李彥

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200082）

隨著經(jīng)濟(jì)社會和科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，我國對用于基礎(chǔ)科學(xué)研究的大科學(xué)裝置需求越來越強(qiáng)烈。同步輻射光源具有寬波段、高準(zhǔn)直、高偏振、高純凈度與高亮度、窄脈沖和可精確預(yù)知性等優(yōu)點(diǎn)，在物理、化學(xué)、原子分子物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科有著十分廣泛的應(yīng)用。同步輻射光源裝置對于地面變形和微振動的控制要求非常高，為保證實(shí)驗過程中設(shè)備的穩(wěn)定性，在建設(shè)過程中需要對該實(shí)驗室進(jìn)行防微振動控制設(shè)計，影響精密科學(xué)儀器穩(wěn)定性最主要的因素是環(huán)境振動[1]。環(huán)境振動一般分為自然因素造成的振動和人為因素造成的振動。其中自然因素的振動包括風(fēng)荷載引起的振動、潮汐變化引起的振動和一些在現(xiàn)場無法觀測到，但對場地有實(shí)際影響的振動。人為因素造成的振動包括機(jī)器生產(chǎn)時造成的振動，飛機(jī)、地鐵、車輛等運(yùn)行時產(chǎn)生的造成的振動和在場地附近或內(nèi)部人類的活動造成的振動，人為因素造成的振動頻率范圍非常廣泛[2-3]。

某同步輻射光源實(shí)驗室正處于選址建設(shè)階段，考慮到該實(shí)驗室所需的精密儀器和科學(xué)裝置對地面微振動的控制要求極高，為完善實(shí)驗室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)的微振動控制設(shè)計，對擬建場地的振動衰減規(guī)律研究很有必要。

1 振動衰減測試

為研究擬建場地車輛引起的微振動衰減規(guī)律，在實(shí)驗室擬建場地中部已有道路旁，沿垂直道路方向0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、60 m、80 m、100 m 處各布置了一個測點(diǎn)，總計8 個測點(diǎn)，測點(diǎn)布置圖如下。規(guī)定垂直于道路的方向為X 向，平行于道路的方向為Y 向，豎直向為Z 向。

測試設(shè)備為東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH5922D 數(shù)據(jù)采集器，連接24 個磁電式振動傳感器，測試傳感器包含X、Y 和Z 三個方向，每個測點(diǎn)放置X、Y 和Z 向傳感器各1 個，3 個傳感器為1 組測量1 個測點(diǎn)，共8 組。布置測點(diǎn)前需在傳感器放置的位置平整地面、布置測坑，先清理場地表面的雜草和浮土，挖開場地表面松軟的雜填土，將測試錐插入硬質(zhì)土層中。而后在測坑中放置傳感器與測試錐上方，調(diào)整傳感器位置至手指輕壓不晃動，斜向輕推無滑移，以保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

圖1 測點(diǎn)布置示意圖

道路交通荷載的振源，由內(nèi)部路上一輛由西向東行駛的重載渣土車提供。測試時，在車輛啟動之前開始測試，車輛離開內(nèi)部路直至對測點(diǎn)無影響時結(jié)束，記錄車輛經(jīng)過內(nèi)部路測點(diǎn)位置完整的時程曲線。

2 測試數(shù)據(jù)分析

同步輻射光源實(shí)驗設(shè)備和大科學(xué)裝置的微振動控制標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，一般采用均方根值（RMS）為控制標(biāo)準(zhǔn)[3]。對于一般的周期函數(shù)X(fk)，其傅里葉積分可表示為：

式中：x(t)為時程曲線數(shù)據(jù)；N 為離散傅里葉變換分析點(diǎn)數(shù)；Δt 為采樣間隔時長；fk為第k 階頻率；k 為頻率階數(shù)；T 為分析時長；f 為采樣頻率。在該段時程內(nèi)振動的功率譜密度表示為：

則在頻域內(nèi)的均方根（RMS）表示為：

在時域內(nèi)的均方根表示為：

式中：fmax為截止頻率上限。

基于該實(shí)驗室對場地微振動控制的要求，測試數(shù)據(jù)分析的頻率范圍為1～100Hz，測試原始數(shù)據(jù)的采樣頻率為256Hz，采樣數(shù)據(jù)類型為速度。為分析道路交通荷載引起的衰減響應(yīng)規(guī)律，渣土車以20km/h 的時速通過測點(diǎn)，一共10 次。截取車輛通過測點(diǎn)時前后20s 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取10 次數(shù)據(jù)的平均值，以防因偶然誤差導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

表1 各測點(diǎn)平均均方根值

均方根可以表示振動的能量強(qiáng)度，對測試數(shù)據(jù)在時域內(nèi)求均方根可以反映每個測點(diǎn)處振動能量的大小[4]。將測試數(shù)據(jù)的各個測點(diǎn)求出均方根值，而后將同一處測點(diǎn)的10 次均方根取平均值，可以更準(zhǔn)確的反映道路交通引起的振動能量衰減規(guī)律。

圖2 各測點(diǎn)三向平均均方根值

由平均RMS 值分析可得，在道路交通荷載作用下X 向的振動能量最大，Z 向次之；距離道路10m 處，X向與Z 向的衰減速度大于Y 向，10m 之后Z 向振動的衰減速率穩(wěn)定；距離道路10m 與20m 處，水平向振動無明顯衰減；在100m 處豎直向的振動水平明顯低于水平向的振動水平；X 方向和Z 向均方根與1m 處均方根比值為9.86%和8.02%，Y 向均方根比值與1m 處的比值為18.57%；衰減程度小于X 向和Z 向。且100m 處的振動水平遠(yuǎn)大于同步輻射光源實(shí)驗室微振動控制標(biāo)準(zhǔn)，需要考慮在傳播過程或者道路附近采取隔振措施。

3 結(jié)論

由道路交通振動衰減測試數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

（1）道路交通荷載近場處沿X 向傳播的水平波振動能量最大，Z 向次之，Y 向最小。

（2）距離道路10m 處Y 向的振動衰減速率最小，10m 之后Z 向的振動衰減速率最小。

（3）距離道路10m 與20m 處，水平向的振動無明顯衰減；100m 處豎直向的振動能量最小，明顯低于水平向的振動。

（4）以100m 處均方根與1m 處均方根相比，發(fā)現(xiàn)Y 向的衰減程度小于X 向和Z 向，X 向與Z 向衰減程度相近，需關(guān)注Y 向振動對擬建實(shí)驗室的影響。