北京高能同步辐射光源实验大厅在扫频激励下微振动水平的测试与分析

任锦龙 荣慕宁 邢云林 郑 明 聂 鑫 樊健生 刘宇飞

北京高能同步辐射光源实验大厅在扫频激励下微振动水平的测试与分析

任锦龙1荣慕宁1邢云林2郑 明3聂 鑫3樊健生3刘宇飞3

(1. 北京建工集团有限责任公司，北京 100055；2. 中国电子工程设计院有限公司，北京 100142； 3. 清华大学土木工程系，北京 100084)

微振动控制是精密大科学装置在建设过程中的重点关注对象之一，北京高能同步辐射光源（HEPS）项目采用浇筑1 m厚钢筋混凝土结构底板加3 m厚的素混凝土垫层的方式来实现项目要求的微振动控制目标。报道了主体结构完工后，在北京高能同步辐射光源建设施工现场开展的1～100 Hz激振器扫频激励试验。通过对试验中实测得到的振动信号在时域和频域内进行分析，评估北京高能同步辐射光源主体结构完成后实验大厅底板的微振动水平和微振动控制能力。试验结果表明：在1～100 Hz的振动激励下，实验大厅底板表现出良好的振动控制能力。

精密大科学装置；微振动控制；激振器扫频激励试验；时域信号；频域信号

0 引 言

同步辐射光源（同步辐射装置）是一种利用X射线源探索微观科学世界的精密大科学装置，其在物理学、化学、材料科学、生命科学等领域的研究中发挥着不可替代的作用[1-3]，到目前为止，世界范围内在运行中的同步辐射光源已超过60座[4]。随着射线源亮度不断提高，同步辐射光源已发展到第四代：高能同步辐射光源。为缩小我国与国际先进光源的差距，并为关键领域的研究提供支撑，北京高能同步辐射光源（简称北京光源）成为我国“十三五”规划优先布局的大科学工程项目之一，其在建成后将成为世界上具有最高光谱亮度的第四代同步辐射光源。然而，此类精密大科学装置对振动十分敏感，相关设备在运行中往往会因微小的振动而产生极大的误差[5-6]，因此，微振动控制是此类装置在建设过程中的重要目标。

通常情况下，此类精密大科学装置在运行中所受到的微振动的来源十分复杂，这些来源中既包括各种自然因素，如地震、刮风、下雨、海浪冲刷海岸以及气压变化引起的微振动，又包括人类活动，如空调系统的运行、路面及轨道交通、机械运转、人员走动等引起的微振动，前者主要分布在1 Hz以下且往往与当地的场地条件相关，后者则主要分布在1 Hz以上[7-8]。为探明地面微振动的特性，Toksoz和Lacoss[9]等指出，地面微振动实际上是由体波（P波和S波）以及面波（Rayleigh波和Love波）共同作用下导致的；Miller及Pursey等学者[10-11]的研究表明，当地面振源距离测点距离一定时，Rayleigh波的能量往往占到振动能量的2/3以上，且Rayleigh波在传递过程中，其幅值衰减与传播距离的1/2次方成正比，而体波幅值的衰减则与传播距离的平方成正比，这表明Rayleigh波是微振动控制中需要重点关注的部分。

根据是否需要外界输入能量进行分类，常用的振动控制手段可分为主动控制与被动控制两种。而考虑到此类设施的建设规模大，为保证振动控制的效果及建设和运维的经济性，往往采用被动控制的方法来控制实验室地面的微振动水平。目前国内外针对振动控制相关的研究大多集中在采用隔振沟阻断外界振源的影响，其隔振的效果主要与隔振沟深度、隔振沟内的填充物以及振源频率特性有关[12-17]。考虑到建设及运营的成本和复杂性，国内外已建成的同步辐射装置中往往采用加厚实验室底板并对底板下层土体进行特殊处理的手段实现微振动控制的目标：如美国的NSLS-Ⅱ光源在基础下方换填了工程砂土层[18]，西班牙的ALBA光源采用了1.8 m厚的混凝土底板与下卧砾石层共同防微振[19]，巴西的Sirius光源采用在基础下方形成2 m厚的水泥土层来控制实验室地面的微振动水平[20]。与上述项目不同的是，北京光源则采用浇筑1 m 厚钢筋混凝土加3 m厚的素混凝土垫层这一方案来控制实验大厅底板的微振动。

由于北京光源建设场地范围较大，微振动的振源成分复杂，现有通用有限元软件难以精确模拟评估实验室底板的微振动水平。在这种情况下，针对实际情况进行现场测试则能够为评估实验大厅底板的微振动控制能力提供更为精确可靠的结果。因此，笔者在北京光源主体结构完工后的建设现场完成了1～100 Hz激振器扫频激励试验（点振源）。通过激振器扫频激励，评估北京光源实验室大厅底板表面的微振动信号以及实验大厅底板对1～100 Hz频带内微振动信号的控制作用。试验结果可为类似精密大科学装置建设中微振动水平的控制和评估提供参考。

1 工程概况

1.1 建设信息

北京光源（图1）位于怀柔区，西邻雁栖湖生态发展示范区和中科院大学；北侧为京密引水渠，东侧为牤牛河，南侧为永乐大街，西侧为京加路。总建筑面积约12.5万m2，由装置区、综合动力中心、综合实验楼及用户服务楼等几部分组成。其中，装置区（图2）外围直径510 m，建筑高度13.1 m，建筑面积约为11.58万m2，主要包括实验大厅和储存环隧道两部分。其中，实验大厅和储存环隧道下方的底板包含了1 m厚C30钢筋混凝土层以及3 m厚C15素混凝土层。该项目工程于2019年6月29日正式开工建设，计划于2025年底竣工验收。

图1 北京光源平面示意

1.2 微振动控制效果评估方法

目前，评估微振动水平的方法有：进行1/3倍频程分析后，与评价环境振动的标准曲线（VC曲线）对比；计算数据的峰–峰值或均方根有效值RMS（root mean square）；根据设备自身的需求进行评估等[5-6]，但这些评估方法并不能直观反映相关振动控制措施的振动控制效果。

为评估本项目中大体积混凝土底板对1～100 Hz频段振动的控制效果，采用激振器进行现场激励，将实测到的振动信号进行傅里叶变换后，取对应频率下的频谱幅值作为对应频率下不同测点的响应信号。并在此基础上，将与激振器距离相同的测点在同一频率所对应的频谱幅值相对比，即可得到大体积混凝土底板对不同频段振动的控制效果。

图2 北京光源装置区平面及剖面示意

2 微振动现场试验

2.1 振源激励方式

为研究光源实验大厅底板振动信号分布特点和底板微振动控制能力，同时考虑到此类设施需要控制的振动信号分布频带为1～100 Hz[21]，采用能够在1～100 Hz范围内进行激振的激振器进行1～100 Hz的扫频激励。

激振器扫频激励的激振系统（图3）主要包括激振器、激振器配套的功率放大器和风冷机。激振系统的工作原理为：由一信号源（试验中选用HP33120a型信号源）产生特定频率的初始正弦电流信号，由功率放大器放大后传递给激振器，由激振器产生对应频率的正弦激励力。激振过程中，风冷机为激振器降温防止激振器过热烧毁。其中，激振器可产生频率在1～3 500 Hz、幅值分布在1～70 kN之间的激振力。

图3 激振器扫频激励激振系统

试验中振器扫频激励的方法如下：将激励频带设置为1～100 Hz，从1 Hz开始，对1～100 Hz的各个频率分别进行40 s激振，当激励信号的频率增加到100 Hz后，结束上述扫频激励。此外，为了避免周边施工活动产生的干扰，试验在17:00即工人停止施工后开始。

2.2 量测设备

量测设备（图4）包括振动传感器及信号采集仪两部分。其中振动传感器采用941b型拾振器，信号采集仪采用东方所INV3062T（4采样通道）及INV3062C型传感器（8采样通道），信号采集软件采用与信号采集仪配套的DASP V11软件。量测设备的相关参数如表1所示。

表1 量测设备参数

图4 量测设备

2.3 测点布置及采样参数设置

试验中，假设激振器作为一个产生竖向振动的点振源，并假设试验区域为一理想弹性半无限空间，则激振器产生的机械波可视为一球面波。考虑到球面波对称性，即其波面上的振动能量只与球心的距离有关，则距离激振器直线距离相等的测点应位于同一等相面，其振动信号应具有相同的振幅。

在此基础上，将A1～A6共6个测点如图5进行布置：测点A3与A4、A2与A5、A1与A6为分别位于以激振器为中心的同心圆上的三组测点，同心圆的半径依次为13 m、53.5 m、61.5 m；此外，A1、A2、A3与激振器位于一条直线，而另外三点与激振器位于另一条直线上。此时，当无实验大厅底板存在时，可以认为测点A3与A4位于同一等相面，测点A2与A5位于同一等相面，测点A1与A6位于同一等相面。

需指出，A1、A2号测点位于实验大厅底板，用于衡量在激振器扫频激励下实验大厅底板的微振动信号特征；A3～A6号测点则位于土体表面，用于评估扫频激励信号在土体中的振动情况，并作为参照测点评估实验大厅防微振基础的减振效果。测试过程中，各个测点均采集、方向的速度信号，各测点速度方向规定如图5所示，取向为垂直地面方向，方向为激振器与测点连线方向。

图5 激振器扫频激励中的测点布置 m

3 试验结果与分析

整个激励过程共持续4 000 s，采样率设置为512 Hz。为验证前述理想半无限空间的假定，首先将测点1～6在各方向上的频谱曲线汇总于图6中。图6所示频谱曲线中，A3与A4测点速度频谱曲线幅值基本相同，但由于A1、A2两点位于实验大厅底板，受到底板微振动控制作用的影响，A1、A2点的振动信号频谱幅值低于A6、A5点的振动信号频谱幅值。此外，振动信号在传递过程中，近似按负指数规律进行衰减[22]，其在A5、A2处的衰减达到极限，因此A5与A6、A2与A1点的振动信号频谱幅值基本接近。

图6 各测点频谱曲线

将扫频激励过程中测得各测点各方向的速度时程曲线汇总如图7所示，并将测点各方向的速度时程曲线的峰值及峰值之比汇总于表2（表中比值均为两方向均值），各测点振动信号方向的规定如前文所述。结合图8和表2可以看出：

1）激振器在产生竖向振动激励的同时，在土体中引起了由体波和面波所复合而成的波场。其中水平方向的振动信号来自于体波中的P波和SH波以及面波中的R波和L波，竖直方向的振动信号来自于体波中的SV波和面波中的R波和L波。因此，从A3、A4测点的速度时程曲线可以看出，激振器除了在产生竖向振动信号的同时，还在水平向产生了较为明显的振动信号。

2）将与激振器距离相等的两测点的速度时域信号对比，可以看出，虽然A1和A6、A2和A5与振源距离相同，但测试过程中A1、A2在、向上的速度时域信号峰值小于A5、A6在、向上的速度时域信号峰值，这表明A1、A2测点处实验大厅底板在、方向上对微振动都有一定的控制作用。此外，测点A1与A2在向及A5与A6点在向的振动信号之比小于向的振动信号之比，表明底板在向发挥了良好的振动控制作用。

为进一步研究和分析底板对振动信号的影响，将激励过程中测点A1、A2、A5、A6各方向振动信号的频谱曲线总于图8。可以看出：

1）向土体振动信号的幅值主要分布在10～50 Hz频段内，向土体振动信号的幅值主要分布在10～35 Hz的频段内，底板在这一频段内振动信号的幅值明显降低，表现出良好的振动控制效果。

2）总体来看，振动信号频谱幅值曲线的幅值之比在A2点的向为 1/1.1～1/98.2，其中，在A1点的向为1/1.2～1/31.3，振动信号频谱幅值曲线的幅值之比在A2点的向为 1/1.4～1/44.7，在A1点的向为1/1.5～1/32.4，底板在各个频段均发挥了较好的振动控制作用。

表2 时域信号峰值对比

图8 A1、A2、A5、A6各测点频谱曲线对比

4 结 论

通过在现场进行1～100 Hz的激振器扫频激励试验，采集了土体和实验大厅底板测点处向和向的振动信号。试验过程中，在边界条件一致的情况下，在距离点振源距离相同的位置处，其向的振动水平相同向的振动水平也相同，表明场地满足理想半无限空间的假定。进一步结合时程分析、频谱分析，可得到如下结论：

1）实验大厅混凝土底板在、两个方向上均能发挥减小微振动幅值的作用，且振动信号幅值的减小程度在10%～90%。

2）激振器在、向均产生了较强的振动，但混凝土底板表面测得向和向的振动水平基本接近，表明混凝土底板在垂直地面方向具有较好的振动控制能力。

3）研究成果可为类似设施的建设及后续的运营提供参考。

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Micro Vibration Test and Analysis in Experiment Hall of Beijing High Energy Photon Source Facility Induced by Artificial Frequency Sweep Excitation

REN Jinlong1RONG Muning1XING Yunlin2ZHENG Ming3NIE Xin3FAN Jiansheng3LIU Yufei3

(1. Beijing Construction Engineering Group Co., Ltd., Beijing 100055, China; 2. China Electronics Engineering Design Institute, Beijing 100142, China; 3. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Micro vibration control is one of the most important goals in the construction of ultraprecise and large-scale scientific facilities. In order to meet the requirements for micro vibration control in High Energy Photo Source (HEPS), Beijing, a 1-meter-thick reinforced concrete slab with a 3-meter-thick concrete layer has been cast. The paper presented a field test of an artificial frequency sweep test from 1 to 100 Hz after the completion of the main structure in HEPS. Based on the analysis of the obtained vibration signals in the time domain and frequency domain, an evaluation of the micro vibration level and the micro vibration control capacity of the slab was conducted. The results indicated that under the vibrator’s excitation from 1 to 100 Hz, the mass concrete slab of experimental hall performed well in micro vibration control.

ultraprecise and large-scale scientific facilities; micro vibration controlling; vibrator frequency sweep excitation test; signal in time domain; signal in frequency domain

任锦龙, 荣慕宁, 邢云林, 等. 北京高能同步辐射光源实验大厅在扫频激励下微振动水平的测试与分析[J]. 工业建筑, 2024, 54(1): 61-67. REN J L, RONG M N, XING Y L, et al. Micro Vibration Test and Analysis in Experiment Hall of Beijing High Energy Photon Source Facility Induced by Artificial Frequency Sweep Excitation[J]. Industrial Construction, 2024, 54(1): 61-67 (in Chinese).

10.3724/j.gyjzG23022008

*国家自然科学基金创新研究群体项目（52121005）。

任锦龙，教授级高级工程师，主要从事混凝土结构施工建造等技术研究。

樊健生，主要从事钢-混凝土组合结构等研究，fanjsh@mail.tsinghua.edu.cn。

2023-02-20