一种安置周期散射体的装配式预制桥墩及方法

本发明涉及一种安置周期散射体的装配式预制桥墩及方法，属于装配式预制桥墩减振领域。

背景技术：

1、声子晶体是由两种及两种以上材料周期排列，形成具有禁带的周期复合材料或结构，处于禁带频率范围内的弹性波无法传播。声子晶体可分为散射型声子晶体和局域共振型声子晶体，前者主要是结构的周期性起着主导作用，当入射弹性波的波长与结构的晶格常数相近时，将受到结构强烈的散射，后者主要是单个散射体的共振特性起主导作用。与布拉格散射型声子晶体不同，局域共振性声子晶体在基体中引入局域共振单元，当入射波的频率接近局域共振单元的共振频率时，共振单元的强共振模式与基体的本征模态相互作用，通过发生相互排斥来打开禁带。对于局域共振型禁带，其对应的波长可以远大于结构尺寸，因而能突破布拉格散射型声子晶体在低频应用中对结构尺寸的限制，局域共振型声子晶体较同等大小的散射型声子晶体形成的带隙频率更低。

2、交通荷载或地震荷载引起的振动，一定程度上会对桥梁结构的安全性、行车舒适性、使用寿命产生影响。传统桥梁减振技术是通过在结构上安装耗能设施和隔振装置来耗散地震波对桥梁结构产生的能量，无法从根本上解决桥梁与地基之间振动能量的传递，且桥梁结构可能会发生一定程度的破坏。

技术实现思路

1、技术目的：本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种安置周期散射体的装配式预制桥墩。该装配式预制桥墩，在其中布置周期性排列x行y列z层的散射体，散射体为重金属外侧包裹高分子材料的结构，这种安置周期散射体的装配式预制桥墩节段可视为局域共振型声子晶体，具有较低的弹性波带隙频率，通过调整不同预制节段中单胞的晶格常数，散射体的大小、形状、材料属性等参数，使装配式预制桥墩的不同预制节段具有不同的带隙频率，可对不同频率的声波或弹性波的传播进行衰减或屏蔽，控制装配式预制桥墩中振动的传播，可用于抑制桥上交通振动对桥梁附近建筑的影响，也可以减小地震波对桥梁的影响，实现桥梁宽频低频减振，同时相较于传统现浇施工方法制作的桥墩，装配式预制桥墩可以根据特殊的设计要求，在工厂中规模化生产建造，有益于安置散射体桥墩的制作、提高散射体布设精度等，大幅提升桥墩的制作水平与施工质量，提高施工效率，缩短施工周期，降低劳动力成本与工程造价，在桥梁结构减振及桥梁下部结构快速施工方面具有广阔的应用前景。

2、一种安置周期散射体的装配式预制桥墩，所述装配式预制桥墩包括与桥墩底节段一体的底部承台、多个预制桥墩节段以及盖梁，所述底部承台和多个预制桥墩节段的各节段内均预留竖向波纹管道，所述竖向波纹管道位于各节段四角处；

3、竖向连续钢筋底端承插于底部承台之中，上端依次穿过各预制桥墩节段所述竖向波纹管道，直至连接于盖梁之中，所述底部承台、多个预制桥墩节段以及盖梁通过所述竖向连续钢筋连接形成装配式预制桥墩整体；

4、所述预制桥墩节段中设有周期性排列x行y列z层的散射体。

5、所述散射体为重金属材料，外侧包裹聚氨酯、泡沫塑料或橡胶材质的结构。

6、所述散射体的形状为球体、正方体或长方体。

7、所述散射体在预制节段中为均匀或是梯度排列。

8、底部承台与预制桥墩节段之间的上、下表面、相邻预制桥墩节段的上、下表面以及预制桥墩节段与盖梁之间的上、下表面分别预设凹槽及与其相匹配的预设凸起，以构成剪力键连接，并在竖向波纹管道中采用超高性能混凝土材料进行浇筑。

9、底部承台与预制桥墩节段之间的上、下表面、相邻预制桥墩节段的上、下表面以及预制桥墩节段与盖梁之间的上、下表面分别预留榫芯及与其相匹配的插槽，并通过预留竖向钢筋相互搭接，连接处采用超高性能混凝土材料进行浇筑。

10、本发明进一步公开了一种基于所述安置周期散射体的装配式预制桥墩的预制桥墩节段中所述散射体放置方法，散射体采用吊装式安装或辅助定位安装装置，在混凝土初凝前采用拉十字线方法校核所述散射体位置。

11、本发明进一步公开了一种基于所述安置周期散射体的装配式预制桥墩对特定频率范围内的声波或弹性波的传播进行衰减或屏蔽方法，根据结构设计的减振要求，调整不同预制混凝土预制桥墩节段中单胞的晶格常数，晶格常数包括所述散射体的大小、形状、材料属性参数，使装配式预制桥墩的不同预制桥墩节段具有不同的带隙频率，分别对特定频率范围内的声波或弹性波的传播进行衰减或屏蔽，控制装配式预制桥墩中振动的传播。

12、有益效果

13、（1）本发明安置周期散射体的装配式预制桥墩，安置周期散射体的装配式预制桥墩节段可视为局域共振型声子晶体，具有较低的弹性波带隙频率。能够对特定频率范围内的声波或弹性波的传播进行衰减或屏蔽，可用于抑制桥上交通振动对桥梁附近建筑的影响，也可以减小地震波对桥梁的影响，实现桥梁宽频低频减振。

14、（2）通过调整预制节段中单胞的晶格常数，散射体的大小、形状、材料属性等参数，使装配式预制桥墩的不同预制节段具有中低频的带隙频率，不同预制节段可调控不同的声波或弹性波，从而控制振动在装配式预制桥墩中的传播。

15、（3）采用在工厂预制的装配式预制桥墩，预制安装散射体的节段时可采用相关辅助定位安装装置控制散射体的放置位置，同时可在混凝土初凝前对散射体位置进行校核，可解决现浇法建造安置散射体的桥墩结构现场不易制作、散射体控制精度低等存在的问题，大幅提升桥墩的制作水平与施工质量，提高施工效率，缩短施工周期，降低劳动力成本与工程造价。对于特殊设计的桥墩结构也便于控制相关构件的制作精度。

16、（4）本发明可应用但不限于桥墩结构，通常可以调控15hz左右的振动。

技术特征：

1.一种安置周期散射体的装配式预制桥墩，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的安置周期散射体的装配式预制桥墩，其特征在于，所述散射体为重金属材料，外侧包裹聚氨酯、泡沫塑料或橡胶材质的结构。

3.根据权利要求1所述的安置周期散射体的装配式预制桥墩，其特征在于，所述散射体的形状为球体、正方体或长方体。

4.根据权利要求1所述的安置周期散射体的装配式预制桥墩，其特征在于，所述散射体在预制节段中为均匀或是梯度排列。

5.根据权利要求1所述的安置周期散射体的装配式预制桥墩，其特征在于，底部承台（3-1）与预制桥墩节段之间的上、下表面、相邻预制桥墩节段的上、下表面以及预制桥墩节段与盖梁（3-2）之间的上、下表面分别预设凹槽（3-a-1）及与其相匹配的预设凸起（3-a-2），以构成剪力键连接，并在竖向波纹管道中采用超高性能混凝土材料进行浇筑。

6.根据权利要求1所述的安置周期散射体的装配式预制桥墩，其特征在于，底部承台（3-1）与预制桥墩节段之间的上、下表面、相邻预制桥墩节段的上、下表面以及预制桥墩节段与盖梁（3-2）之间的上、下表面分别预留榫芯（3-b-1）及与其相匹配的插槽（3-b-2），并通过预留竖向钢筋（3-b-3）相互搭接，连接处采用超高性能混凝土材料进行浇筑。

7.一种基于权利要求1~6中任一所述安置周期散射体的装配式预制桥墩的预制桥墩节段中所述散射体放置方法，其特征在于，散射体采用吊装式安装或辅助定位安装装置，在混凝土初凝前采用拉十字线方法校核所述散射体位置。

8.一种基于权利要求1~6中任一所述安置周期散射体的装配式预制桥墩对特定频率范围内的声波或弹性波的传播进行衰减或屏蔽方法，其特征在于，根据结构设计的减振要求，调整不同预制混凝土预制桥墩节段中单胞的晶格常数，晶格常数包括所述散射体的大小、形状、材料属性参数，使装配式预制桥墩的不同预制桥墩节段具有不同的带隙频率，分别对特定频率范围内的声波或弹性波的传播进行衰减或屏蔽，控制装配式预制桥墩中振动的传播。

技术总结
本发明公开了一种安置周期散射体的装配式预制桥墩及方法，装配式预制桥墩包括与桥墩底节段一体的底部承台、多个预制桥墩节段以及盖梁，底部承台和多个预制桥墩节段的各节段内均预留竖向波纹管道，竖向波纹管道位于各节段四角处；竖向连续钢筋底端承插于底部承台之中，上端依次穿过各预制桥墩节段竖向波纹管道，直至连接于盖梁之中，底部承台、多个预制桥墩节段以及盖梁通过竖向连续钢筋连接形成装配式预制桥墩整体；预制桥墩节段中设有周期性排列x行y列z层的散射体。通过调整不同预制桥墩节段中单胞的晶格常数，使装配式预制桥墩的不同预制桥墩节段具有不同的带隙频率，对不同频率的声波或弹性波的传播进行衰减或屏蔽。

技术研发人员：万水,岳汝,兰林,周鹏,王潇,李书利,陈俊,付理想,周林云,符俊冬,申纪伟
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13