一种设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置及设计方法

1.本发明涉及振动及噪声控制领域，具体涉及一种设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置及设计方法。


背景技术：

2.地铁轨道交通以其便利快捷的出行体验，在大城市得到快速发展。现阶段我国地铁大开发的过程中，造成了非常多的振动噪音扰民的问题，受到了居民越来越严重的投诉。人体对低频振动最敏感，最难接受低频振动的影响，低频振动最容易引发人的不适，造成居民的投诉。且现行的国家规范要求对低频振动要求的限值比中高频振动要求限值严格许多，低频振动难以减少且要求严格是现在地铁上盖结构开发遇到的最主要难题。现有的轨道交通上盖减振的研究主要集中三维隔振减振支座或者土层减振措施，均为单一的减振措施，且未能有效减少地铁振动波诱发的结构低频振动有效措施。
3.为了切实有效地减少轨道交通上盖结构的振动，本发明提出了一种素混凝土支撑减振措施，地铁振动波在传播到结构的过程中，在结构体系的支护结构与地下室之间上利用空沟对振动波的传播进行阻隔，可切实减少地铁交通上盖结构的地铁振动，推动轨道交通上盖物业的开发。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置及设计方法，通过结构改进设计和各部分的协同配合，解决上述技术问题。
5.本发明提供如下的技术方案：
6.一种设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置，其利用支护结构安装圆柱螺旋弹簧，包括结构底板转换层，所述结构底板转换层与支护结构连接，所述结构底板转换层顶部设置有地下室剪力墙结构；
7.所述地下室剪力墙结构靠近地铁隧道端与支护结构之间通过横向支撑结构连接；所述地下室剪力墙结构远离地铁隧道端与支护结构之间通过回填土连接。
8.优选的，所述横向支撑结构包括相互连接的素混凝土支撑和圆柱螺旋压缩弹簧。
9.优选的，所述支护结构埋于地底深度大于地铁隧道深度。
10.更优的，所述素混凝土支撑与支护结构连接；所述圆柱螺旋压缩弹簧与地下室剪力墙结构连接。
11.优选的，所述结构底板转换层顶部还设置有结构竖向传力构件。
12.更优的，所述结构竖向传力构件通过地下室楼板与地下室剪力墙结构连接。
13.更优的，所述结构竖向传力构件为井字形结构。
14.优选的，所述支护结构埋于地底深度大于地铁隧道深度。
15.本发明还提供该设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置的设计方法，用于根据实际情况使得装置达到最佳减震效果，其具体包括如下步骤：
16.(1)地铁振动减振性能需求。根据结构的地铁振动减振的性能要求，初步提出减振措施的相关关键参数的性能要求，根据圆柱螺旋压缩弹簧的承载力及水平刚度的要求,参照压缩弹簧设计规范，对侧土压力承载力、圆柱螺旋压缩弹簧的动静刚度进行设计。
17.(2)侧土压力承载力验算。测试现场各层土壤类型及深度，利用朗肯土压力理论和库伦土压力理论对侧土压力进行计算，计算分析所需要的压缩弹簧的数量及其承载力。
18.(3)验算压缩弹簧性能需求。
19.(3.1)弹簧参数设计。根据工作条件确定弹簧的载荷类型，选择材料，并获得许用切应力，初选旋绕比c，计算材料直径d，并计算出弹簧的中径d，计算有效圈数n。
20.(3.2)性能校核。弹簧的特性校核，弹簧的变形量应在试验载荷作用下变形量的20％～80％之间。
21.(3.3)疲劳强度校核。受变载荷的重要弹簧应进行疲劳强度校核，校核时变载荷的循环特征用最小切应力与最大切应力之比来表示，校核时由循环特征和抗拉强度按照规范进行验算。
22.(3.4)稳定性验算。高径比b较大的压缩弹簧，轴向载荷达到一定值就会产生侧向弯曲面失去稳定性。为保证使用稳定，要使弹簧的高径比满足规范要求。
23.(4)体系的减振效果验算。利用有限元模拟初步探索减振性能的规律，并加以个模拟实验作为对比，验证有限元模拟的准确性，确保该措施的安全性得到保证；若不满足体系减震效果，需重新验算侧土压力承载力。
24.本发明的提供的设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置及设计方法，其相比于现有的技术，还具有如下优点：
25.(1)能够充分利用废弃的支护结构，有效降低了工程造价。
26.(2)本专利的土层减振措施实施不占用额外的空间，节约了土地空间利用，在极其有效的空间内保证了地铁振动有效衰减。
27.(3)利用数量有限的素混凝土支撑替代大体积的回填土，能够进一步降低项目的施工材料成本和施工机械成本。能有效减少地铁上盖建筑的地铁振动，降低轨道交通的振动对结构舒适度的影响，避免了结构的振动及振动二次噪音超标，在结构体系的支护结构与地下室之间上利用空沟对振动波的传播进行阻隔，可切实减少地铁交通上盖结构的地铁振动，推动地铁上盖物业的开发。
附图说明
28.利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
29.图1是本发明实施例减振装置的隔振措施示意图；
30.图2是本发明实施例减振装置的隔振措施俯视图；
31.图3是本发明实施例减振装置的圆柱螺旋压缩弹簧示意图；
32.图4是本发明实施例地铁振动减振装置的设计方法流程示意图。
33.其中，1-素混凝土支撑，2-圆柱螺旋压缩弹簧，3-支护结构，4-地下室剪力墙结构，5-地下室楼板，6-结构竖向传力构件,7-结构底板转换层，8-回填土。
具体实施方式
34.以下结合具体实施例对一种设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
35.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在
……
上方”、“下”和“在
……
上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
37.实施例
38.本发明提供的设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置及设计方法，是在普通的回填土基础之上做进一步优化，通过将废弃轮胎与渣土混合而成新的回填土，使得废弃轮胎分散在回填土的各个位置上，可以做到对地铁振动波的多次不规则反射和散射，组成一道简单且高效复合隔振沟的隔振措施，使得地铁振动波的传递得到有效衰减，同时回填土提供抗侧力给支护结构，防止支护结构倒塌。
39.本发明实施例提供一种设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置，如图1和图2所示，其利用支护结构安装圆柱螺旋弹簧，包括结构底板转换层7，所述结构底板转换层7与支护结构3连接，所述结构底板转换层7顶部设置有地下室剪力墙结构4；
40.所述地下室剪力墙结构4靠近地铁隧道端与支护结构2之间通过横向支撑结构连接；所述地下室剪力墙结构4远离地铁隧道端与支护结构3之间通过回填土8连接。
41.其中，支护结构由混凝土咬合桩组成。
42.优选的，所述横向支撑结构包括相互连接的素混凝土支撑1和圆柱螺旋压缩弹簧2。
43.圆柱螺旋压缩弹簧2如图3所示。
44.优选的，所述支护结构埋于地底深度大于地铁隧道深度。
45.更优的，所述素混凝土支撑1与支护结构3连接；所述圆柱螺旋压缩弹簧2与地下室剪力墙结构4连接。
46.优选的，所述结构底板转换层7顶部还设置有结构竖向传力构件。
47.其中，结构竖向传力构件包括上部结构的柱子、剪力墙。
48.更优的，所述结构竖向传力构件6通过地下室楼板5与地下室剪力墙结构4连接。
49.更优的，所述结构竖向传力构件为井字形结构。
50.优选的，所述支护结构3埋于地底深度大于地铁隧道深度。
51.本发明还提供该设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置的设计方法，进行地铁振动减振措施的设计，如图4所示，用于根据实际情况使得装置达到最佳减震效果，其具体步骤如下：
52.(1)地铁振动减振性能需求。根据结构的地铁振动减振的性能要求，初步提出减振措施的相关关键参数的性能要求，根据圆柱螺旋压缩弹簧的承载力及水平刚度的要求,参照压缩弹簧设计规范，对侧土压力承载力、圆柱螺旋压缩弹簧的动静刚度进行设计。
53.(2)侧土压力承载力验算。测试现场各层土壤类型及深度，利用朗肯土压力理论和库伦土压力理论对侧土压力进行计算，计算分析所需要的压缩弹簧的数量及其承载力。
54.(3)验算压缩弹簧性能需求。
55.(3.1)弹簧参数设计。根据工作条件确定弹簧的载荷类型，选择材料，并获得许用切应力，初选旋绕比c，计算材料直径d，并计算出弹簧的中径d，计算有效圈数n。
56.(3.2)性能校核。弹簧的特性校核，弹簧的变形量应在试验载荷作用下变形量的20％～80％之间。
57.(3.3)疲劳强度校核。受变载荷的重要弹簧应进行疲劳强度校核，校核时变载荷的循环特征用最小切应力与最大切应力之比来表示，校核时由循环特征和抗拉强度按照规范进行验算。
58.(3.4)稳定性验算。高径比b较大的压缩弹簧，轴向载荷达到一定值就会产生侧向弯曲面失去稳定性。为保证使用稳定，要使弹簧的高径比满足规范要求。
59.(4)体系的减振效果验算。利用有限元模拟初步探索减振性能的规律，并加以个模拟实验作为对比，验证有限元模拟的准确性，确保该措施的安全性得到保证；若不满足体系减震效果，需重新验算侧土压力承载力。
60.本发明上述实施例提供的设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置及其设计方法，可以应用于地铁周边建筑支护结构与地下室之间的减振工程。在普通的空沟基础之上做进一步优化，在建筑的支护结构与地下室之间设置素混凝土支撑，空沟能有效减少地铁振动波的传递，同时素混凝土支撑提供抗侧力给支护结构，防止支护结构倒塌，素混凝土支撑与结构之间利用圆柱螺旋压缩弹簧连接，圆柱螺旋压缩弹簧可以改变结构刚度。通过对支护结构的巧妙利用，可以降低造价，节约土地空间，有效实现了减少地铁振动的空沟减振，能显著减少地铁振动，使轨道交通周边结构的振动和噪音满足相关规范和标准的要求，推动地铁上盖物业的开发发展。
61.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置，其特征在于，其利用支护结构安装圆柱螺旋弹簧，包括结构底板转换层(7)，所述结构底板转换层(7)与支护结构(3)连接，所述结构底板转换层(7)顶部设置有地下室剪力墙结构(4)；所述地下室剪力墙结构(4)靠近地铁隧道端与支护结构(2)之间通过横向支撑结构连接；所述地下室剪力墙结构(4)远离地铁隧道端与支护结构(3)之间通过回填土(8)连接。2.根据权利要求1所述的设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置，其特征在于，所述横向支撑结构包括相互连接的素混凝土支撑(1)和圆柱螺旋压缩弹簧(2)。3.根据权利要求2所述的设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置，其特征在于，所述素混凝土支撑(1)与支护结构(3)连接；所述圆柱螺旋压缩弹簧(2)与地下室剪力墙结构(4)连接。4.根据权利要求1所述的设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置，其特征在于，所述结构底板转换层(7)顶部还设置有结构竖向传力构件(6)。5.根据权利要求4所述的设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置，其特征在于，所述结构竖向传力构件(6)通过地下室楼板(5)与地下室剪力墙结构(4)连接。6.根据权利要求4所述的设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置，其特征在于，所述结构竖向传力构件(6)为井字形结构。7.根据权利要求1所述的设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置，其特征在于，所述支护结构(3)埋于地底深度大于地铁隧道深度。8.一种权利要求1-7任一项所述设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)地铁振动减振性能需求：根据结构的地铁振动减振的性能要求，初步提出减振措施的相关关键参数的性能要求，根据圆柱螺旋压缩弹簧的承载力及水平刚度的要求,参照压缩弹簧设计规范，对侧土压力承载力、圆柱螺旋压缩弹簧的动静刚度进行设计；(2)侧土压力承载力验算：测试现场各层土壤类型及深度，利用朗肯土压力理论和库伦土压力理论对侧土压力进行计算，计算分析所需要的压缩弹簧的数量及其承载力；(3)验算压缩弹簧性能需求(3.1)弹簧参数设计：根据工作条件确定弹簧的载荷类型，选择材料，并获得许用切应力，初选旋绕比c，计算材料直径d，并计算出弹簧的中径d，计算有效圈数n；(3.2)性能校核：弹簧的特性校核，弹簧的变形量应在试验载荷作用下变形量的20％～80％之间；(3.3)疲劳强度校核：受变载荷的重要弹簧应进行疲劳强度校核，校核时变载荷的循环特征用最小切应力与最大切应力之比来表示，校核时由循环特征和抗拉强度按照规范进行验算；(3.4)稳定性验算：使弹簧的高径比满足规范要求；(4)体系的减振效果验算：利用有限元模拟初步探索减振性能的规律，并加以个模拟实验作为对比，验证有限元模拟的准确性，确保该措施的安全性得到保证；若不满足体系减震效果，需重新验算侧土压力承载力。

技术总结
本发明公开了一种设有圆柱螺旋弹簧的地铁振动减振装置及设计方法，该减振装置是利用支护结构安装圆柱螺旋弹簧，包括结构底板转换层，所述结构底板转换层与支护结构连接，所述结构底板转换层顶部设置有地下室剪力墙结构；地下室剪力墙结构靠近地铁隧道端与支护结构之间通过横向支撑结构连接；所述地下室剪力墙结构远离地铁隧道端与支护结构之间通过回填土连接。本发明通过对支护结构的巧妙利用，可以降低造价，节约土地空间，有效实现了减少地铁振动的空沟减振，能显著减少地铁振动，使轨道交通周边结构的振动和噪音满足相关规范和标准的要求，推动地铁上盖物业的开发发展。推动地铁上盖物业的开发发展。推动地铁上盖物业的开发发展。


技术研发人员：周云 梁秋河 卢梓聪 李钧睿 梁晓遥 康佳州
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/22