重載貨車行駛引起地面振動的實測研究

鞏虎濤 方慶峰 劉懷才 侯棟友

摘 要：本文以重載貨車行駛產生地面振動情況為研究對象，選取鄭州市鄭州大學西四環路段沿線進行實測地點，對重載貨車產生的振動特性進行研究和分析，總結重載貨車產生地面振動的特點及車輛行駛過程中的振動特性，希望本文的結果可為相關部門研究重載貨車產生振動的環境評價以及減振隔振提供依據指導。

關鍵詞：重載貨車;傅里葉變換;振動加速度級

中圖分類號：TU435 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0134-03

Abstract： In this paper， the ground vibration caused by heavy-haul trucks was taken as the research object. The vibration characteristics of Heavy-haul trucks were studied and analyzed along the West Fourth Ring Road Section of Zhengzhou University. The characteristics of ground vibration caused by heavy-haul trucks and the vibration characteristics of vehicles during driving were summarized. It is hoped that the results of this paper can provide a basis for the relevant departments to study the environmental evaluation of the vibration of heavy haul trucks and provide guidance for vibration reduction and isolation.

Keywords： heavy-duty truck;Fourier transform;vibration acceleration level

目前，由交通引起的振動越來越受到廣泛的關注，交通振動所引起的振動公害已被列為世界七大環境公害之一。作為交通運輸的一種，重載貨車在為人們帶來便利的同時，也會不可避免地對行駛道路周圍沿線居民和建筑物產生振動影響。近年來，較多學者從不同方面研究了交通振動及其影響。羅憶等人[1]基于朔-黃重載鐵路神山高架周邊地面與建筑物的振動速度和加速度的現場實測與分析，借鑒薩道夫斯基公式，研究橋墩周邊地面測點振動速度幅值的傳播與衰減規律，以及受軸重和車速的影響，地面和建筑物振動響應的振動規律。李正川等人[2]通過有限元建模，采用頻域加載分析方法，計算得到綜合交通樞紐站臺和站房的振動響應規律。李慶玲等[3]對山西省晉祠圣母殿內彩塑進行了脈動和汽車振動測試，提出了瞬時振動對晉祠泥質彩塑影響的判定等級和準則和持久振動對晉祠泥質彩塑損傷的判定準則。楊東等人[4]總結了國內相關標準，提出變電站振動的多指標控制及限值要求，并對同類型變壓器、地鐵線路及項目位置地表開展振動測試，了解變壓器及項目現場振動情況。同時，還建立了軌道-土層-建筑物-變壓器三維有限元分析模型進行預測分析。李宇東等人[5]通過現場測試獲得路面交通振動響應及結構動力放大系數，同時建立三維動力有限元模型，研究路面交通振動對古建筑的影響。張立彬等人[6]采用移動荷載列模擬列車對線路的動力作用，以現場實測數據確定鐵路線路至沿線建筑物的振動傳遞規律，以Duhamel時程積分及類比法計算列車通過時的振動狀態并評估其使用安全性。

1 現場概況

本文采用現場實測的方法對重載貨車引起的地面振動特性進行研究。測試地點為鄭州市鄭州大學西四環路段，該路段是重載貨車運輸的重要路段，為研究車輛振動特性提供了良好的條件。場地沿線正在新建高層建筑居民小區，選取測量該路段振動環境，可為周邊新建建筑物減振隔振提供依據，具有一定的現實意義。將測點沿道路進行平行布置，共選取4個測量點，測點布置如圖1所示。測點與測點之間相距50m，測點垂直道路7.5m。

現場測量采用的是地脈動儀TROMINO?，該儀器由意大利MOHO公司生產，可測量頻率為0.1～1 024Hz。在實際測試前，對儀器進行校核，確保采集振動數據的可靠性。本次數據采樣頻率為512Hz，采樣時長為8min。

2 地面振動特性分析

此次實測記錄的各測點的測試時間較長，測試車輛和車型較多。該測試場地主要以混凝土攪拌車為主，故以混凝土攪拌車為例，研究重載貨車的振動特性。由于測點1、測點2、測點3和測點4時程和頻譜幅值相差不大，為節約篇幅，僅分析測點1處的車輛振動。

2.1 車輛振動的時域和頻域分析

測點1的時程和頻譜圖如圖2所示。

從圖2（a）可知，豎向（Z向）振動加速度明顯大于水平向（X向和Y向），這與張琪昌等人[7]得出的結論水平向和豎向數值對比基本相符。各測點在水平向的加速度幅值差別較小，重載貨車產生地面振動的影響主要體現在豎向振動加速度上。

從圖2（b）可知，水平向（X向和Y向）振動有一個明顯的高頻和低頻區段，且振動加速度幅值隨頻率變化規律大致相同，高頻和低頻峰值大小較為接近;豎向（Z向）體現為低頻振動占優勢，振動峰值主要集中在低頻區域10～20Hz，高頻振動不明顯。可見，重載貨車產生的振動特性主要體現在水平向（X向和Y向）低頻和高頻區段振動，豎向（Z向）低頻振動。低頻集中區段為10～20Hz，高頻集中區段為60～70Hz。

2.2 振動加速度級分析

為了更好地分析反映各實測點的振動強度，將采集到的各實測點振動加速度換算成振動加速度級，振動加速度級計算公式[8]為：

[arms=a2t=0Ta2tdt/T] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中：[arms]為加速度的有效值（[m/s2]）;[T]為振動時長（s）;[a]為基準加速度取值為10-6m/s2。

由于車輛經過測點時的振動時長為1～3s，因此，為研究重載貨車進入測點和離開時的振動強度關系，截取重載貨車通過測點的振動波形時間，以0.2s為單位長度，將振動時間進行細分，并用振動加速度級表征車輛振動的強度。基于MATLAB編寫程序計算測點1處各向振動加速度級，并繪制如圖3所示的振動加速度級圖。

通過觀察測點1水平向和豎直向的振動加速度級隨車輛接近測點和遠離測點變化的折線圖可得：豎直振動加速度級主要分布在75～90dB的區段，水平向主要分布在65～80dB的區段，且豎直向的振動加速度級高于水平向;振動加速度級的大小與重載貨車距測點的距離有關，隨車輛接近測點，振動加速度級逐漸增加，當車輛到達測點時，達到最大，隨后遠離測點，振動強度降低。

3 結論

本文通過對鄭州市鄭州大學西四環道路沿線重載貨車行駛對地面振動的特性進行研究，同時結合振動加速度級，可以得到以下結論。

①通過對重載貨車道路沿線的區段進行實測可得出，重載貨車產生地面振動的影響主要體現在豎直向加速度上，并且豎向明顯大于水平向，主要集中在低頻區域10～20Hz。

②水平方向的振動幅值規律大致相同，且水平向上有明顯的高頻區段和低頻區段。低頻振動區域在10～20Hz，高頻振動在60～70Hz。

③對比背景振動，車輛經過時，地面出現較大的振動響應，因此重載貨車引起的環境振動需要受到重視。測點處數據分析而得的振動加速度級大小與重載貨車至測點的距離有關：隨車輛接近測點，振動加速度級逐漸增加;當車輛到達測點時，達到最大;隨后遠離測點，振動強度降低。

參考文獻：

[1]羅憶，胡晶晶，楊宜謙，等.重載列車通過高架橋誘發地面振動傳播與衰減規律的現場測試研究[J].巖石力學與工程學報，2018（S1）：3523-3532.

[2]李正川，冉汶民，易兵，等.列車運行下綜合交通樞紐站房結構振動分析[J].鐵道標準設計，2018（8）：127-131.

[3]李慶玲，于振龍.公路汽車振動對晉祠圣母殿宋代彩塑影響研究[J].文物保護與考古科學，2012（1）：49-55.

[4]楊東，林浩，李玉路，等.附建式變電站受地鐵運行振動影響的研究[J].現代城市軌道交通，2017（6）：30-35.

[5]李宇東，馬蒙，錢春宇，等.地鐵列車及路面交通引起古建筑微振動預測研究[J].都市快軌交通，2014（3）：47-52.

[6]張立彬，張楠，王小寧.重載列車導致的環境振動及控制對策[J].科技資訊，2012（15）：62-63.

[7]張琪昌，代英達，于躍斌，等.基于振動傳遞特性分析的快捷重載貨車空載運行時的振動控制[J].天津大學學報，2018（9）：903-911.

[8]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑工程容許振動標準：GB50868—2013[S].北京：中國計劃出版社，2013.