一种地铁管片用减振螺栓套件及其减振方法

1.本发明涉及轨道交通隧道结构减振领域，是一种地铁管片用减振螺栓套件。


背景技术：

2.随着城市轨道交通建设的不断推进，轨道交通运行产生的环境振动问题日益凸显，其诱发的振动问题是国内外众多学者持续研究并经久不衰的课题。现代轨道交通为有效减少轮轨作用力产生的结构振动，一般使用各种橡胶弹性元件用于牵引、驱动、连接、支承等，以达到舒适、平稳、快速的更高要求。
3.隧道结构长期深埋于地下，需要承受长期水土荷载和列车长期往复振动的双重作用。容易引起隧道结构长期振动开裂，情况严重可能影响列车正常运行速度，给地铁运营造成极大的安全隐患。
4.现有的减振措施主要是距离轨道较近的部分，例如采用减振扣件、浮置板轨道、减振道床等。减振扣件的自然频率相对较高，压缩量较小，容易受外界环境影响，性能不稳定，使用寿命较短；对于浮置板轨道，同一个激振频率，浮置板系统固有的频率越低，隔振效果越好。然而把浮置板隔振系统的固有频率做低并不容易，受很多条件制约；减振道床在进行制作的过程中，不仅需要经过重重工序和较长的施工周期，而且也需要对现场的交通环境进行测量和预先试铺，依据轨道进行调整和改进，在充足的准备工作完成后才能进行现场浇筑。该复杂性极高的工艺不仅对施工人员的技术有着较高要求，而且要求施工的现场能够排除各种人为因素或环境因素，但是这一点往往无法完全实现，更不用说在造价成本和管理成本方面的缺点。
5.而为提升隧道的建设速度，现有隧道大都是由工厂预制的管片在现场通过螺栓锚固作用拼装而成，这会降低隧道结构的整体性，从而具有一定天然设置隔离振动措施的便捷性和有效性，成本低且施工方便。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种地铁管片用减振螺栓套件，着眼于盾构隧道的拼装特性，在其拼装节点处（即螺栓处）设计减振套件，减由于列车荷载引起的隧道结构振动。
7.为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：一种地铁管片用减振螺栓套件，包括：螺母套件，由螺母外侧涂覆沥青阻尼材料形成；螺栓套筒，设置在管片连接用的螺栓与螺栓孔之间，采用高阻尼塑料材料制成；环形耗能单元，用于增大螺栓套筒和周边混凝土的连接性，以及衰减振动，设置在螺栓套筒外侧，包括多道，多道环形耗能单元沿螺栓套筒轴向等间距布置，每道环形耗能单元均包括沿螺栓孔周向等角度布置的多个耗能圈。
8.优选的，所述管片的内弧面上设有所述螺母安装孔，所述螺栓孔为弯曲的管腔体，通过在螺栓孔中插入螺栓实现对独立管片之间的拼接。
9.优选的，所述沥青阻尼材料为泡沫金属。
10.优选的，相邻两道环形耗能单元中的耗能圈在螺栓孔周向上具有角度差。
11.优选的，所述螺栓套筒，其外弧长l1和内弧长l2计算公式如下：其中，r1、r2分别为螺栓孔外弧半径和内弧半径，为螺栓孔弧长所对应的圆心角度。
12.优选的，单个耗能圈的形状为矩形，其耗能区域角度由以下公式计算：其中，h为单个耗能圈高度，w为单个耗能圈的宽度。
13.优选的，所述耗能圈采用橡胶材料。
14.本发明进一步公开了一种基于所述地铁管片用减振螺栓套件的减振方法，当振动传递至螺母时，利用螺母外部涂覆的沥青阻尼材料的弹性变形和内部阻尼吸收一部分机械冲击能，实现一级隔振；当振动传递至螺栓套筒时，高阻尼塑料制成的螺栓套筒在管片产生受迫振动，将振动能在自身中消耗,实现二级隔振；当振动传递至环形耗能单元时，通过所述环形耗能单元的拉伸、变形实现三级隔振。
15.有益效果：与上述现有技术相比，本发明结合拼装式盾构隧道的结构特点，设计了减振螺栓套件，本发明的有益效果有：（1）螺母3外侧涂覆沥青阻尼材料形成螺母套件7，实现一级隔振。
16.（2）螺栓套筒8采用高高阻尼塑料材料，实现二级隔振。
17.（3）在螺栓套筒8外侧增设有耗能圈9，实现三级隔振。
18.本发明一种地铁管片用减振螺栓套件，衰减隧道结构内部和向外界土体传递的振动；具有天然设置隔离振动措施的便捷性和有效性，并且施工便捷且经济。
附图说明
19.图1是本发明的减振螺栓套件布设位置示意图；图2是本发明的a
‑
a截面剖面图；图3是本发明的b
‑
b截面剖面图；其中，1、第一管片，2、第二管片，3、第一螺母，4、第二螺母，5、螺栓孔，6、螺孔密封圈，7、螺母套件，8、螺栓套筒，9、耗能圈。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
21.实施例1：本实施实例为一种地铁管片用减振螺栓套件。第一管片1和第二管片2的外径均为6.7m，内径均为5.9m，厚度均为350mm。
22.如图1所示为本发明的减振螺栓套件布设位置示意图，一种地铁管片用减振螺栓，包括：螺母套件7，由螺母3外侧涂覆沥青阻尼材料形成；作为本实施例的优选，所述螺母处涂覆沥青阻尼材料泡沫金属，具有一定的减振、绝热和密封的功能。当振动传递至泡沫金属材料时,利用多孔泡沫材料的弹性变形和内部阻尼可吸收一部分机械冲击能。密度比为0.05～0.15的泡沫铝可吸收的能量为20～180mj/m,具有较强的能量吸收能力和优异的减振性能，涂覆厚度为3mm。
23.螺栓套筒8，设置在管片连接用的螺栓与螺栓孔之间，采用高阻尼塑料材料制成；高阻尼塑料具有良好的减振性能，既是结构材料又有高阻尼性能，具有振动衰减特性好、机械强度高、耐腐蚀等优点。壁厚为3mm。其外弧长l1和内弧长l2计算公式如下：其中，r1、r2分别为螺栓孔外弧半径和内弧半径，r1=378mm，r2=342mm。
24.为螺栓孔弧长所对应的圆心角度，为84.8
°
。
25.环形耗能单元，用于增大螺栓套筒和周边混凝土的连接性，以及衰减振动，设置在螺栓套筒8外侧，包括多道，多道环形耗能单元沿螺栓套筒轴向等间距布置，每道环形耗能单元均包括沿螺栓孔周向等角度布置的多个耗能圈9。
26.所述耗能圈9采用橡胶材料，材料采用nr减振橡胶，相邻耗能圈之间间隔60mm。单个耗能圈高度为h为20mm，宽度w为60mm。其耗能区域角度。耗能区域角度由以下公式计算：。
27.由于耗能圈9会占据部分混凝土体积，为了结构安全性考虑，在管片浇筑时适当加密耗能圈外围钢筋。内部受力钢筋型号选为hrb335，箍筋型号为hpb235。
28.所述螺母涂覆沥青阻尼材料，如泡沫金属，具有一定的减振、绝热和密封的功能，涂覆厚度为3mm。
29.如图2所示为本发明的a
‑
a截面剖面图，可见沿螺栓孔环向等角度布置有4个耗能圈，角度为90度，每个耗能圈的厚度t为5mm。
30.如图3所示为本发明的b
‑
b截面剖面图，可见沿螺栓孔环向等角度布置有4个耗能圈，角度为90度，与a
‑
a截面相比旋转了一定角度。不同截面之间耗能圈的角度差异有利于管片浇筑时混凝土更加均匀地填注至耗能圈周围，增加螺栓套筒与外侧混凝土的粘结能
力，且对于混凝土开裂时贯通裂缝的产生具有一定的防范作用。
31.基于本发明所述地铁管片用减振螺栓套件的减振方法，当振动传递至螺母3时，利用螺母3外部涂覆的沥青阻尼材料的弹性变形和内部阻尼吸收一部分机械冲击能，实现一级隔振；当振动传递至螺栓套筒8时，高阻尼塑料制成的螺栓套筒在管片产生受迫振动，将振动能在自身中消耗,实现二级隔振；当振动传递至环形耗能单元时，通过所述环形耗能单元的拉伸、变形实现三级隔振。
32.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。