道路交通荷載振動(dòng)測(cè)試與分析

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(huì)和科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)對(duì)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(duì)于地面變形和微振動(dòng)的控制要求非常高，為保證實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)備的穩(wěn)定性，在建設(shè)過程中需要對(duì)該實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行防微振動(dòng)控制設(shè)計(jì)，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(dòng)[1]。環(huán)境振動(dòng)一般分為自然因素造成的振動(dòng)和人為因素造成的振動(dòng)。其中自然因素的振動(dòng)包括風(fēng)荷載引起的振動(dòng)、潮汐變化引起的振動(dòng)和一些在現(xiàn)場(chǎng)無法觀測(cè)到，但對(duì)場(chǎng)地有實(shí)際影響的振動(dòng)。人為因素造成的振動(dòng)包括機(jī)器生產(chǎn)時(shí)造成的振動(dòng)，飛機(jī)、地鐵、車輛等運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的造成的振動(dòng)和在場(chǎng)地附近或內(nèi)部人類的活動(dòng)造成的振動(dòng)，人為因素造成的振動(dòng)頻率范圍非常廣泛[2-3]。

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

1 振動(dòng)衰減測(cè)試

為研究擬建場(chǎng)地車輛引起的微振動(dòng)衰減規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室擬建場(chǎng)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(gè)測(cè)點(diǎn)，總計(jì)8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置圖如下。規(guī)定垂直于道路的方向?yàn)閄 向，平行于道路的方向?yàn)閅 向，豎直向?yàn)閆 向。

測(cè)試設(shè)備為東華測(cè)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(gè)磁電式振動(dòng)傳感器，測(cè)試傳感器包含X、Y 和Z 三個(gè)方向，每個(gè)測(cè)點(diǎn)放置X、Y 和Z 向傳感器各1 個(gè)，3 個(gè)傳感器為1 組測(cè)量1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共8 組。布置測(cè)點(diǎn)前需在傳感器放置的位置平整地面、布置測(cè)坑，先清理場(chǎng)地表面的雜草和浮土，挖開場(chǎng)地表面松軟的雜填土，將測(cè)試錐插入硬質(zhì)土層中。而后在測(cè)坑中放置傳感器與測(cè)試錐上方，調(diào)整傳感器位置至手指輕壓不晃動(dòng)，斜向輕推無滑移，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

圖1 測(cè)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(cè)試時(shí)，在車輛啟動(dòng)之前開始測(cè)試，車輛離開內(nèi)部路直至對(duì)測(cè)點(diǎn)無影響時(shí)結(jié)束，記錄車輛經(jīng)過內(nèi)部路測(cè)點(diǎn)位置完整的時(shí)程曲線。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

同步輻射光源實(shí)驗(yàn)設(shè)備和大科學(xué)裝置的微振動(dòng)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(duì)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(shí)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(shí)長(zhǎng)；fk為第k 階頻率；k 為頻率階數(shù)；T 為分析時(shí)長(zhǎng)；f 為采樣頻率。在該段時(shí)程內(nèi)振動(dòng)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(shí)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(yàn)室對(duì)場(chǎng)地微振動(dòng)控制的要求，測(cè)試數(shù)據(jù)分析的頻率范圍為1～100Hz，測(cè)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(shí)速通過測(cè)點(diǎn)，一共10 次。截取車輛通過測(cè)點(diǎn)時(shí)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(cè)點(diǎn)平均均方根值

均方根可以表示振動(dòng)的能量強(qiáng)度，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)在時(shí)域內(nèi)求均方根可以反映每個(gè)測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)能量的大小[4]。將測(cè)試數(shù)據(jù)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)求出均方根值，而后將同一處測(cè)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(dòng)能量衰減規(guī)律。

圖2 各測(cè)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(dòng)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(dòng)的衰減速率穩(wěn)定；距離道路10m 與20m 處，水平向振動(dòng)無明顯衰減；在100m 處豎直向的振動(dòng)水平明顯低于水平向的振動(dòng)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(dòng)水平遠(yuǎn)大于同步輻射光源實(shí)驗(yàn)室微振動(dòng)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(dòng)衰減測(cè)試數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

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

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

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

（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(dòng)對(duì)擬建實(shí)驗(yàn)室的影響。