专利角度分析浮置板轨道技术发展_许静.pdf

-13-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期专利分析行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度专利角度分析浮置板轨道技术发展许 静 方 正许静（1987），女，山东聊城，硕士研究生，助理研究员，道路领域专利，国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心。方正(等同第一作者),（1986），安徽桐城，硕士研究生，助理研究员财材料领域专利，国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心。图 1 浮置板轨道制，保证了其具有良好的隔振效果，参见图 1。浮置板式轨道是降低地铁传震和传声的最有效方法，利用浮置板轨道能够改善浮置板结构在低频段隔振效果，抑制其在浮置板固有频率附近将振动放大的不利影响；有效地降低地铁隧道或桥梁周围建筑物结构振动与二次噪声；可避开浮置板固有频率作为参振引起的地铁隧道或桥梁周围建筑物的共振；且吸振装置装拆或维护方便灵活。浮置板轨道技术的发展路线浮置板技术的发展如图所示，分析图 2 可知：浮置板技术的发展可分为三个技术脉络：1）浮置板技术相对于整个轨道结构来说经历了四个大的发展阶段；2）从施工人员对浮置板技术的施工方法来说经历了四个阶段；3）轨道浮置板技术的隔振装置经历了三个发展阶段。本文着重从这三个方面对浮置板技术进行梳理。浮置板轨道技术演进脉络一第一阶段传统浮置板轨道技术：从图 3 中可以看出，在传统设计中，横断面形式主要有上表面平、中间凸起、两边突起以及中间两边都突起几种情况，浮置板的超高是通过板的上表面调整来实现的，而板的下表面是保持水平不变的。这使得在曲线和缓和曲线地段板的横断面变化较大，钢轨内侧与外侧板的厚度不一，相应的隔振器规格增多，加大了生产成本，延长了生产周期。另外，设计的计算分析和出图量很大，影响设计的工作效率。在施工中，种类繁多的钢筋和隔振器对施工也提出了很高的要求，加大了施工难度，容易出错，使施工周期延长，其施工进度只有 56m/d。第二阶段钢弹簧浮置板轨道技术：钢弹簧浮置板道床如图4包括：路面或道轨，混凝土道床，钢弹簧隔振器，基础结构，防滑垫和调平钢板。钢弹簧隔振技术背景针对市政交通的振动对邻近建筑物安全或者邻近建筑物内人体舒适度造成的不利影响，目前常用隔振技术手段进行隔振。目前常用的隔振技术手段有地面振动屏障隔振，如行道树排水沟多孔波阻板组合隔振屏障、排桩填充式隔振沟、带波阻块的装配式隔振沟等，但是这种隔振手段对于靠近建筑物的市政道路难以适用；建筑物基础隔振，即在建筑物基础上设置隔振层（一般采用隔震支座），这种隔振方法会大量增加建筑物工程造价，增加后续养护维修难度，因此，一种新的轨道结构应运而生，这就是浮置板式轨道技术，可从振源传递过程控中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-14-专利分析的低频振动，导致低频隔振效果不理想，同时低频振动在土壤中的传播衰减较小。将短型浮置板轨道四个支承的半主动隔振器、一个设置在短型浮置板中心的加速度传感器和四个分别设置在短型浮置板四角的位移传感器上，半主动隔振器包括有一个用于调节阻尼 c 的磁流变脂阻尼器和一个用于调节刚度 k 的磁流变弹性体，阻尼器和弹性体并联在一起，并进行参数优化。磁流变浮置板是通过对线圈中通以不同的电流改变磁流变材料处的磁场强度，控制磁流变材料的流变特性，实现阻尼调节功能，衰减轨道列车运动过程中所产生的振动能量，隔振效果大大提升。浮置板轨道技术演进脉络二第一阶段连续现浇浮置板：传统浮置板技术是指基于现场绑扎钢筋、安装隔振器等并现场浇注混凝土的技术。它可以充分利用现场条件，结合盾构管片的施工误差进行配筋调整，以获得最大限度的参振质量和整体刚度，施工可靠，从钢弹簧浮置板引入国内到2008 年左右，基本上都是采用这种施工方案。在具有合理工期的前提下，这是最佳的方案。但它不利于标准化设计和机械化施工，施工效率偏低，对大规模应用有一定的影响。第二阶段预制长板浮置板：预制长板浮置板方便施工，可工厂预制，自振频率小于10Hz。长板浮置板自重大。轨道结构横向稳定性高，但板型较长，不方便施工。第三阶段钢筋笼施工浮置板：图 2 浮置板轨道技术发展路线图 3 传统浮置板主要断面形式图 4 钢弹簧浮置板断面形式图 5 预制短板浮置板轨道技术图 6 磁流变轨道应用图器包括：金属螺旋弹簧，阻尼器和箱体。钢弹簧浮置板道床，在上部的混凝土道床与底部的基础结构之间，每隔一定距离以嵌入或侧置的布置方式安装有钢弹簧隔振器。钢弹簧隔振器与基础结构之间设有调平钢板，在混凝土道床的上面铺设路面或道轨。钢弹簧隔振器包括上、下箱体，在上、下箱体之间设有金属螺旋弹簧和阻尼器。钢弹簧浮置板道床能够最大限度地减小汽车荷载作用下市政道路振动，从而能够保证满足市政道路邻近的居民区、商业区、文教区等区域的振动要求。第三阶段短板浮置板轨道技术：预制短板浮置道床是这样实现的，浮置板采用长度为38m 的预制短板，将长板分割开来，如图 5 分为板 1、板 2、板 3，将浮置板的长度从传统的 25m 缩短至 38m，彻底解决隧道空间受限和吊装工具承载不足的问题，运输和吊装都十分方便快捷；浮置板采用预制短板，其制造工艺由传统的隧道内灌注改为地面预制，生产过程不再受隧道内空间的限制，大大提高了生产效率，生产周期大幅缩短，产品质量也更容易保证；预制短板浮置道床的施工速度可以实现每个工作组每天完成 50m 以上，施工效率得到了极大的提升。浮置板采用预制短板，向隧道内运输时从任何一个施工入口都可以实现，不需要再设置专门的运输通道，更加方便，也更经济。第四阶段磁流变材料的浮置板：不管是传统的浮置板还是钢弹簧浮置板还是短板浮置板都属于被动隔振，无法自动调节参数来有效降低小于 10Hz-15-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期专利分析在浮置板轨道技术发展的第二阶段过程中，通过以下几个主要方面的研究，对传统浮置板轨道技术进行了优化改进。1）断面优化：经过反复对比分析和研究，整体考虑浮置板系统和基底，将超高在基底实现，浮置板厚度保持相对不变。2）结构设计：在传统浮置板设计模式下，基底始终是水平的，隔振器垂直于基底，即隔振器始终是竖直的。在板自重作用下，隔振器在横向不受水平力作用。只有在列车经过时，曲线地段的隔振器才受到水平力作用。3）剪力铰优化：相邻浮置板之间主要依靠剪力铰来传递剪力。传统浮置板采用中置式剪力铰。中置式剪力铰位于板断面中央的位置，在使用过程中剪力铰与钢筋同时绑扎，混凝土浇筑之后则无法更换，线路运营后难以在板表面观察到剪力铰的工作状态及损伤、锈蚀情况。因此，优化后采用了上置式剪力铰，方便就位，也可随时进行监测及更换，甚至可以根据线路运营的情况改变其规格。经过上述几个主要方面的优化，为浮置板技术的改进奠定了基础，逐渐形成了一种新的设计施工方案，即预制钢筋笼方案。在浮置板技术发展的第二阶段中，通过断面和结构的优化改进实现标准化，形成通用设计，彻底解决曲线地段配筋尺寸和减振器型号不一而带来的设计、供货、施工周期长的难题，大大提高了施工效率。第四阶段预制短板施工浮置板：钢笼方案在很大程度上解决了建设工期问题，但混凝土的浇筑质量受到现场条件的限制，且浮置板的养护时间不可压缩，制约了施工工期。而随着高铁预制轨道板技术的成熟，一种创新的浮置板预制短板技术应运而生。预制短板浮置道床，利用长度为 8m 的预制短板替代传统 25m 长的浮置板，实现了浮置板的预制式生产和隧道内吊运式施工，又通过在预制短板两端设置垂向刚度较大的弹性隔振器，提高局部承载能力，有利于防止总质量较轻的预制短板在一端承载时另外一端发生翻翘，保障了浮置道床结构在行车过程中的稳定性和安全性，施工进度可达到 5075m/d。浮置板轨道技术演进脉络三其中附图 7a/b 为传统的简单的橡胶支座隔振装置，图7c 为弹簧隔振装置，图 7d 为磁流变材料的隔振装置，图7e 为无级调高弹簧隔振装置。第一阶段普通的橡胶支座浮置板隔振器：橡胶支撑浮置板轨道是将浮置板置于与基础相连的橡胶支承上，对中、高频振动具有较好的隔振效果，但对于低于软土基和小于20Hz 的低频隔振效果不明显。第二阶段钢弹簧浮置板隔振器：钢弹簧浮置板道床包括：路面或道轨，混凝土道床，钢弹簧隔振器，基础结构，防滑垫和调平钢板。钢弹簧浮置板道床作为城市桥梁建设及铁路的主要减振措施及设置，其减振元件具有三维弹性，水平方向的位移小，稳定性高，无需附加限位装置，结构简单。钢弹簧的疲劳寿命长，可达50年，且弹簧易于检查和更换。利用该结构可方便、快速地调整由于基础结构沉降，造成的高度变化。第三阶段新型浮置板隔振器：磁流变阻尼器内置钢弹簧，磁流变阻尼器包括励磁线圈和磁流变材料，通过向励磁线圈输入不同的电流，会得到不同大小的磁场，不同磁场下磁流变材料会在液态与类固态之间连续变化产生不同大小的磁流变阻尼力，电流值的大小与磁流变阻尼力的大小一一对应，在实际应用中，只需根据具体情况，通过提供合适的磁流变阻尼力，可以有效地减少浮置板轨道额垂向振动位移。浮置板轨道技术核心专利核心专利指的是某技术领域的某种产品或方案必须使用的技术所对应的专利，本文通过锁定浮置板轨道领域的重要申请人和发明人、被引频次，给出了隔而固（青岛）振动控制有限公司的一件核心专利的基本信息，公开号为（CN1707026A），该专利于 2004 年 7 月 23 日申请，由留德博士尹学军发明，如图 8。通过阅读申请文件，看到该件专利发明点在于采用了内置式的弹簧隔振器，浮置板 1a 为板状，由混凝土现场浇注而成，在浮置板对应钢轨外侧位置均匀地分布两排通孔；通孔内预埋有联结套筒，其内壁上焊接有支承挡块 4，浮置板1a 通过支承挡块 4 弹性地支承于弹簧隔振器 2 上，构成内置式浮置道床。从技术上颠覆了隔振器一般由浮置板和橡胶支承块或叠层钢板橡胶支承块组成的模式，并且该专利已经进入了全球主要市场，在中国香港、日本、韩国、欧专局、国际局，以及比利时均获得授权，是钢弹簧浮置板技术发展的一个重要里程碑。浮置板轨道发展趋势1）为了提高浮置板的施工精度和稳定性，在满足轨道交通特殊减振需求的前提下，提出一种与行车方向相适应的装配式浮置板轨道结构，能够在减少现场施工工作量的同时提高轨道结构的稳定性是今后发展的一个必然方向。2）针对不同梁结构研发不同的钢弹簧浮置板以及针对性的优化措施，利用磁流变弹性体的可调刚度特性和磁流变脂或磁流变液的可调阻尼特性，以获得最佳振动能量损耗率为目标，以发挥其最大功能，这也是目前钢弹簧浮置板深入研发的发展趋势。图 7 浮置板隔振器发展路线图图 8 核心专利代表图