两个方向有周期性和禁带特性。

当相邻周期垫层中的垫板在竖直方向上错位设置且同一层周期垫层中有至少两条等距离离散分布的长条形垫板时，形成六角晶格布置方式的二维散射型周期复合道床板，在竖直方向和横向等两个方向有周期性和禁带特性。

优选的，在正线使用时，所述周期垫层1-2中沿着行车方向连续扩展延伸的长条形的垫板有两条，在两条钢轨正下方各布置一条，宽度与所述承轨台4同宽或相近。

通过上述方式，达到周期垫层1-2条铺于混凝土板1-1下的效果，均摊、削弱由混凝土板1-1传递下来的振动能量，且能够协调变形。混凝土板1-1与周期垫层1-2构成的周期复合道床板1顶部应为混凝土板1-1，从而实现与钢轨通过扣件进行刚性连接与固定。

作为可选的实施方式，所述沿竖直方向交替重复排列的混凝土板1-1与周期垫层1-2，每一块混凝土板1-1与相邻的一块周期垫层1-2构成一个基本单元，整个周期复合道床板1包含基本单元重复数可为3。通过该方式，振动能量经过周期性的衰减可得到有效控制。

所述周期垫层1-2中的垫板可以为弹性层如橡胶、聚氨酯；也可以为刚性层，如钢板；亦可为弹性复合刚性而形成的复合层，要求周期垫层1-2与混凝土板1-1形成较大的阻抗比。通过上述方式，可在不同介质界面形成较大的阻抗跃阶，从而使振动大幅衰减。

作为可选的实施方式，所述多个基本单元厚度加和在0.3m～0.54m之间，所述周期垫层1-2为弹性材料层时，多层周期垫层1-2中弹性层的厚度加和不得超过0.04m。

优选的，所述混凝土板1-1与周期垫层1-2之间采用砂浆或胶封，黏贴固结。通过该方式，可使条铺周期垫层减振道床达到建筑限界和轨道系统刚度、位移要求。

在图1-3，图7所示的实施例中，在所述周期复合道床板1上形成有通孔，在所述混凝土基底2上形成有穿过所述通孔的凸起部2a，在所述凸起部2a与通孔之间设置有弹性垫层3，所述通孔、凸起部和弹性垫层构成所述限位结构。在图4-6所示的实施例中，沿所述混凝土基底2左右两侧向上延伸形成连续的凸起部2a，所述连续的凸起部包住所述周期复合道床板1两侧，在连续的凸起部和周期复合道床板两侧之间设置有弹性垫层3，所述连续的凸起部和弹性垫层构成所述限位结构。所述限位结构不仅起到基础作用，还起到限制所述周期复合道床板1侧移或沿纵向滑移的限位作用；弹性垫层3可为橡胶、聚氨酯等，可以减缓冲击力。

作为可选的实施方式，所述周期复合道床板1顶部、沿行车方向设置凸起的承轨台4，所述承轨台4可为连续的或离散的，图1-6所示的实施例中均采用了离散型式的承轨台4。相邻承轨台4的中心距为0.6m。所述承轨台4按照每个扣件对应位置设置两个套管5，用于固定扣件，所述套管5位于所述承轨台4表面的对角线位置。所述周期复合道床板1上沿行车方向依次布置注浆孔6，孔洞等间距布置。

作为可选的实施方式，所述周期复合道床板1为二维周期结构，可形成弹性波禁带，禁带范围内振动将大幅衰减，即形成振动衰减频段，有效抑制竖直方向和横向振动。当周期垫层1-2为弹性垫层时，为降低其首阶完全禁带的起始频率，可减小所述周期垫层1-2宽度、增加混凝土板1-1和周期垫层1-2的厚度、降低混凝土板1-1和周期垫层1-2的弹性模量；为增加首阶完全禁带的带宽，可减小所述周期垫层1-2宽度、增加混凝土板1-1的厚度、降低周期垫层1-2的厚度、增加混凝土板1-1和周期垫层1-2的弹性模量、增加混凝土板1-1与周期垫层1-2的阻抗比。

所述条铺周期垫层减振道床应满足地铁设计限界、承载力、位移和耐久性的相关要求。

实施例

所述混凝土板1-1和周期垫层1-2的宽度为2.2m，所述混凝土板1-1厚度为0.1m，所述周期垫层1-2采用橡胶材料，厚度0.01m，宽度0.4m，所述混凝土板1-1与周期垫层1-2由上而下交替重复，各重复3次，构成厚度为0.33m的周期复合道床板。所述混凝土基底兼限位结构2底座厚度0.15m，凸起高度0.33m。

图1-3所示的实施例中，离散凸起2a的截面尺寸为0.4m×0.5m(0.5m为沿线路走行方向尺寸)。

图4-6所示的实施例中，连续凸起2a的纵截面尺寸为0.33m×0.4m(0.4m为垂直线路走行方向尺寸)。

所述弹性垫层3为橡胶，厚度0.02m。每层周期垫层1-2中的垫板是条铺形式，垫板在两条钢轨下方各设置一条，垫板宽度与承轨台4周宽。

所述承轨台4沿线路方向布置的最近中心距为0.6m，垂直于线路方向布置的最近中心距为1.513m，其高出周期复合道床板1顶面0.03m，横断面尺寸为0.3m×0.2m(0.2m为沿线路走行方向)，采用平坡方案。所述同一承轨台4上的两个套管5沿线路走行方向距离为0.125m，垂直线路走行方向距离为0.284m。所述灌浆孔6采用直径为0.17m的圆孔。所述混凝土板1-1采用c60混凝土，所述混凝土基底兼限位结构2采用c40自密实混凝土。

图8为上述两个实施例所对应的周期结构的禁带分布图，在53～148hz以及151～200hz等200hz范围内出现两条宽频带的禁带分布，禁带范围内振动将得到大幅衰减。

本发明的减振道床不仅适用于直线路段也适用于曲线路段。对于曲线路段，要求每一周期垫层的纵向断面中，垫板相对于轨道中心线对称设置。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，条铺周期垫层减振道床的尺寸和材料设定有多重，并不限于本实施例，本领域技术人员在阅读完本说明书后可根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。