125619字博士毕业论文浅谈桩排和波障在土木工程减振中的作用
论文类型：博士毕业论文
论文字数：125619字
论点：屏障,周期,衰减
论文概述：
本文是工程博士论文，本文以周期结构中定理为理论基础，深入分析了各类排桩结构对体波的隔离效果，并和其他作者的试验结果进行了对比，为周期排桩结构的实际应用提供了严格的理论支持
论文正文：
1简介
目前，人工控制振动的措施可归纳如下:针对振动源的减振，可在轨道下铺设带减振垫的浮板道床；为了减小传播路径的振动，可以增加振动源与建筑物之间的距离，为了减小受保护建筑物的振动，可以在建筑物下设置隔振支撑等。但是，这些方法有不同的缺点，如减振装置的耐久性一般较差，使用寿命短，在腐蚀性和其他恶劣环境中应小心使用。增加振动源之间的距离必须减少有限的可用空；隔振轴承价格昂贵，大规模安装隔振轴承容易出现成本问题。此外，对于已经建成的建筑物，实施这种隔振方法甚至非常困难。在振动源和被保护建筑之间设置波浪屏障是减少振动灾害的有效方法。根据波浪屏障的完整性，可以将其分为连续波浪屏障和不连续波浪屏障。连续屏障包括隔离壁、隔离沟槽、填充隔离沟槽和波浪屏障。不连续屏障包括排桩、排孔、板桩等。根据屏障的位置，可以分为主动屏障和被动屏障。主动屏障是布置在振动源周围的波屏障，而被动屏障是布置在受保护建筑物周围的波屏障。空沟渠已被证明是减少振动的有效方法。但是，由于土壤本身的稳定性和地下水位的影响，空沟很难形成深沟，因此限制了空沟的使用。作为屏障的另一种形式，排桩可以以任何形式布置，并且可以更深地插入土壤中，因此排桩是土木工程中常见的减振措施。在传统排桩屏障的基础上，提出了周期排桩的概念，并将其推广到具有三维阻尼(地震)能力的周期波屏障。
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2计算周期结构衰减域和振动特性的基本理论和方法
2.1引言
本章是全文的理论基础。导出了计算周期结构色散关系的改进平面波展开法，并给出了正方形和六边形等典型元素的结构函数。研究了如何用有限元法计算色散曲线，为计算各种复杂结构的色散曲线提供了理论依据。此外，桩排和波障是直接与地球相连的结构。如何考虑边界条件和波入射模式是一个必须解决的问题。因此，在本章的最后，推导了粘弹性边界条件和相应的波输入方法，以精确模拟弹性波在周期结构中的传播。
2.2周期结构的物理基础
根据空之间维度的重复性，周期结构可分为二维、二维和三维周期结构，以表示多个方向的周期性。其中，一维周期结构可以是棒状或层状周期结构，二维周期结构的典型元素可以是正方形、三角形、蜂窝形、齿形等。三维周期结构包括简单立方晶格、面心立方晶格、体心立方晶格等。图2-1显示了三个不同维度的周期性结构。从上图可以看出，周期结构是由空之间的同一结构单元(本文中称为典型单元，物理中称为原始单元)无限重复形成的，这与固体物理中的晶体相似。因此，声子晶体中的晶格概念也可以用来描述典型单元的空位置。通过这三个基本平移向量，可以定义任何典型单元的空之间的位置，这称为正空之间的基本向量。基向量的线性叠加形成周期结构的空之间的晶格。
3分散周期桩在环境减振中的应用……37
3.1导言……37
3.2二维散射周期桩对平面内振动的衰减……37
4局部共振周期桩在环境减振中的应用……67
4.1导言……67
4.2基础理论……68
4.3二维三分量周期桩对平面内振动的衰减............................71
五周期分形排桩在环境减振中应用的可行性研究.........91
5.1导言……91
5.2二维周期性分形桩排列……92
5.3二维周期分形桩排列衰减域分析...................94
6三维三分量周期波垒与振动(地震)的隔离
6.1简介
本章用有限元法计算三维三分量周期波垒的色散曲线。然后，分析了周期波势垒第一完全衰减域的影响因素。最后，数值分析了有和没有周期波垒的场地的动力响应。本章的研究表明，当三维入射弹性波的主频空在衰减范围内时，周期波屏障表面的振动可以大大衰减。本章的研究表明，周期波屏障在土木工程减振(地震)中有很大的应用前景。
6.2基础理论
为了证明本章提出的有限元法计算三维色散曲线的正确性和三维三分量周期结构中衰减域的存在，首先将本文的数值结果与其他作者的理论解和实验结果进行了比较。芯和包层的材料选择为同一介质，使得三维三分量的周期结构退化为三维二分量的周期结构，即立方芯埋在简单的立方矩阵单元中。这两种比较证明了本章色散曲线计算方法的有效性，并表明在三维三分量元素的周期结构中可以获得完整的衰减域。当弹性波的频率落在衰减范围内时，这些弹性波不能在介质中沿任何方向传播，因为找不到对应于这些弹性波的波矢量，或者它们没有对应的振动模式。基于第四章的研究内容，本章首先提出了一种新的波障形式，这里称之为周期波障，并研究了其衰减三维列车振动和地面运动的可行性。周期波势垒是一种具有大衰减域宽度和低起始频率的三维三分量周期结构。然后，讨论了物理和几何参数对第一完全衰减域的影响。最后，数值模拟表明，当列车振动和地面运动的频率在衰减范围内时，振动不能在周期波障中传播。因此，周期波势垒表面的动态响应被大大衰减。同时，这也意味着周期波屏障在土木工程领域有很大的应用前景。基于本章的研究，我们还可以得出以下结论。
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7结论和建议
在研究桩的布置和周期结构的基础上，提出了周期桩布置和周期波障的概念。周期性结构中存在衰减区，频率在衰减区内的振动传播将被抑制，这为结构减振(冲击)提供了一种新的技术途径。此外，在非衰减域的特定频率下，振动的传播具有方向性，形成振动盲区。利用振动盲区可以进一步拓宽周期结构的应用范围。桩排是土木工程中最常见的结构形式之一，也是减振措施的主要方法之一。在实际工程中，排桩通常以等间距排列成多排。因此，排桩具有设计为周期性结构的工程条件。将周期结构的设计理念引入排桩设计中，并将二者有机结合，具有重要的理论和工程应用价值。基于周期结构定理，研究了周期固体桩排列、周期空芯桩排列、周期填充桩排列、周期分形桩排列和周期波势垒对各种体波的散射，深入分析了各种桩排列对体波的隔离作用，并与其他作者的实验结果进行了比较，为周期桩排列的实际应用提供了严格的理论支持和更完善的机理解释。本文的主要研究内容和结论如下:利用改进的平面波展开法和有限元法，计算了基于布拉格散射机理的周期固体和空中心排桩的平面内和平面外衰减域，并系统分析了衰减域的主要影响因素。最后，用数值方法进一步说明了衰减域的阻尼特性。
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参考文献(省略)