先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)素地環(huán)境振動(dòng)實(shí)測(cè)與分析

汪洪軍, 劉志華, 董玉平

(1. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院, 北京100029; 2. 南京博森科技有限公司 北京分公司, 北京 100027)

1 引 言

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展,環(huán)境振動(dòng)對(duì)生活和工作環(huán)境的影響已經(jīng)引起廣泛關(guān)注,目前國(guó)際上已經(jīng)把振動(dòng)列為七大環(huán)境公害之一[1]。 環(huán)境振動(dòng)是由自然原因(如風(fēng)、海浪、潮汐)或人為原因(如交通活動(dòng)或機(jī)械運(yùn)動(dòng)、工程施工活動(dòng)等)造成,一般可分為2大類,即地面脈動(dòng)和人類活動(dòng)的近距離干擾振動(dòng)[2,3]。地面脈動(dòng)是一種隨機(jī)振動(dòng)波,具有較低的振動(dòng)頻率,按其形成的因素,又可分為第1類地面脈動(dòng)(自然因素形成,包括風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、海浪擊岸等)和第2類地面脈動(dòng)(遠(yuǎn)距離人為因素形成)。人類活動(dòng)的近距離干擾振動(dòng),主要包括線振源振動(dòng)(火車、地鐵、汽車等在道路或線路上行駛產(chǎn)生的振動(dòng))和點(diǎn)振源振動(dòng)(鍛錘、壓縮機(jī)、沖床等機(jī)械運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng))等。與地面脈動(dòng)相比,這類振動(dòng)振動(dòng)頻率較寬且振幅較大,其影響遠(yuǎn)大于地面脈動(dòng)[4]。環(huán)境振動(dòng)的特點(diǎn)和振級(jí)不僅取決于激勵(lì)的大小,還取決于土壤、基礎(chǔ)和建筑物其他結(jié)構(gòu)部件所組成的動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的濾波效果[5]。

對(duì)于先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室,大多數(shù)精密儀器對(duì)環(huán)境振動(dòng)比較敏感,環(huán)境振動(dòng)會(huì)對(duì)精密儀器設(shè)備造成損害、降低精度、產(chǎn)生難以接受的偏離,因此在實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃選址和建設(shè)過程中必須考慮降低或消除環(huán)境振動(dòng)影響[6]。良好的環(huán)境振動(dòng)條件是保證高精度測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提,2017年在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行的第10屆全球絕對(duì)重力儀關(guān)鍵比對(duì)中,重力值不確定度優(yōu)于1 μGal，良好的環(huán)境振動(dòng)條件對(duì)該結(jié)果有較大的貢獻(xiàn)[7]。因此對(duì)環(huán)境振動(dòng)比較敏感的工程建設(shè)場(chǎng)地,原則上應(yīng)該盡量選擇在遠(yuǎn)離地鐵、城市干道等交通繁忙區(qū)域,但由于城市建設(shè)的要求和現(xiàn)狀,在工程選址時(shí)難以完全避開,這樣就需要根據(jù)工程實(shí)際情況，開展人類活動(dòng)的近距離干擾激發(fā)的環(huán)境振動(dòng)對(duì)精密裝置影響的分析研究[8,9]。這些研究目前主要采取的方法是實(shí)地測(cè)量和有限元?jiǎng)恿Ψ治?大類,國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少。考慮到影響環(huán)境振動(dòng)的因素較多,采用有限元分析的理論計(jì)算難度較大,目前對(duì)素地環(huán)境振動(dòng)影響的研究多集中在實(shí)測(cè)分析方面,且更多是針對(duì)某一具體工程進(jìn)行,來獲得地面脈動(dòng)和人類活動(dòng)的近距離干擾振動(dòng)對(duì)建設(shè)地塊的綜合影響量化評(píng)價(jià)。若某場(chǎng)地測(cè)量值超過了實(shí)驗(yàn)室所要求的環(huán)境振動(dòng)容許值,則該場(chǎng)地通常將被拒絕,或采取有效的隔振處理措施。另外,在建設(shè)用地選擇過程中,還應(yīng)考慮場(chǎng)地未來使用以及場(chǎng)地周圍環(huán)境的發(fā)展情況。

本文以中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地(以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)基地)先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)地塊為例，其周邊干擾源及道路車輛行駛產(chǎn)生的振動(dòng)波通過周圍地層向外傳播,誘發(fā)附近地基場(chǎng)地及鄰近建筑物的振動(dòng),對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)環(huán)境產(chǎn)生的影響,通過實(shí)測(cè)與分析，用于判定該實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)的適用性和指導(dǎo)環(huán)境振動(dòng)控制設(shè)計(jì),為實(shí)驗(yàn)區(qū)整體布局及類似實(shí)驗(yàn)室環(huán)境振動(dòng)特性研究提供借鑒。

2 工程及控制標(biāo)準(zhǔn)概況

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地位于龍山腳下,占地面積約55萬 m2,南北長(zhǎng)約1 300 m,東西200～700 m。實(shí)驗(yàn)基地周邊5 km范圍內(nèi)有十三陵水庫(kù)、京包貨運(yùn)鐵路、地鐵昌平支線、京藏/京新高速公路、昌赤路國(guó)道主干道和集裝箱臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭等主要振動(dòng)源,如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)基地周邊5 km 以內(nèi)主要振動(dòng)源Fig.1 Main vibration sources within 5 km around the experimental base

先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)位于實(shí)驗(yàn)基地中間位置的東側(cè),緊鄰龍山,總規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室建設(shè)面積約5萬 m2,地下一層,地上一至兩層,該地塊西側(cè)為實(shí)驗(yàn)基地主干道,北側(cè)為實(shí)驗(yàn)基地支干道。項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地東高西低,主要地層自上而下依次為素填土、粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、漂石、碎石、強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r、中風(fēng)化石灰?guī)r。實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)主要開展的科學(xué)研究?jī)?nèi)容有:以量子物理為基礎(chǔ)的計(jì)量基礎(chǔ)研究，計(jì)量科技領(lǐng)域中前瞻性、基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性研究。從事這些研究工作的精密設(shè)備對(duì)環(huán)境振動(dòng)要求較高。

精密設(shè)備的環(huán)境振動(dòng)容許值由精密設(shè)備本身決定,一般通過試驗(yàn)確定,當(dāng)條件限制難以實(shí)現(xiàn)時(shí),可以對(duì)現(xiàn)有精密設(shè)備環(huán)境振動(dòng)調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析得到該類設(shè)備正常工作的振動(dòng)容許參考值。振動(dòng)控制VC標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)的Colin Gordon[10]針對(duì)振動(dòng)敏感設(shè)備給定的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),是一組標(biāo)記為VC-A到VC-G的1/3倍頻程速度譜,每條曲線規(guī)定了與之相應(yīng)的一類精密設(shè)備的振動(dòng)允許值,2005年由Amick[11]對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化和更新,其具體控制值如圖2所示[11]。隨著精密儀器的發(fā)展,甚至VC標(biāo)準(zhǔn)的最高水平都已無法滿足某些振動(dòng)敏感設(shè)備及實(shí)驗(yàn)室的振動(dòng)控制要求,新的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)正不斷發(fā)展[12]。因此,先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作平臺(tái)表面環(huán)境振動(dòng)容許值應(yīng)滿足振動(dòng)控制VC標(biāo)準(zhǔn)VC-C、VC-D、VC-E、VC-F、VC-G的要求。

圖2 國(guó)際振動(dòng) VC 標(biāo)準(zhǔn)Fig.2 International vibration VC standard

3 環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為充分評(píng)估實(shí)驗(yàn)基地周邊5 km以內(nèi)和先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)地塊周邊道路等人類活動(dòng)的近距離干擾振動(dòng)激勵(lì),本文參照GB51076-2015附錄A[13],并結(jié)合實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)精密設(shè)備及儀器的振動(dòng)容許值、場(chǎng)地及周邊道路布置圖、未來周邊道路可能行車狀況、實(shí)驗(yàn)樓擬建場(chǎng)地及鄰近的振源位置等資料,制定測(cè)點(diǎn)布置方案。開展單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量與在外界環(huán)境激勵(lì)條件下的多點(diǎn)瞬態(tài)測(cè)量。每個(gè)測(cè)點(diǎn)均同時(shí)記錄南北x方向、東西y方向和垂直z方向的振動(dòng)速度。數(shù)據(jù)采集前,同型號(hào)傳感器應(yīng)進(jìn)行試采樣及對(duì)比分析。采樣期間,要求除規(guī)定的振源及振源組合外,施工等其余可控振源應(yīng)暫時(shí)停止,20 m范圍內(nèi)無關(guān)人員不得靠近。

本次測(cè)試使用經(jīng)過標(biāo)定且在有效期內(nèi)的高精度環(huán)境振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,測(cè)量范圍為0.4～100 Hz,測(cè)量相對(duì)不確定度為U=3%(k=2)。單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量是在先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)中心位置布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)A,如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Layout of measuring points

在實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)施工等外部可控干擾振源暫時(shí)停止工況下對(duì)先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)用地的穩(wěn)態(tài)測(cè)量,采樣時(shí)間為24 h。外界環(huán)境激勵(lì)條件瞬態(tài)測(cè)量選擇對(duì)先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)地塊西側(cè)主干道和北側(cè)支干道2條道路,在各類車輛行駛環(huán)境條件下進(jìn)行激勵(lì)測(cè)試。在道路上鋪設(shè)多排木棍以模擬車輛在道路上行駛顛簸場(chǎng)景,場(chǎng)地內(nèi)東西和南北方向按照不等間距,沿道路邊沿退讓3.125，6.25，12.5，25，50，100，200 m,分別布置B～H和I～O等14個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)試院內(nèi)道路交通激勵(lì)帶來的振動(dòng)干擾影響,如圖3所示。 測(cè)量共設(shè)置7種模擬工況,見表1所示。每種工況采樣次數(shù)不少于5次。

表1 周邊道路車輛行駛激勵(lì)模擬工況Tab.1 Road traffic excitation simulation conditions

為保證振動(dòng)測(cè)量的可靠性,在布置測(cè)點(diǎn)時(shí),首先在測(cè)點(diǎn)處挖1個(gè)0.8 m3大小的立方體測(cè)試坑,去除表面虛土并進(jìn)行基礎(chǔ)找平,然后在其上澆筑一個(gè)0.5 m3大小的立方體混凝土塊,將傳感器用螺栓固定在混凝土塊的頂部。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)處理與分析

按通用的1/3倍頻程分析法分析建筑場(chǎng)地微振動(dòng)[14],對(duì)各測(cè)點(diǎn)的時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行整體處理,計(jì)算出各中心頻率帶寬內(nèi)對(duì)應(yīng)的均方根值,從而得到1/3倍頻程譜值。

式中:vRMS為振動(dòng)速度均方根值;y(n)為第n個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)速度;N為計(jì)算頻率區(qū)間內(nèi)的總點(diǎn)數(shù)。

環(huán)境振動(dòng)測(cè)試時(shí),雖然可以暫時(shí)停止實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)施工等外部可控干擾振源,且20 m范圍內(nèi)無關(guān)人員沒有靠近,但實(shí)驗(yàn)基地外部振動(dòng)干擾源依然在正常運(yùn)轉(zhuǎn),因此,本次測(cè)試并非完全只有單一來源的外界環(huán)境激勵(lì)。

圖4為實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)部振動(dòng)干擾源可控時(shí), 測(cè)點(diǎn)A連續(xù)24 h穩(wěn)態(tài)工況下垂直方向振動(dòng)速度均方根最大值和最小值頻譜曲線。測(cè)試期間最主要的振動(dòng)干擾頻帶在12.5 Hz和16 Hz。在1～100 Hz頻段，24 h內(nèi)測(cè)點(diǎn)A垂直方向振動(dòng)速度均方根值均小于1.56 μm/s(VC-F),在12.5～20 Hz頻段振動(dòng)速度均方根最大值接近或大于0.78 μm/s(VC-G)。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)地塊振動(dòng)環(huán)境雖然已相對(duì)較好,但在12.5～20 Hz頻段，外部組合振動(dòng)源接近或超出實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)控制VC-G標(biāo)準(zhǔn)的要求,需要進(jìn)一步查明振動(dòng)干擾源,給出減振處理建議。

圖4 測(cè)點(diǎn)A在z向 1/3 倍頻程圖Fig.4 1/3 octave band diagram in z direction of point A

為進(jìn)一步查明實(shí)驗(yàn)基地外部振動(dòng)源振動(dòng)響應(yīng)特性,分析了測(cè)點(diǎn)A在測(cè)試周期24 h內(nèi)垂直方向最大振動(dòng)速度均方根值(vmax)和有10%測(cè)試周期超過振動(dòng)速度均方根值(v10)的情況,如圖5所示。其中10:00～21:00期間vmax和v10區(qū)別不大,顯著的未知振動(dòng)均發(fā)生于21:00～次日10:00之間。結(jié)果表明,10:00～21:00期間測(cè)點(diǎn)A振動(dòng)較穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)基地周邊的隨機(jī)振動(dòng)接近于穩(wěn)態(tài); 21:00～次日10:00期間較大隨機(jī)環(huán)境振動(dòng)發(fā)生在不到10%測(cè)試周期內(nèi),或每1 h小于6 min。鑒于距離實(shí)驗(yàn)基地較近的集裝箱臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭通常在夜間裝卸貨物,通過測(cè)試數(shù)據(jù)分析,可以判定該時(shí)段引起的隨機(jī)振動(dòng)來自于集裝箱碼頭裝卸貨物時(shí)所產(chǎn)生的外部環(huán)境激勵(lì)。

圖5 測(cè)點(diǎn)A在Z向vmax 和 v10 測(cè)試圖Fig.5 Test diagram of vmax and v10 in z direction of point A

6種瞬態(tài)測(cè)試工況中，工況1對(duì)先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)用地影響最大。圖6給出了工況1符合振動(dòng)控制VC-G、VC-F、VC-E標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)所需退讓道路的距離,最佳退讓距離需滿足所有振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的退讓距離上限。結(jié)果表明,該地塊在未采取針對(duì)性隔振措施的條件下,在8～25 Hz頻段范圍內(nèi),先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)環(huán)境振動(dòng)控制VC-G標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室最佳退讓距離為195 m,振動(dòng)控制VC-F標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室最佳退讓距離為182 m,振動(dòng)控制VC-E標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室最佳退讓距離為160 m。由于道路交通引起的天然場(chǎng)地振動(dòng),經(jīng)過場(chǎng)地土層過濾及結(jié)構(gòu)自身作用,振動(dòng)主要表現(xiàn)為低頻振動(dòng)[14]，因此,圖6未關(guān)注25 Hz以上的環(huán)境振動(dòng)情況。

圖6 工況 1 測(cè)點(diǎn)B～H在z向 1/3 倍頻程圖Fig.6 1/3 octave band diagram of point B～H in z direction under condition 1

5 結(jié) 論

采用環(huán)境激勵(lì)法,對(duì)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)素地進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)測(cè)試,利用1/3倍頻程法對(duì)時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)論如下。

1) 在僅有實(shí)驗(yàn)基地外部已知干擾源激勵(lì)下,該建設(shè)地塊素地環(huán)境振動(dòng)測(cè)試最主要的振動(dòng)干擾頻帶為最小值時(shí)的12.5 Hz和最大值時(shí)的16 Hz,在1～100 Hz頻段素地環(huán)境振動(dòng)指標(biāo)小于1.56 μm/s(VC-F),但在12.5～20 Hz頻段振動(dòng)速度均方根最大值接近或大于0.78 μm/s(VC-G)。因此,在12.5～20 Hz頻段,外部組合振動(dòng)源對(duì)要求振動(dòng)控制VC-G標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室仍具有一定影響,需要進(jìn)一步查明振動(dòng)干擾源,以采取有效處理措施。

2) 通過分析測(cè)點(diǎn)A測(cè)試數(shù)據(jù),10:00～21:00，vmax和v10區(qū)別不大,顯著的未知振動(dòng)均發(fā)生在21:00～次日10:00之間。說明 21:00～次日10:00之間引起的隨機(jī)振動(dòng)來自于集裝箱碼頭裝卸貨物時(shí)所產(chǎn)生的外部環(huán)境激勵(lì),移除集裝箱碼頭將有助于先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)驗(yàn)室達(dá)到振動(dòng)控制VC-G標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3) 針對(duì)周邊道路交通振動(dòng)激勵(lì)未采取隔振措施的條件下,在8～25 Hz頻段范圍內(nèi),環(huán)境振動(dòng)控制VC-G標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室最佳退讓距離為195 m,振動(dòng)控制VC-F標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室最佳退讓距離為182 m,振動(dòng)控制VC-F標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室最佳退讓距離為160 m。通過對(duì)6種工況下環(huán)境振動(dòng)的測(cè)試和量化分析,可準(zhǔn)確確定不同環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)下的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)最佳退讓距離。

4) 本次測(cè)試是在建設(shè)前的素地微振動(dòng)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)室及周邊配套設(shè)施建設(shè)完成并投入運(yùn)行后環(huán)境振動(dòng)將會(huì)有所增加,建議各類振動(dòng)源在設(shè)計(jì)安裝時(shí),應(yīng)充分考慮不利因素,可采取實(shí)測(cè)方式及時(shí)準(zhǔn)確獲取干擾量值,適時(shí)調(diào)整隔振、減振設(shè)計(jì)策略,以確保達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作平臺(tái)表面環(huán)境振動(dòng)控制要求。