重載汽車行駛引起環(huán)境振動的實測研究

王立安，趙建昌，李奎奎

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070)

交通基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)使得越來越多的民房和古建筑處于道路沿線，由此造成的環(huán)境振動問題日益受到關(guān)注.軌道列車由于載荷大、速度快，引起的振動能量大、傳播距離遠(yuǎn)，造成的環(huán)境振動影響更大.因此，近些年關(guān)于軌道列車引起的環(huán)境振動研究較多[1-5]，而關(guān)于汽車引起的振動研究很少.對于抗震等級較低的民房和古建筑而言，其結(jié)構(gòu)強度低、振動敏感度高，在重載汽車的反復(fù)振動影響下，其結(jié)構(gòu)振動損傷同樣不容忽視[6-7].由于地基土體是一種復(fù)雜介質(zhì)，涉及到很多物理和力學(xué)參數(shù)[8]，加之汽車又是多自由度復(fù)雜系統(tǒng)，所以，分析汽車行駛引起的地表振動是一個極其復(fù)雜的問題.該問題的研究，目前主要采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，文獻[9-10]通過數(shù)值模擬對重型卡車行駛引起的地表振動做了仿真研究.嚴(yán)戰(zhàn)友等[11]構(gòu)建整車-橡膠輪胎-瀝青路面三維有限元模型分析了路面各結(jié)構(gòu)層動力響應(yīng)，并通過實際測量對模型做了驗證.文獻[12-13]利用力學(xué)建模和解析求解分析了車-路-基系統(tǒng)的耦合振動響應(yīng).孫璐等[14]采用路面功率譜密度反映路面不平整度，研究了車輛-路面相互作用的動力荷載.

針對汽車行駛引起周邊環(huán)境振動問題，本文利用動態(tài)信號采集系統(tǒng)現(xiàn)場實測重載汽車行駛產(chǎn)生的地表振動信號.通過分析振動加速度峰值隨振源距離的變化曲線，得到振動能量沿地表的傳播和衰減規(guī)律.經(jīng)過頻譜分析，獲得重載汽車引起地表振動的頻率分布規(guī)律，最后討論汽車行駛速度對地表振動的影響規(guī)律.

1 振動測試

1.1 測試方案

選擇道路兩側(cè)的空曠地面作為測試場地，利用三軸載重汽車以不同車速沿道路勻速行駛誘發(fā)地表振動，然后使用動態(tài)信號采集儀采集周圍地表的振動加速度時程信號.動態(tài)信號采集儀采用東華測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH5922動態(tài)測試儀和D610拾振器，測試儀器和測試流程示意圖如圖1所示.

測試場地上部土體主要由第四系全新統(tǒng)(Q4)沖洪積黃土狀粉土組成，該層厚度較大，層厚為4～6 m.場地下部為第三系泥巖，無地下水.場地土體的基本參數(shù)如表1所列，重載汽車的技術(shù)參數(shù)如表2所列.

表1 場地土體參數(shù)Tab.1 Geological parameters of the site

表2 汽車參數(shù)Tab.2 Basic parameters of vehicle

1.2 測點布置

沿道路垂直方向等間距布置5個測點(D1～D5)，測點間距為10 m.在每個測點處布置3個方向的拾振器，分別采集x、y、z方向的振動加速度，其中x方向與道路垂直，y方向平行于道路，z為豎直方向，測點布置如圖2所示.

1.3 信號采集

采集的行車速度為30 km/h時，測點D1、D3、D5的三方向振動加速度時程信號如圖3～5所示.對比圖中振動波形發(fā)現(xiàn)，x、z方向的振動非常明顯，而y方向的振動很微弱，其中z方向的振動峰值最大.隨著測試距離的增大，振動峰值顯著減小.

測點D2在不同車速時，z方向振動加速度時程信號的結(jié)果對比如圖6所示，圖中可以看出，隨著車速的增大，振動加速度峰值也隨之增大.

2 結(jié)果分析

2.1 振動衰減分析

通過統(tǒng)計各測點的振動加速度峰值，可分析出振動能量隨振源距離的衰減情況.不同車速時三個方向振動加速度峰值沿距離的衰減曲線如圖7所示，觀察圖中曲線可知，振動能量在近場的衰減速度較快(約20 m范圍內(nèi))，距離振源較遠(yuǎn)時，振動衰減速度減緩.根據(jù)規(guī)范[15]的規(guī)定，對于本文測試中載重35 t的三軸卡車，其振動影響范圍約為45 m.

2.2 頻譜分析

對采集的振動加速度時程信號做傅里葉變換，即可得到頻域信號.測點D1、D3、D5的三個方向頻譜曲線如圖8所示，分析圖中曲線可知，重載汽車行駛引起的地表振動頻率主要分布在10～20 Hz，隨著振源距離增大，頻率分布將逐漸變窄，振動峰值頻率主要集中在15 Hz附近.

不同車速時z方向的頻譜曲線對比如圖9所示，圖中發(fā)現(xiàn)，汽車行駛速度對地表振動峰值產(chǎn)生較大程度的影響，而對地表振動的頻率分布幾乎沒有影響.

3 結(jié)論

針對重載汽車行駛引起的環(huán)境振動問題進行現(xiàn)場實測研究，通過重載汽車現(xiàn)場跑車激振并利用動態(tài)信號采集系統(tǒng)對地表振動加速度時程信號進行采集.對振動峰值沿距離的衰減曲線和頻譜曲線進行對比分析后總結(jié)出以下結(jié)論：

1) 重載汽車行駛引起的地表豎向振動較大，而水平振動較小.

2) 地表振動在近場范圍內(nèi)迅速衰減，隨著距離增大，衰減速度趨于減緩.

3) 汽車行駛誘發(fā)的地表振動頻率主要分布在10～20 Hz，隨著振源距離的增大，頻率分布區(qū)域逐漸變窄，峰值頻率始終保持在15 Hz附近.

4) 汽車行駛速度對地表振動幅值影響較大，而對地表振動頻率幾乎沒影響，車速越快地表振動幅值越大.