道路交通荷载振动测试与分析

2024-01-08李彦

中国水运 2023年12期

李彦

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200082）

随着经济社会和科学技术的蓬勃发展，我国对用于基础科学研究的大科学装置需求越来越强烈。同步辐射光源具有宽波段、高准直、高偏振、高纯净度与高亮度、窄脉冲和可精确预知性等优点，在物理、化学、原子分子物理、材料科学、生命科学、环境科学、医学等学科有着十分广泛的应用。同步辐射光源装置对于地面变形和微振动的控制要求非常高，为保证实验过程中设备的稳定性，在建设过程中需要对该实验室进行防微振动控制设计，影响精密科学仪器稳定性最主要的因素是环境振动[1]。环境振动一般分为自然因素造成的振动和人为因素造成的振动。其中自然因素的振动包括风荷载引起的振动、潮汐变化引起的振动和一些在现场无法观测到，但对场地有实际影响的振动。人为因素造成的振动包括机器生产时造成的振动，飞机、地铁、车辆等运行时产生的造成的振动和在场地附近或内部人类的活动造成的振动，人为因素造成的振动频率范围非常广泛[2-3]。

某同步辐射光源实验室正处于选址建设阶段，考虑到该实验室所需的精密仪器和科学装置对地面微振动的控制要求极高，为完善实验室基础结构和主体结构的微振动控制设计，对拟建场地的振动衰减规律研究很有必要。

1 振动衰减测试

为研究拟建场地车辆引起的微振动衰减规律，在实验室拟建场地中部已有道路旁，沿垂直道路方向0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、60 m、80 m、100 m 处各布置了一个测点，总计8 个测点，测点布置图如下。规定垂直于道路的方向为X 向，平行于道路的方向为Y 向，竖直向为Z 向。

测试设备为东华测试技术股份有限公司生产的DH5922D 数据采集器，连接24 个磁电式振动传感器，测试传感器包含X、Y 和Z 三个方向，每个测点放置X、Y 和Z 向传感器各1 个，3 个传感器为1 组测量1 个测点，共8 组。布置测点前需在传感器放置的位置平整地面、布置测坑，先清理场地表面的杂草和浮土，挖开场地表面松软的杂填土，将测试锥插入硬质土层中。而后在测坑中放置传感器与测试锥上方，调整传感器位置至手指轻压不晃动，斜向轻推无滑移，以保证测试数据的准确。

图1 测点布置示意图

道路交通荷载的振源，由内部路上一辆由西向东行驶的重载渣土车提供。测试时，在车辆启动之前开始测试，车辆离开内部路直至对测点无影响时结束，记录车辆经过内部路测点位置完整的时程曲线。

2 测试数据分析

同步辐射光源实验设备和大科学装置的微振动控制标准要求严格，一般采用均方根值（RMS）为控制标准[3]。对于一般的周期函数X(fk)，其傅里叶积分可表示为：

式中：x(t)为时程曲线数据；N 为离散傅里叶变换分析点数；Δt 为采样间隔时长；fk为第k 阶频率；k 为频率阶数；T 为分析时长；f 为采样频率。在该段时程内振动的功率谱密度表示为：

则在频域内的均方根（RMS）表示为：

在时域内的均方根表示为：

式中：fmax为截止频率上限。

基于该实验室对场地微振动控制的要求，测试数据分析的频率范围为1～100Hz，测试原始数据的采样频率为256Hz，采样数据类型为速度。为分析道路交通荷载引起的衰减响应规律，渣土车以20km/h 的时速通过测点，一共10 次。截取车辆通过测点时前后20s 的数据进行分析，取10 次数据的平均值，以防因偶然误差导致数据不准确。

表1 各测点平均均方根值

均方根可以表示振动的能量强度，对测试数据在时域内求均方根可以反映每个测点处振动能量的大小[4]。将测试数据的各个测点求出均方根值，而后将同一处测点的10 次均方根取平均值，可以更准确的反映道路交通引起的振动能量衰减规律。

图2 各测点三向平均均方根值

由平均RMS 值分析可得，在道路交通荷载作用下X 向的振动能量最大，Z 向次之；距离道路10m 处，X向与Z 向的衰减速度大于Y 向，10m 之后Z 向振动的衰减速率稳定；距离道路10m 与20m 处，水平向振动无明显衰减；在100m 处竖直向的振动水平明显低于水平向的振动水平；X 方向和Z 向均方根与1m 处均方根比值为9.86%和8.02%，Y 向均方根比值与1m 处的比值为18.57%；衰减程度小于X 向和Z 向。且100m 处的振动水平远大于同步辐射光源实验室微振动控制标准，需要考虑在传播过程或者道路附近采取隔振措施。