高速公路車輛產生的微振動測試與分析

武利軍

(山西省交通科學研究院，山西太原 030006)

0 引言

由于城市現代化的發展，引起的振動越發頻繁，交通荷載引起的振動通過路基向道路兩側傳播。當振動達到一定強度時，就會對附近精密儀器的正常使用帶來嚴重的影響。

一般由交通荷載引起的地面振動我們可視為微振動，它的振動頻率通常在1 kHz以下，并且存在的高頻分量在地層傳播過程中會快速衰減。汽車荷載對周圍環境影響是十分復雜的問題，涉及到振源、振動產生機理及傳播規律、振動對建筑結構設備等的影響。國外對其進行的研究較早，例如 G．Lombaert，G．Degrande［1］建立了地面交通引起的自由場地振動的數值分析模型;而在國內有關地面交通(汽車、列車等)對周圍環境影響的研究主要以現場監測為主，如:梁鐵成等［2］對公路車輛產生的振動衰減及其對精密儀器的影響進行了研究，通過對振動信號的分析得出振動信號的振幅隨距離呈近似負平方規律衰減;袁新敏，謝偉平等［3］對武漢楚雄大街過往車輛引起的振動進行現場監測，得到地面交通引起地面振動加速度的衰減規律。

本文將利用微振測試技術，對成雅高速一側的地表進行振動測試，以期了解高速公路上的交通荷載對周圍環境的影響(特別是精密儀器的影響)進行評定，為廠房及精密設備基礎臺座的隔振計算分析與設計提供依據，確保精密設備的正常工作。

1 微振測試

1．1 測試系統

根據測試要求，采用中科測控提供的三矢量傳感器采集振動速度信號，測振儀儲存信號數據，最后將數據導入筆記本電腦利用專業振動分析軟件對測得的數據進行分析。

振動速度測試系統如下:

振動信號→三矢量傳感器→測振儀→筆記本電腦。

1．2 測點布置及測試內容

在距成雅高速公路最近的西側生產廠房1激光刻線機基座位置與公路之間，沿垂直于高速公路方向布置一條測線，原方案中測線上布置4個測點，實際上布置了6個測點(包括兩個控制測點)，其中最遠的2個測點為激光刻線機基座位置(定為控制測控點)，最近的1個測點位于高速公路的路肩邊緣上，各測點與公路的垂直距離在1 m～500 m之間。距高速公路較近的5個測點間距一般在1 m～120 m之間，每個測點各進行20次測量。測點平面布置情況如圖1所示。

1．3 振動記錄儀的參數設置

需注意在進行微振測試時必須合理設置振動記錄儀的采樣頻率和量程。為保證記錄的波形不至失真，采樣頻率一般應高于被測信號頻率的10倍～20倍以上，即一個周期10個～20個以上的采樣點。但采樣頻率越高其記錄的時間也就越短，故選擇采樣頻率應注意兩者兼顧。

圖1 測點平面布置圖

通過分析交通方向上的預測試結果發現，距道路較近時(20 m)的行車振動主頻率基本小于70 Hz，尤其是遠離公路100 m時，主振頻率已小于10 Hz。因此，對于24 h連續測試的控制點位，儀器的采樣頻率設置為1 kHz;其他各測試點的儀器的采樣頻率設置為2 kHz。這樣，采樣頻率比被測信號頻率大30倍～100倍以上，不會出現波形失真的現象。

2 振動測試結果及分析

連接好振動測試設備之后，將測振儀的內觸發電平調好，使測振儀處于待觸發記錄狀態。當有足夠大的汽車振動觸發之后，振動儀記錄下采樣電平，待所有數據測試完畢之后將原始數據導入筆記本進行數據處理，包括對原始波形的零線修正，濾波平滑波形等。

2．1 測試結果及處理

在成雅高速公路旁共布置5個測點，其中2個測點位于路肩縱向側線處，另有3個測點位于垂直于高速公路的垂直側線上。5個測點各進行了20余次振動速度測試，共記錄90多幅三分量振動速度波形，本文僅給出有代表性的振動波形。圖2～圖6為在2010年3月6日上午11:30左右各測點在成雅高速公路記錄的典型振動速度波形。

行車概況:成都到雅安方向車流量40輛次/min，雅安到成都方向30輛次/min，其中主要以大型客車及小轎車為主。

圖2 路肩處1號測點振動速度波形圖

圖3 路肩處2號測點振動速度波形圖

圖4 垂線1號測點振動速度波形圖

衡量振動一般采用振動特性的位移、速度、加速度等參數，同時也可以用分貝來表述它的相對大小，分別得到相應的級值。本文采用速度振級，其振級由振動速度值換算得，換算關系為:

式中:VAL——振動速度振級，dB;

V——振動速度，μm/s;

V0——速度基準值，取5 ×10－2μm/s。

圖5 垂線2號測點振動速度波形圖

圖6 垂線3號測點振動速度波形圖

根據式(1)結合實測的數據，Z軸方向的速度振級計算結果見表1。

表1 距行車路面不同距離處的振動速度和速度振級

圖7為距行車路面(振源)不同距離處X，Y，Z三個坐標軸方向上的振動速度變化曲線。

據有關資料介紹，在1 Hz～10 Hz頻率范圍內，精密儀器對環境的振動要求為 0．5 μg ～100．0 μg 這一微振范圍內，根據式(2)計算可得振動速度范圍大致為1 μm～10 μm。將實測X，Y，Z三軸的各軸最大振動速度及主頻列于表2。

式中:V——振動速度，μm/s;

T——振動周期，s;

a——振動加速度，μm/s－2。

2．2 測試結果分析

根據實測數據可以看出高速公路交通引起的地面振動有如下規律:

1)在不同測試地點得到的振動速度波形不同，測試地點離振源越遠，波形持續時間越長。

2)汽車運行引起的地面振動速度距道路越近，振動速度越大，隨著距離的增加振動有較為明顯的衰減，超過一定的距離(本測試X方向約為70 m，Y方向約為80 m，Z方向約為40 m)后衰減趨于平緩。有個別地點出現反彈現象，通常與測試點的地面情況有關。

表2 各測點處三軸最大振動速度

圖7 各測點處的三軸振動速度—距離變化曲線

3)現場實測顯示，在各時間段所測的多組數據的大小和路面行駛的汽車荷載及車速有關，通過的荷載越大，速度越快引起的公路附近地面的速度振級越大。同時，車輛的荷載及速度越大，振動衰減越顯著。

4)對地表各測點最大速度變化曲線進行回歸分析，發現速度變化呈負的乘冪關系衰減。

5)根據對振動速度頻譜分析可知，汽車荷載振動在其影響范圍內Z方向的速度主頻處于7 Hz～20 Hz內，距離路面越遠振動速度主頻越小。而在120 m處振動速度主頻均小于5 Hz。根據表2可知，在垂向3號測點以外汽車荷載引起的振動速度均在1 μm～10 μm范圍內，故在120 m后汽車荷載對精密儀器的振動可以忽略不計。

6)實測數據表明，在不同測點處并不一定是Z方向的振動速度最大，在某些時刻的某些測點處X，Y方向的振動速度有可能是更大。所以在評定汽車荷載振動對精密儀器的影響時不應該只考慮Z方向的振動，而應該兼顧考慮X，Y方向的振動。

3 結語

本文對在高速公路正常運行的車輛引起的地面微振進行了現場實測與數據處理和分析。對高速公路規劃建設帶來的振動可能對環境的影響提供了一定的判斷依據，同時為振動要求極高的精密儀器廠房的選址提供了重要的參考距離，在廠房的建設中應該考慮這一影響距離。本文僅僅是對汽車振動對環境影響的初步探討，汽車振動帶來的噪聲、振動速度的衰減與車輛荷載大小及行駛速度的關系研究還不夠成熟。同時，由于本文測試并不是在平整地面上對汽車振動的測試，所以對地形的起伏變化可能引起的振動速度變化衰減，還有待于研究。除了對高速公路環境振動進行預測、評估外，對高速公路帶來的環境振動對精密儀器等的隔振措施也是研究的重點。可以從振源、振動傳播的路徑和受振結構物三方面入手，需找能有效避免振動給儀器帶來負面影響的措施。

［1] G．Lombaert，G．Degrande．The Validation of a Numerical Prediction Model for Free Field Traffic Induced Vibration by in Situ Experiments［A］．ISMA25，International Conference on Noise and Vibration Engineering［C］．Leuven，2000．

［2] 梁鐵成，李桐林，董瑞春．公路車輛產生振動波的衰減研究［J］．吉林大學學報，2003，3(3):95-97．

［3] 袁新敏，張玉華，左鵬飛，等．公路交通引起振動的現場監測與分析［J］．土工基礎，2007，21(2):73-75．

［4] 章東強，謝偉平，于艷麗．交通荷載引起的環境振動實測與分析［J］．武漢理工大學學報，2004(9):53-55．

［5] Takemiya，H．Prediction of train/traffic induced groud cibration and mitigation by WIB［A］．Environmental Vibration ISEV2005，2005:399-409．

［6] 于國友，李劍波．車輛振動對公路路基健康檢測面波法的影響分析［J］．公路工程，2010(1):97-99．