武利軍

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

0 引言

由于城市現(xiàn)代化的發(fā)展，引起的振動(dòng)越發(fā)頻繁，交通荷載引起的振動(dòng)通過(guò)路基向道路兩側(cè)傳播。當(dāng)振動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)對(duì)附近精密儀器的正常使用帶來(lái)嚴(yán)重的影響。

一般由交通荷載引起的地面振動(dòng)我們可視為微振動(dòng)，它的振動(dòng)頻率通常在1 kHz以下，并且存在的高頻分量在地層傳播過(guò)程中會(huì)快速衰減。汽車荷載對(duì)周圍環(huán)境影響是十分復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到振源、振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理及傳播規(guī)律、振動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)備等的影響。國(guó)外對(duì)其進(jìn)行的研究較早，例如 G．Lombaert，G．Degrande［1］建立了地面交通引起的自由場(chǎng)地振動(dòng)的數(shù)值分析模型;而在國(guó)內(nèi)有關(guān)地面交通(汽車、列車等)對(duì)周圍環(huán)境影響的研究主要以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為主，如:梁鐵成等［2］對(duì)公路車輛產(chǎn)生的振動(dòng)衰減及其對(duì)精密儀器的影響進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析得出振動(dòng)信號(hào)的振幅隨距離呈近似負(fù)平方規(guī)律衰減;袁新敏，謝偉平等［3］對(duì)武漢楚雄大街過(guò)往車輛引起的振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到地面交通引起地面振動(dòng)加速度的衰減規(guī)律。

本文將利用微振測(cè)試技術(shù)，對(duì)成雅高速一側(cè)的地表進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，以期了解高速公路上的交通荷載對(duì)周圍環(huán)境的影響(特別是精密儀器的影響)進(jìn)行評(píng)定，為廠房及精密設(shè)備基礎(chǔ)臺(tái)座的隔振計(jì)算分析與設(shè)計(jì)提供依據(jù)，確保精密設(shè)備的正常工作。

1 微振測(cè)試

1．1 測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)測(cè)試要求，采用中科測(cè)控提供的三矢量傳感器采集振動(dòng)速度信號(hào)，測(cè)振儀儲(chǔ)存信號(hào)數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入筆記本電腦利用專業(yè)振動(dòng)分析軟件對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

振動(dòng)速度測(cè)試系統(tǒng)如下:

振動(dòng)信號(hào)→三矢量傳感器→測(cè)振儀→筆記本電腦。

1．2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試內(nèi)容

在距成雅高速公路最近的西側(cè)生產(chǎn)廠房1激光刻線機(jī)基座位置與公路之間，沿垂直于高速公路方向布置一條測(cè)線，原方案中測(cè)線上布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)際上布置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)(包括兩個(gè)控制測(cè)點(diǎn))，其中最遠(yuǎn)的2個(gè)測(cè)點(diǎn)為激光刻線機(jī)基座位置(定為控制測(cè)控點(diǎn))，最近的1個(gè)測(cè)點(diǎn)位于高速公路的路肩邊緣上，各測(cè)點(diǎn)與公路的垂直距離在1 m～500 m之間。距高速公路較近的5個(gè)測(cè)點(diǎn)間距一般在1 m～120 m之間，每個(gè)測(cè)點(diǎn)各進(jìn)行20次測(cè)量。測(cè)點(diǎn)平面布置情況如圖1所示。

1．3 振動(dòng)記錄儀的參數(shù)設(shè)置

需注意在進(jìn)行微振測(cè)試時(shí)必須合理設(shè)置振動(dòng)記錄儀的采樣頻率和量程。為保證記錄的波形不至失真，采樣頻率一般應(yīng)高于被測(cè)信號(hào)頻率的10倍～20倍以上，即一個(gè)周期10個(gè)～20個(gè)以上的采樣點(diǎn)。但采樣頻率越高其記錄的時(shí)間也就越短，故選擇采樣頻率應(yīng)注意兩者兼顧。

圖1 測(cè)點(diǎn)平面布置圖

通過(guò)分析交通方向上的預(yù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，距道路較近時(shí)(20 m)的行車振動(dòng)主頻率基本小于70 Hz，尤其是遠(yuǎn)離公路100 m時(shí)，主振頻率已小于10 Hz。因此，對(duì)于24 h連續(xù)測(cè)試的控制點(diǎn)位，儀器的采樣頻率設(shè)置為1 kHz;其他各測(cè)試點(diǎn)的儀器的采樣頻率設(shè)置為2 kHz。這樣，采樣頻率比被測(cè)信號(hào)頻率大30倍～100倍以上，不會(huì)出現(xiàn)波形失真的現(xiàn)象。

2 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果及分析

連接好振動(dòng)測(cè)試設(shè)備之后，將測(cè)振儀的內(nèi)觸發(fā)電平調(diào)好，使測(cè)振儀處于待觸發(fā)記錄狀態(tài)。當(dāng)有足夠大的汽車振動(dòng)觸發(fā)之后，振動(dòng)儀記錄下采樣電平，待所有數(shù)據(jù)測(cè)試完畢之后將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入筆記本進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括對(duì)原始波形的零線修正，濾波平滑波形等。

2．1 測(cè)試結(jié)果及處理

在成雅高速公路旁共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中2個(gè)測(cè)點(diǎn)位于路肩縱向側(cè)線處，另有3個(gè)測(cè)點(diǎn)位于垂直于高速公路的垂直側(cè)線上。5個(gè)測(cè)點(diǎn)各進(jìn)行了20余次振動(dòng)速度測(cè)試，共記錄90多幅三分量振動(dòng)速度波形，本文僅給出有代表性的振動(dòng)波形。圖2～圖6為在2010年3月6日上午11:30左右各測(cè)點(diǎn)在成雅高速公路記錄的典型振動(dòng)速度波形。

行車概況:成都到雅安方向車流量40輛次/min，雅安到成都方向30輛次/min，其中主要以大型客車及小轎車為主。

圖2 路肩處1號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度波形圖

圖3 路肩處2號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度波形圖

圖4 垂線1號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度波形圖

衡量振動(dòng)一般采用振動(dòng)特性的位移、速度、加速度等參數(shù)，同時(shí)也可以用分貝來(lái)表述它的相對(duì)大小，分別得到相應(yīng)的級(jí)值。本文采用速度振級(jí)，其振級(jí)由振動(dòng)速度值換算得，換算關(guān)系為:

式中:VAL——振動(dòng)速度振級(jí)，dB;

V——振動(dòng)速度，μm/s;

V0——速度基準(zhǔn)值，取5 ×10－2μm/s。

圖5 垂線2號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度波形圖

圖6 垂線3號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度波形圖

根據(jù)式(1)結(jié)合實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，Z軸方向的速度振級(jí)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 距行車路面不同距離處的振動(dòng)速度和速度振級(jí)

圖7為距行車路面(振源)不同距離處X，Y，Z三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的振動(dòng)速度變化曲線。

據(jù)有關(guān)資料介紹，在1 Hz～10 Hz頻率范圍內(nèi)，精密儀器對(duì)環(huán)境的振動(dòng)要求為 0．5 μg ～100．0 μg 這一微振范圍內(nèi)，根據(jù)式(2)計(jì)算可得振動(dòng)速度范圍大致為1 μm～10 μm。將實(shí)測(cè)X，Y，Z三軸的各軸最大振動(dòng)速度及主頻列于表2。

式中:V——振動(dòng)速度，μm/s;

T——振動(dòng)周期，s;

a——振動(dòng)加速度，μm/s－2。

2．2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出高速公路交通引起的地面振動(dòng)有如下規(guī)律:

1)在不同測(cè)試地點(diǎn)得到的振動(dòng)速度波形不同，測(cè)試地點(diǎn)離振源越遠(yuǎn)，波形持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

2)汽車運(yùn)行引起的地面振動(dòng)速度距道路越近，振動(dòng)速度越大，隨著距離的增加振動(dòng)有較為明顯的衰減，超過(guò)一定的距離(本測(cè)試X方向約為70 m，Y方向約為80 m，Z方向約為40 m)后衰減趨于平緩。有個(gè)別地點(diǎn)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，通常與測(cè)試點(diǎn)的地面情況有關(guān)。

表2 各測(cè)點(diǎn)處三軸最大振動(dòng)速度

圖7 各測(cè)點(diǎn)處的三軸振動(dòng)速度—距離變化曲線

3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)顯示，在各時(shí)間段所測(cè)的多組數(shù)據(jù)的大小和路面行駛的汽車荷載及車速有關(guān)，通過(guò)的荷載越大，速度越快引起的公路附近地面的速度振級(jí)越大。同時(shí)，車輛的荷載及速度越大，振動(dòng)衰減越顯著。

4)對(duì)地表各測(cè)點(diǎn)最大速度變化曲線進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)速度變化呈負(fù)的乘冪關(guān)系衰減。

5)根據(jù)對(duì)振動(dòng)速度頻譜分析可知，汽車荷載振動(dòng)在其影響范圍內(nèi)Z方向的速度主頻處于7 Hz～20 Hz內(nèi)，距離路面越遠(yuǎn)振動(dòng)速度主頻越小。而在120 m處振動(dòng)速度主頻均小于5 Hz。根據(jù)表2可知，在垂向3號(hào)測(cè)點(diǎn)以外汽車荷載引起的振動(dòng)速度均在1 μm～10 μm范圍內(nèi)，故在120 m后汽車荷載對(duì)精密儀器的振動(dòng)可以忽略不計(jì)。

6)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在不同測(cè)點(diǎn)處并不一定是Z方向的振動(dòng)速度最大，在某些時(shí)刻的某些測(cè)點(diǎn)處X，Y方向的振動(dòng)速度有可能是更大。所以在評(píng)定汽車荷載振動(dòng)對(duì)精密儀器的影響時(shí)不應(yīng)該只考慮Z方向的振動(dòng)，而應(yīng)該兼顧考慮X，Y方向的振動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)在高速公路正常運(yùn)行的車輛引起的地面微振進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)據(jù)處理和分析。對(duì)高速公路規(guī)劃建設(shè)帶來(lái)的振動(dòng)可能對(duì)環(huán)境的影響提供了一定的判斷依據(jù)，同時(shí)為振動(dòng)要求極高的精密儀器廠房的選址提供了重要的參考距離，在廠房的建設(shè)中應(yīng)該考慮這一影響距離。本文僅僅是對(duì)汽車振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的初步探討，汽車振動(dòng)帶來(lái)的噪聲、振動(dòng)速度的衰減與車輛荷載大小及行駛速度的關(guān)系研究還不夠成熟。同時(shí)，由于本文測(cè)試并不是在平整地面上對(duì)汽車振動(dòng)的測(cè)試，所以對(duì)地形的起伏變化可能引起的振動(dòng)速度變化衰減，還有待于研究。除了對(duì)高速公路環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估外，對(duì)高速公路帶來(lái)的環(huán)境振動(dòng)對(duì)精密儀器等的隔振措施也是研究的重點(diǎn)?？梢詮恼裨础⒄駝?dòng)傳播的路徑和受振結(jié)構(gòu)物三方面入手，需找能有效避免振動(dòng)給儀器帶來(lái)負(fù)面影響的措施。

［1] G．Lombaert，G．Degrande．The Validation of a Numerical Prediction Model for Free Field Traffic Induced Vibration by in Situ Experiments［A］．ISMA25，International Conference on Noise and Vibration Engineering［C］．Leuven，2000．

［2] 梁鐵成，李桐林，董瑞春．公路車輛產(chǎn)生振動(dòng)波的衰減研究［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，3(3):95-97．

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