声子晶体型混凝土板结构减振性能及设计方法研究

With the aim to attenuate the harmful vibration induced by city metros, a novel reinforced concrete(RC) slab structure will be developed in this project. The proposed new kind of RC slab is designed based on the filtering effect of a special composite structure, named phononic crystal. This project has three parts: 1. Theoretical study; Combining the Bloch theorem and the Differential Quadrature Element Method, attenuation zones of the novel RC slab will be investigated. Using the composite material theory, the equivalent homogenized model of the new composite RC slab will be proposed. Considering the load spectrums of typical subways, the reasonable design theories of the proposed composite RC slab and its substructures will be given. 2. Experimental study; Attenuation zones of different substructures will be tested at first to adjust the material parameters in simulations, and further the performance of the proposed RC slab under static load and impact load will be test to verified the correctness of the theoretical results. 3. Numerical study; Using the energy method, dynamic properties of the proposed RC slab will be investigated. In particular, parametric study will be conducted to optimize the vibration attenuation performance of the new RC slab. We note that the proposed phononic-crystal-based RC slab can be used to fabricate many kinds of civil structures(track slab, tunnel lining structure, building structures and so on) to lower the influences of the harmful ambient vibrations to building structures (in particular the ancient structures), which can improve the service level of city metros.

为有效降低城市轨道交通运行过程中所产生的有害振动（尤其是低频振动）的不利影响，本项目将基于声子晶体型复合结构的滤波特性研究开发新型低频减振超材料混凝土板结构。拟开展的工作：①理论方面，结合Bloch定理和微分求积单元法研究新型混凝土板的滤波减振频带，基于复合材料结构理论提出新型混凝土板的等效均匀化计算方法，结合城市轨道交通振动荷载谱给出新型混凝土板结构的合理设计理论。②试验方面，测试不同型号子结构的减振频带，浇筑混凝土减振板结构模型并测试其正常使用工作性能和减振性能。③数值方面，基于能量法研究新型混凝土板的减振性能，并通过参数分析对减振性能进行优化。声子晶体型混凝土板结构可用于构造不同形式的基础设施（轨道板、隧道衬砌结构、建筑结构等），以减小有害振动对建筑结构（尤其是古建筑）的不利影响，提高城市轨道交通行业的服务水平。

声子晶体型复合结构等超材料具有区别于均匀材料的滤波特性。将这一特性引入土木工程结构减振领域，本项目研究开发可应用与高速铁路及城市轨道交通系统的新型低频减振超材料混凝土复合结构，以实现对轨道交通运行过程中所产生的低频有害振动的隔离。.项目提出了通用超材料结构复频散计算方法，解决了任意构型超材料结构实复频散计算难题；阐明了超材料结构中滤波减振与耗能减振两种机理的耦合作用，为超材料结构隔振减振设计提供了理论基础；为抑制轨道交通运行过程中的低频振动，本项目设计了超材料混凝土浮置板轨道结构，给出了其减隔振设计方法；提出了基于ANSYS+MATLAB的多软件协同计算方法，解决了车轨耦合系统时程响应计算难题；引入惯容器系统，本项目进一步设计研发了一种惯性增强浮置板轨道结构并给出了其设计方法；基于超材料结构理论，本项目研究了竖向环境振动在建筑结构中的传播规律，进一步提出一种新型惯性增强浮置板结构以实现地震动及环境振动双层减振，从振动响应及能量分析的角度阐明了其减隔振机理；本项目开发了3种基于人工智能算法的超材料结构滤波特性优化及复频散预测算法，为进一步开展超材料结构智能算法研究建立了一个好的开端。本项目在超材料结构减振方面的原创性成果为土木工程及铁道工程减隔振研究提供了新的思路，所开发的多种减振技术可有效解决轨道交通运行过程中的低频振动问题。.项目累计发表SCI检索论文16篇，EI检索中文期刊论文2篇，参加国内外会议5次，完成一带一路轨道交通论坛邀请报告1次，授权专利3项，指导博士生2人，硕士8人。研究成果得到众多知名专家学者肯定。