黃鵬,殷琳,張雯潔,周卓琳,易丙旺

（寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院,浙江 寧波 315211）

0 引言

城市發(fā)展帶來的建筑用地日益緊張和車流量日益增加，會導(dǎo)致兩方面問題：一方面，為了節(jié)約用地，建筑物離城市主干道越來越近，建筑物受道路交通的噪聲與振動影響也越來越明顯；另一方面，日益增長的車流量使主干道附近建筑物所受振動和噪聲影響的頻次和強度增加。據(jù)統(tǒng)計，交通運輸引起的振動與噪聲是公眾反映比較多的公害之一。若建筑物受到的振動的強度過高和振動暴露時間過長，會影響室內(nèi)人員的生活質(zhì)量和工作效率，也會影響精密儀器的正常運行，還會影響危舊建筑物的安全性。因此研究地面交通工具的運行引起的振動及傳播衰減規(guī)律具有較重要的意義。

茅玉泉[1]通過現(xiàn)場實測與數(shù)理統(tǒng)計的方法，系統(tǒng)地研究了汽車引起的地面振動衰減規(guī)律。張文杰[2]研究了汽車引起建筑物振動的動力特性，擬合了振動系統(tǒng)的基頻和阻尼比。宗剛[3]將振動影響區(qū)域分為近場和中遠場，分別研究了不同區(qū)域的振動衰減規(guī)律。樓夢麟[4]現(xiàn)場實測表明，地面交通引起的振動大約持時2 s，引起的振動加速度峰值為5～10 gal。賈寶印[5]通過實測數(shù)據(jù)在扣除背景振動的基礎(chǔ)上研究了卡車引起地面振動的衰減規(guī)律。時剛[6]通過數(shù)值方法研究了車速、載重及路面特性對周圍地面振動的影響情況。王立安[7]通過理論推導(dǎo)和數(shù)值計算方法研究了汽車行駛速度、地面不平度及輪胎充氣壓力對車—地相互作用和地表振動的影響規(guī)律。張文星[8]通過實測數(shù)據(jù)分析了汽車通過減速帶產(chǎn)生的地面振動的特性。

本文通過對城市主干道附近地表振動的實測數(shù)據(jù)進行分析，研究公交車引起的振動在地面?zhèn)鞑r的振動特性與衰減規(guī)律，并擬合了振級衰減公式。研究成果可供城市規(guī)劃參考。

1 實測場地簡況與測點布置

本次測量場地選在某市中心城區(qū)的主干道一側(cè)，該干道為雙向6車道，交通流量大，上下班高峰期通過的車輛主要為小型轎車和大型公交車。因小型轎車引起的振動小且持時短，所以本次測量主要關(guān)注大型公交車引起的地表振動。

測線選在與干道行車方向垂直的小區(qū)內(nèi)小路上，該測線為垂直于干道行車方向的直線，6個測點均位于該測線上。該小區(qū)內(nèi)道路上僅時有非機動車和行人，在整個測量過程中記錄測線附近有行人和非機動車通過的時間，以便決定測試成果的取舍。測線沿小區(qū)內(nèi)道路的緣石布置，該測線由6個測點組成，分別命名為P1～P6測點，各測點與干道緣石的距離分別為12.0 m，19.0 m，24.3 m，27.1 m，34.1 m，46.1 m，6個測點共線，如圖1。

測試儀器為丹麥B&K公司生產(chǎn)的型號為B3053-B-120型數(shù)采儀和型號為8340的高靈敏度加速度傳感器。測試時設(shè)置數(shù)采儀分析頻率為3 200 Hz，根據(jù)采樣定理可知采樣頻率為8 192 Hz。選擇地面平整處放置加速度傳感器，用水平儀校核傳感器豎直度，確保傳感器豎直，然后將傳感器用膠水牢固地粘在地面。公交車的基本參數(shù)如表1。賈寶印[5]研究表明汽車引起的地面振動以鉛垂向振動為主，本文僅對垂向振動進行測試與分析。剔除有干擾的數(shù)據(jù)，共挑選出了10條無明顯干擾的垂向振動數(shù)據(jù)。

圖1 測線及測點布置示意圖

表1 公交車參數(shù)表

2 實測數(shù)據(jù)分析

2.1 加速度時程

圖2為某工況下6個測點測得垂向振動加速度時程記錄，加速度時程是指測點振動加速度隨時間的變化曲線，時程的橫軸為時間，縱軸為加速度測量值。由圖2可知，該工況中公交車通過時引起的地表垂向振動持續(xù)1 s左右，振動傳至距緣石12 m處的P1點后垂向振動加速度峰值在3 gal左右，振動傳至46.1 m處的P6點后垂向振動加速度峰值衰減為1 gal左右。

圖2 各測點垂向加速度時程:

在每條時程圖中均能看出有兩個明顯的峰值，他們分別位于0.5 s和1.2 s附近，此兩峰值分別是由公交車前、后輪通過測線時引起的。前輪引起的峰值低于后輪引起的峰值，由車輛參數(shù)可知前輪軸重（6 500 kg）輕于后輪（11 500 kg），說明軸重越大，引起的振動越大。

本工況的兩個峰值的時間差為0.642 6 s，公交車軸距為5 m，可以推算出該公交車駛過測線的速度為28.01 km/h。

本工況的P1和P6測點的峰值時刻有時間差，此時間差為振動從P1點傳到P2點所需時間，查看原始數(shù)據(jù)可知，此時間差為0.221 2 s，P1與P2間的距離為33.9 m，可以推算振動在地表傳播的速度為153.2 m/s。

其他工況可以得到以上類似的結(jié)論，限于篇幅，本文不再列出其他工況的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 加速度傅里葉譜

將以上時程進行FFT變換可以得到各測點的加速度傅里葉譜，對應(yīng)的傅里葉幅值譜如圖3所示。由圖3可知，地面振動的頻譜主要集中在2～20 Hz之間，根據(jù)P1測點振動時程的傅里葉譜圖可以看出在7 Hz、11 Hz和14 Hz 3處有較明顯峰值。對比P2測點的傅里葉譜圖可知，14 Hz處的峰值衰減較快，14 Hz的振動分量從P1點傳至P2點后基本衰減殆盡。7 Hz和11 Hz衰減相對較慢，他們對應(yīng)的振動分量傳至P6點后仍然存在。其他工況也存在類似規(guī)律，限于篇幅，本文不再列出其他工況的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 各測點時程的傅里葉譜:

3 加速度峰值衰減分析

將共10個工況下各測點的垂向加速度峰值及各測點加速度的平均值列于表2，其中均值是指各工況時該測點垂向加速度的平均值。為直觀表示振動加速度峰值的衰減情況，在圖4和圖5中分別給出歸一化前后的垂向加速度峰值衰減曲線。

由表2中加速度正峰值的均值可知，公交車引起距緣石距離（D）12 m處的地面振動加速度峰值為3.17 gal，距緣石46.1 m處的地面振動加速度峰值衰減為0.94 gal。另外，也可以看出加速度負峰值的均值要小于正峰值的均值。

表2 各工況下各測點的加速度峰值

從圖4和5可以看出，隨著距離的增加，振動峰值逐漸減小，且峰值的衰減速率減慢，峰值的衰減曲線類似指數(shù)函數(shù)，結(jié)合2.2節(jié)的信息可知，這是因為低頻比高頻衰減慢這一性質(zhì)導(dǎo)致的。

圖4 加速度衰減曲線:(a)正峰值;(b)負峰值;(c)峰值的平均值

圖5 歸一化后加速度衰減曲線:(a)正峰值;(b)負峰值;(c)峰值的平均值

4 振級

為了討論公交車運營對環(huán)境振動的影響，將垂向加速度轉(zhuǎn)化為Z振級。研究表明，人類對頻率范圍為1～80 Hz的振動較敏感，在此范圍內(nèi)以1/3倍頻程劃分。

由振動加速度時程計算振級時，先要計算振動加速度時程在各個1/3倍頻程內(nèi)的有效值（均方根值）aw·i[9]，然后計算各頻程內(nèi)的加速度級，計算公式為：

式中：La，i為第i個1/3倍頻程帶的振動加速度級；a0為基準加速度值，a0=10-6m/s2。

最后計算振級，計算公式為：

式中，La，i為第i個中心頻率所對應(yīng)的振動加速度級；Wi為該頻率上的記權(quán)因子。本文僅研究振動的衰減規(guī)律，不考慮人對振動的感受，故在本文Wi=0。表3中給出了各工況、各測點的振級。為直觀起見，給出了各工況下的歸一化前后衰減曲線，如圖6和7。

表3 各測點振級

圖6 振級衰減曲線

圖7 歸一化振級衰減曲線

圖8 振級衰減擬合曲線

由圖6和7可知，總體看，各點的振級隨著距離的增加而逐漸減小的，且減小的速率隨距離的增加而逐漸變慢，這和峰值加速度的變化趨勢一致。為了得到擬合曲線，計算各工況下振級的均值，見表3。振級均值隨距離的變化趨勢與指數(shù)函數(shù)相似，故采用指數(shù)函數(shù)進行擬合，擬合后的曲線如圖8所示。振級衰減的擬合公式為：

振級歸一化后的衰減公式為：

其中，r為距馬路邊緣的距離。

5 結(jié)論

對城市主干道上公交車引發(fā)的地面振動情況進行現(xiàn)場實測，采集了地面不同測點的垂向加速度時程。對時程數(shù)據(jù)進行分析可得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)各測點的振動加速度時程曲線，可以估算公交車行駛的速度和公交車引起的地面振動沿地表傳播的速度。

（2）無論是振動的加速度峰值還是振級，均隨著離振源的距離增加而減小。

（3）公交車引起地面振動持續(xù)時間約為1 s，P1點處的振動加速度峰值約為3 gal，振動的頻譜主要集中在2～20 Hz之間。其中分量在14 Hz左右的振動最為突出，此分量的振動衰減較快，傳至P2點后衰減殆盡；而分量在7 Hz和11 Hz左右的振動衰減相對較慢，傳至P6點后任然存在。

（4）各工況下公交車引起地面振動的振級均值在P1點處約為75.5 dB，在P6點處為66.2 dB。