区域环境振动对某拟建精密实验室选址的影响分析

2022-04-21杜林林兰日清祖晓臣伍文科

噪声与振动控制 2022年2期

杜林林，兰日清，祖晓臣，伍文科

（1.北京起重运输机械设计研究院有限公司，北京100007；2.清华大学土木工程系，北京100084；3.国机集团科学技术研究院有限公司国机集团工程振动控制技术研究中心，北京100080）

随着我国城市化建设的快速发展，市内道路、城市轨道交通、客运铁路等在提高资源配置效率的同时，也对周边环境产生了一定影响，提高了沿线环境振动水平[1]。囿于土地资源的有限性，部分城市所规划建设高科技园区、科学城、精密实验室愈发逼近交通干线。精密实验室对环境振动要求极高[2]，振动超标将严重影响仪器设备的正常工作。为避免精密实验室因振动超标无法正常投入使用从而造成二次投资，需对拟建场地的区域环境振动开展研究。

我国于1955年开始关注实验室精密仪器的环境振动控制，京张铁路运行振动对清华大学实验室精密仪器的正常使用产生影响，最终采用了调整铁路线路的方式进行振动控制[3]。进入21 世纪以来，伴随着城市轨道交通建设的快速发展，部分学者就交通振动对精密仪器的影响开展了研究工作。孙晓静等[4]探讨地铁振动对精密仪器和设备的影响，提出了综合治理原则及减振措施。栗润德等[5]通过测试地铁和车辆引起的地面垂向振动加速度，研究了地铁振动对精密仪器的影响。于梅[6]通过分析精密仪器环境振动测量和评价方法存在的问题，阐述了深入开展环境振动对精密仪器影响规律和测量方法研究工作的重要性。马蒙等[7]采用现场实测与数值模拟相结合的预测方法，基于周期性有限元-边界元耦合方法和实测振动响应传递比，开展了地铁列车振动对精密仪器影响的预测研究。张鹏飞等[8-9]通过建立轨道-桥梁及桥墩-基础-土体计算模型，分析了铁路环境振动对沿线厂房内精密仪器的影响。陈建琪等[10-11]在拟安装精密镗床设备的车间场地开展地脉动测试与高铁激励下的振动测试，研究了场地的动力性能与高铁冲击荷载激励下的振动响应特性，从整体上评价了环境振动对精密仪器、设备的影响，基于隔振理论提出了针对精密镗床设备基础的隔振方案。高广运等[12-13]通过现场实测和数值模拟方法，对苏州某高科技电子工业厂区微振动水平进行分析，对该厂房防微振设计提出了建设性意见；其通过分析自由场地及厂房主体结构的微振动响应特性，研究了某电子工业厂房主体结构完工后的微振动特性。刘辉[14]基于实测数据分析，评价了不同交通工况下环境振动对浦东新区计量质量检测所实验室的振动响应。

以上研究对精密仪器环境振动控制及评估起到了指导作用，但其多集中于既有工程的环境振动影响评估及控制方面，缺乏对区域环境振动水平的整体性分析和评估。交通环境振动对沿线的影响主要取决于交通运输形式和场地特点。振动强度在远离线路中心时有一定波动，但整体呈下降趋势。为了分析评估区域环境振动强度，本文以某拟建精密实验室为例，通过测试综合分析城市区域环境振动特点，分类分区给出振动分布水平，为精确指导工程实践提供有力支撑。

1 区域环境振动测试

某精密实验室选址区域位于工业生产片区，周围分布有高速铁路、市内道路、生产加工车间和工程施工场地。考虑到实验室规划及周边生产建设情况，远期主要考虑高速铁路、市内道路对实验室内精密仪器的影响，即主要研究交通环境振动对实验室选址的影响。

1.1 主要振源及场地条件分析

结合选址区域现状和区域远期发展规划可知，高速铁路和市内道路是影响拟建精密实验室振动环境的主要振源。区域周边高速铁路运行列车主要包括和谐号系列动车组、复兴号系列动车组，车辆运行时速为300 km/h，轨道采用板式道床无砟轨道结构。区域周边道路为市政次干路，采用双向4 车道沥青混凝土道路，路面有部分裂缝和坑槽，设计行车速度为40 km/h，通行车辆主要为小汽车，车流较为频繁但不拥堵。

选址区域沿线范围地形较平坦，局部有一定起伏，场地主要为现状市政道路、乡道、工业区。场地呈现冲洪积平原地貌，由素填土、粉质黏土、砂质黏土、风化花岗岩组成。

为评估区域环境振动情况，本文针对交通振动开展测试分析工作。

1.2 测线选取及测点布置

结合选址区域内高速铁路和城市道路的分布情况，为了充分掌握区域内的环境振动水平，结合场地的实际条件，综合选取7 条测线共计37 个测点开展测试分析。其中，在高速铁路沿线布设4条测线，为L-1～L-4，在城市道路沿线布设3 条测线，为l-1～l-3，如图1 所示。其中，L-1 测线布设于休闲步道，L-2、L-3测线布设于城市道路上，L-4测线布设于荒地处，L-1～L-3位于铁路桥梁段，L-4位于铁路路基段。l-1测线布设于区域绿地上，l-2、l-3测线布设于厂区内部道路上（测试时厂区未进行生产作业）。受区域环境条件限制，根据各测线所处条件，在不同间隔距离处布设测点，各测线布置、各测点位置以及各测点距线路中心距离如图1所示。

图1 拟建区域振动测试测点布置情况

1.3 测试仪器

本次测试选用的Kinemetrics 公司ETNA2 加速度传感器主要性能参数如表1所示，测试仪器如图2所示，分析软件为DASP-V11工程版。

图2 ETNA2三向加速度传感器

表1 ETNA2加速度传感器参数

1.4 数据分析和评估

目前，国际上对于精密仪器环境振动的评价通常采用通用振动标准（generic Vibration Criterion,VC），即VC 曲线标准。该标准是由Eric Ungar、Colin Gordon[15-16]于20 世纪80年代为了解决精密制造业面临的振动问题而创立的一套“通用”振动标准。该标准为振动敏感型生产设施和仪器设备的设计提供了支撑，后被ISO 标准以及IEST（Institute for Environmental Sciences and Technology，美国环境科学与技术协会，2007）发布的“洁净室设计注意事项”推荐实施规程采纳。VC曲线标准在1/3倍频程内采用速度有效值作为评价指标，分为VC-A～VC-G 7个级别，考虑了不同频率振动等级对不同精密设备的影响，具体要求如表2所示。