本發明涉及軌道減振，尤其涉及一種用于浮置板軌道的被動式準零剛度隔振單元及軌道系統。
背景技術：
1、浮置板軌道系統在城市軌道交通及高速鐵路中廣泛應用，主要用于隔離車輛運行產生的振動與噪聲向周圍結構的傳播。現有浮置板軌道多采用線性彈性墊、鋼彈簧或氣動元件作為隔振裝置。這類裝置在靜承載力與低頻隔振性能之間存在固有矛盾：為獲得良好的低頻或超低頻隔振效果，隔振器需具備較低剛度；但剛度過低將削弱系統的靜穩定性與承載能力，難以滿足重載鐵路的使用要求。
2、準零剛度(qzs)隔振技術通過合理配置正、負剛度元件，可在平衡點附近顯著降低有效剛度，從而在理論上兼顧低頻隔振能力與承載能力。然而，現有qzs機構常依賴摩擦敏感的連桿機構、屈曲構件、凸輪幾何結構、磁作用力或主動控制系統實現負剛度特性。此類方案普遍存在可靠性不足、結構復雜、運維成本高的問題，尤其不適用于長期服役于嚴苛環境的無砟軌道系統。
3、因此，亟需開發一種結構簡單、穩定可靠、被動工作的用于浮置板軌道的被動式準零剛度隔振單元及軌道系統，使其在維持高靜載能力的同時，可有效衰減低頻及超低頻振動。
技術實現思路
1、本發明的目的是提供一種用于浮置板軌道的被動式準零剛度隔振單元及軌道系統，旨在解決現有浮置板軌道低頻隔振與承載能力難以兼顧、被動qzs結構復雜可靠性差的技術問題。
2、為實現上述目的，第一方面，本發明提供一種用于浮置板軌道的被動式準零剛度隔振單元，包括：
3、外殼，包括頂部具有開口的外殼本體和設置在外殼本體開口處的支撐盤；
4、正剛度機構，設置于所述外殼本體內，其包括并聯設置的機械彈簧和正剛度氣彈簧；
5、負剛度機構，設置于所述外殼本體內，其包括多個圍繞所述正剛度機構均布的負剛度氣彈簧；
6、機械耦合結構，用于連接所述正剛度機構與所述負剛度機構，以使正剛度機構與負剛度機構之間發生同步位移；
7、其中，所述機械彈簧用于建立與氣壓無關的主靜載荷路徑，在隔振單元受壓時，所述正剛度機構被壓縮并產生隨位移增大的恢復力，所述負剛度機構在所述機械耦合結構帶動下伸展并產生隨位移增大而減小的恢復力，以使二者在預定工作位移范圍內相互補償，使隔振單元在工作平衡位置附近呈準零剛度特性。
8、作為上述方案進一步的改進，所述機械彈簧為機械螺旋彈簧，用于在所述正剛度氣彈簧或所述負剛度氣彈簧發生氣壓損失時，所述機械彈簧繼續承擔載荷，以形成故障安全的機械承載路徑。
9、作為上述方案進一步的改進，所述外殼本體的底部設有底蓋，所述正剛度氣彈簧的遠離伸縮端設置在所述底蓋內，其伸縮端連接有頂蓋；
10、且所述機械彈簧套設在所述正剛度氣彈簧外，一端與所述頂蓋的下表面抵接，另一端與所述底蓋的上表面抵接；
11、所述支撐盤的中部設有通孔，且所述頂蓋穿過所述通孔并延伸出所述支撐盤，構成隔振單元的受載平臺。
12、作為上述方案進一步的改進，所述正剛度氣彈簧包括氣缸、可滑動設置在所述氣缸內的活塞桿；所述活塞桿的有桿端連接所述頂蓋，所述氣缸設置在所述底蓋內；
13、所述負剛度氣彈簧與所述正剛度氣彈簧采用相同的氣彈簧結構，二者的區別在于負剛度氣彈簧的活塞桿長度不同；
14、所述負剛度氣彈簧的遠離伸縮端設在所述支撐盤的內表面，其伸縮端與所述機械耦合結構連接；
15、優選的，所述負剛度機構包括四個負剛度氣彈簧，均布在所述正剛度機構的周向。
16、作為上述方案進一步的改進，所述機械耦合結構包括多個l形連接桿，各l形連接桿的一端與正剛度機構的受載平臺連接，即與所述頂蓋連接；另一端與對應的負剛度氣彈簧的伸縮端連接；
17、優選的，所述l形連接桿的豎直段與頂蓋的下表面連接，所述l形連接桿的水平段與所述負剛度氣彈簧的伸縮端連接。
18、作為上述方案進一步的改進，所述支撐盤與所述外殼本體的底部之間設有多個垂直支撐桿，所述垂直支撐桿用于為所述支撐盤提供附加垂向支撐。
19、第二方面，本發明還提供一種被動式準零剛度浮置板軌道系統，包括鋼軌、無砟混凝土浮置板、下部基礎以及多個如第一方面所述的隔振單元；
20、所述鋼軌設置在所述無砟混凝土浮置板頂部，所述無砟混凝土浮置板設置在所述下部基礎上；
21、多個所述隔振單元設置于所述無砟混凝土浮置板與所述下部基礎之間，并沿所述無砟混凝土浮置板的長度方向間隔布置，用于支撐靜態軌道荷載和動態列車激勵；
22、其中，所述軌道系統為不設傳感器、執行器和主動控制單元的被動式結構。
23、作為上述方案進一步的改進，所述下部基礎為設置于橋梁主梁或支撐結構上的混凝土底座，多個所述隔振單元嵌設于所述混凝土底座內；
24、具體的，多個所述隔振單元分別通過可拆卸夾筒安裝于混凝土底座內，并通過鎖定板進行定位和固定。
25、作為上述方案進一步的改進，所述隔振單元的外殼和所述混凝土底座之間還設有緩沖件。
26、作為上述方案進一步的改進，所述無砟混凝土浮置板與所述隔振單元之間通過連接板連接，所述連接板的四周與所述無砟混凝土浮置板連接，所述連接板的中部與所述隔振單元的受載平臺連接。
27、作為上述方案進一步的改進，在動態加載過程中，所述隔振單元的正剛度氣彈簧發生氣體壓縮時，所述隔振單元的負剛度氣彈簧發生氣體膨脹；在卸載過程中，所述隔振單元的正剛度氣彈簧發生氣體膨脹，所述隔振單元的負剛度氣彈簧發生氣體壓縮。
28、由于本發明采用了以上技術方案，使本技術具備的有益效果在于：
29、1、本發明提供一種用于浮置板軌道的被動式準零剛度隔振單元，通過采用機械彈簧與正剛度氣彈簧并聯構成的正剛度機構，并結合圍繞正剛度機構均布的多組負剛度氣彈簧構成的負剛度機構，同時在兩者之間引入機械耦合結構以實現同步位移，使得隔振單元在工作平衡位置附近呈現出準零剛度特性。本發明取得以下幾個方面的有益效果：
30、本發明兼顧低頻隔振與承載能力，具體的，機械彈簧獨立于氣壓建立主靜載荷路徑，保證了系統在承受重載靜態荷載時的穩定性和承載能力；同時，在正剛度機構受壓產生隨位移增大的恢復力的過程中，負剛度機構在耦合作用下伸展并產生隨位移增大而減小的恢復力，二者的剛度在特定位移區間內相互抵消，從而降低整體有效剛度。這種設計在不犧牲承載力的前提下，實現了低頻乃至超低頻段的優異隔振性能。
31、本發明結構簡單且可靠性高，具體的，相較于現有技術依賴摩擦敏感的連桿機構、屈曲構件或主動控制系統，本發明的負剛度特性完全由被動氣彈簧配合機械耦合結構實現，避免了復雜的運動副與電控元件，降低了故障風險和維護成本，更適合長期服役于嚴苛環境的無砟軌道系統。
32、本發明采用被動式工作模式，無需外部能量輸入或實時控制，依靠機械彈簧與氣彈簧的物理特性即可自動適應列車運行產生的動態荷載變化，提升了系統的耐久性與環境適應性。
33、多個隔振單元沿浮置板長度方向間隔分布，可均勻傳遞并衰減振動能量，進一步改善軌道結構的整體振動控制效果。本發明通過正、負剛度機構的組合及機械耦合設計，能有效解決現有浮置板軌道在低頻隔振與承載能力之間的矛盾，同時具備結構簡單、運行可靠、維護方便的優勢，能夠滿足城市軌道交通及高速鐵路對高性能被動隔振的需求。
34、2、本發明提供的一種被動式準零剛度浮置板軌道系統，通過將多個所述準零剛度隔振單元按一定間距布置于無砟混凝土浮置板與下部基礎之間，形成整體支撐與隔振體系。首先，能夠實現軌道系統全段連續低剛度隔振，具體的，各隔振單元在平衡位置附近均呈準零剛度特性，當列車荷載作用時，系統整體在多個支撐點處同時降低有效剛度，使浮置板在低頻及超低頻段具有顯著的整體隔振能力，有效減少振動向周圍結構及地面傳播。
35、其次，使得軌道系統靜載分布均勻，提高結構穩定性；具體的，由于每個隔振單元內設有機械彈簧作為與氣壓無關的主靜載荷路徑，且各單元沿浮置板長度方向均勻分布，靜態軌道荷載由所有隔振單元共同承擔，避免了局部應力集中，確保浮置板在重載條件下的變形均勻、結構穩定。
36、再者，使得軌道系統能適應長跨距與不同地質條件；具體的，被動式準零剛度隔振單元結構一致、安裝方式標準化，可通過調整單元數量與布置間距，靈活適配不同跨度、不同下部基礎剛度的線路條件，使系統在不同工程環境中均能保持良好隔振與承載性能。同時軌道系統采用全被動工作模式，無易損電子或機械控制部件，隔振單元內部僅包含機械彈簧與氣彈簧，其耐疲勞與抗老化性能適合長期服役于高濕、溫差大、振動頻繁的軌道交通環境，降低全生命周期運維成本。
37、另外所述軌道系統在鋼軌→浮置板→隔振單元→下部基礎這一傳振路徑中，準零剛度隔振單元在關鍵的中低頻段提供高隔振效率，與浮置板質量效應疊加，可顯著降低列車通過時的結構輻射噪聲，提高沿線環境舒適度。
38、本發明提供的被動式準零剛度浮置板軌道系統通過結構布置與隔振單元特性的結合，在保障高靜載能力的同時，實現了對低頻及超低頻振動的有效控制，并具備結構穩定、環境適應性強、運維成本低等優勢，能夠充分滿足現代城市軌道交通與高速鐵路的減振降噪需求。