高速公路車輛產(chǎn)生的微振動測試與分析

武利軍

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

0 引言

由于城市現(xiàn)代化的發(fā)展，引起的振動越發(fā)頻繁，交通荷載引起的振動通過路基向道路兩側(cè)傳播。當(dāng)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(huán)境影響是十分復(fù)雜的問題，涉及到振源、振動產(chǎn)生機理及傳播規(guī)律、振動對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)值分析模型;而在國內(nèi)有關(guān)地面交通(汽車、列車等)對周圍環(huán)境影響的研究主要以現(xiàn)場監(jiān)測為主，如:梁鐵成等［2］對公路車輛產(chǎn)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(guī)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(xiàn)場監(jiān)測，得到地面交通引起地面振動加速度的衰減規(guī)律。

本文將利用微振測試技術(shù)，對成雅高速一側(cè)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(huán)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(shè)備基礎(chǔ)臺座的隔振計算分析與設(shè)計提供依據(jù)，確保精密設(shè)備的正常工作。

1 微振測試

1．1 測試系統(tǒng)

根據(jù)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(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入筆記本電腦利用專業(yè)振動分析軟件對測得的數(shù)據(jù)進行分析。

振動速度測試系統(tǒng)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(nèi)容

在距成雅高速公路最近的西側(cè)生產(chǎn)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(shù)設(shè)置

需注意在進行微振測試時必須合理設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yù)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(xù)測試的控制點位，儀器的采樣頻率設(shè)置為1 kHz;其他各測試點的儀器的采樣頻率設(shè)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(xiàn)波形失真的現(xiàn)象。

2 振動測試結(jié)果及分析

連接好振動測試設(shè)備之后，將測振儀的內(nèi)觸發(fā)電平調(diào)好，使測振儀處于待觸發(fā)記錄狀態(tài)。當(dāng)有足夠大的汽車振動觸發(fā)之后，振動儀記錄下采樣電平，待所有數(shù)據(jù)測試完畢之后將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入筆記本進行數(shù)據(jù)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(jié)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(cè)線處，另有3個測點位于垂直于高速公路的垂直側(cè)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(shù)，同時也可以用分貝來表述它的相對大小，分別得到相應(yīng)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(guān)系為:

式中:VAL——振動速度振級，dB;

V——振動速度，μm/s;

V0——速度基準(zhǔn)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(jù)式(1)結(jié)合實測的數(shù)據(jù)，Z軸方向的速度振級計算結(jié)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(biāo)軸方向上的振動速度變化曲線。

據(jù)有關(guān)資料介紹，在1 Hz～10 Hz頻率范圍內(nèi)，精密儀器對環(huán)境的振動要求為 0．5 μg ～100．0 μg 這一微振范圍內(nèi)，根據(jù)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(jié)果分析

根據(jù)實測數(shù)據(jù)可以看出高速公路交通引起的地面振動有如下規(guī)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(xù)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(xiàn)反彈現(xiàn)象，通常與測試點的地面情況有關(guān)。

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(xiàn)場實測顯示，在各時間段所測的多組數(shù)據(jù)的大小和路面行駛的汽車荷載及車速有關(guān)，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(fā)現(xiàn)速度變化呈負的乘冪關(guān)系衰減。

5)根據(jù)對振動速度頻譜分析可知，汽車荷載振動在其影響范圍內(nèi)Z方向的速度主頻處于7 Hz～20 Hz內(nèi)，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(jù)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(nèi)，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(shù)據(jù)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(yīng)該只考慮Z方向的振動，而應(yīng)該兼顧考慮X，Y方向的振動。

3 結(jié)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(xiàn)場實測與數(shù)據(jù)處理和分析。對高速公路規(guī)劃建設(shè)帶來的振動可能對環(huán)境的影響提供了一定的判斷依據(jù)，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(shè)中應(yīng)該考慮這一影響距離。本文僅僅是對汽車振動對環(huán)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(guān)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(huán)境振動進行預(yù)測、評估外，對高速公路帶來的環(huán)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生振動波的衰減研究［J］．吉林大學(xué)學(xué)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(xiàn)場監(jiān)測與分析［J］．土工基礎(chǔ)，2007，21(2):73-75．

［4] 章東強，謝偉平，于艷麗．交通荷載引起的環(huán)境振動實測與分析［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)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．