道路交通荷載振動測試與分析

李彥

（上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200082）

隨著經濟社會和科學技術的蓬勃發展，我國對用于基礎科學研究的大科學裝置需求越來越強烈。同步輻射光源具有寬波段、高準直、高偏振、高純凈度與高亮度、窄脈沖和可精確預知性等優點，在物理、化學、原子分子物理、材料科學、生命科學、環境科學、醫學等學科有著十分廣泛的應用。同步輻射光源裝置對于地面變形和微振動的控制要求非常高，為保證實驗過程中設備的穩定性，在建設過程中需要對該實驗室進行防微振動控制設計，影響精密科學儀器穩定性最主要的因素是環境振動[1]。環境振動一般分為自然因素造成的振動和人為因素造成的振動。其中自然因素的振動包括風荷載引起的振動、潮汐變化引起的振動和一些在現場無法觀測到，但對場地有實際影響的振動。人為因素造成的振動包括機器生產時造成的振動，飛機、地鐵、車輛等運行時產生的造成的振動和在場地附近或內部人類的活動造成的振動，人為因素造成的振動頻率范圍非常廣泛[2-3]。

某同步輻射光源實驗室正處于選址建設階段，考慮到該實驗室所需的精密儀器和科學裝置對地面微振動的控制要求極高，為完善實驗室基礎結構和主體結構的微振動控制設計，對擬建場地的振動衰減規律研究很有必要。

1 振動衰減測試

為研究擬建場地車輛引起的微振動衰減規律，在實驗室擬建場地中部已有道路旁，沿垂直道路方向0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、60 m、80 m、100 m 處各布置了一個測點，總計8 個測點，測點布置圖如下。規定垂直于道路的方向為X 向，平行于道路的方向為Y 向，豎直向為Z 向。

測試設備為東華測試技術股份有限公司生產的DH5922D 數據采集器，連接24 個磁電式振動傳感器，測試傳感器包含X、Y 和Z 三個方向，每個測點放置X、Y 和Z 向傳感器各1 個，3 個傳感器為1 組測量1 個測點，共8 組。布置測點前需在傳感器放置的位置平整地面、布置測坑，先清理場地表面的雜草和浮土，挖開場地表面松軟的雜填土，將測試錐插入硬質土層中。而后在測坑中放置傳感器與測試錐上方，調整傳感器位置至手指輕壓不晃動，斜向輕推無滑移，以保證測試數據的準確。

圖1 測點布置示意圖

道路交通荷載的振源，由內部路上一輛由西向東行駛的重載渣土車提供。測試時，在車輛啟動之前開始測試，車輛離開內部路直至對測點無影響時結束，記錄車輛經過內部路測點位置完整的時程曲線。

2 測試數據分析

同步輻射光源實驗設備和大科學裝置的微振動控制標準要求嚴格，一般采用均方根值（RMS）為控制標準[3]。對于一般的周期函數X(fk)，其傅里葉積分可表示為：

式中：x(t)為時程曲線數據；N 為離散傅里葉變換分析點數；Δt 為采樣間隔時長；fk為第k 階頻率；k 為頻率階數；T 為分析時長；f 為采樣頻率。在該段時程內振動的功率譜密度表示為：

則在頻域內的均方根（RMS）表示為：

在時域內的均方根表示為：

式中：fmax為截止頻率上限。

基于該實驗室對場地微振動控制的要求，測試數據分析的頻率范圍為1～100Hz，測試原始數據的采樣頻率為256Hz，采樣數據類型為速度。為分析道路交通荷載引起的衰減響應規律，渣土車以20km/h 的時速通過測點，一共10 次。截取車輛通過測點時前后20s 的數據進行分析，取10 次數據的平均值，以防因偶然誤差導致數據不準確。

表1 各測點平均均方根值

均方根可以表示振動的能量強度，對測試數據在時域內求均方根可以反映每個測點處振動能量的大小[4]。將測試數據的各個測點求出均方根值，而后將同一處測點的10 次均方根取平均值，可以更準確的反映道路交通引起的振動能量衰減規律。

圖2 各測點三向平均均方根值

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 向振動的衰減速率穩定；距離道路10m 與20m 處，水平向振動無明顯衰減；在100m 處豎直向的振動水平明顯低于水平向的振動水平；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 處的振動水平遠大于同步輻射光源實驗室微振動控制標準，需要考慮在傳播過程或者道路附近采取隔振措施。

3 結論

由道路交通振動衰減測試數據分析，得到以下結論：

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

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

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

（4）以100m 處均方根與1m 處均方根相比，發現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，需關注Y 向振動對擬建實驗室的影響。