公路交通荷載作用下場地微振動響應分析

孫浩誠，邢云林，郝 勇，董 捷，王經磊

（1.河北建筑工程學院土木工程學院，河北張家口 075000；2.中國電子工程設計院有限公司北京市微振動環(huán)境控制工程技術研究中心，北京 100084；3.河北省高校綠色建材與建筑改造應用技術研發(fā)中心，河北張家口 075000）

隨著高科技產業(yè)的興起，電子產業(yè)生產加工過程趨于精細化、微小化，對電子廠房的要求也遠高于傳統(tǒng)工業(yè)廠房。電子產業(yè)興起的同時，微振動對電子產品生產過程中的影響也日益增長。電子廠房周邊的人為振動活動會對電子產品的生產造成影響，其中交通荷載造成的影響是不可忽視的。因此，準確測試和評估交通荷載對電子廠房的振動影響對電子廠房的設計和使用起著至關重要的作用。

國內場地微振動研究主要集中在地鐵、高鐵行駛對周邊環(huán)境的影響，對公路交通荷載振動響應的研究還不全面。

2013年，秦林等[1]實測了大中型公交車引起的地面振動，分析了公交車引發(fā)的振動隨距離變化的衰減規(guī)律。2013年，葉茂等[2]對某地區(qū)交通荷載引起的周圍建筑振動進行實測并分析，總結了交通荷載引起的振動在建筑結構中的傳播規(guī)律。同年樓夢麟等[3]對某隧道及附近地表進行了振動實測，發(fā)現(xiàn)地面交通振動響應豎直向最大，隧道交通振動響應豎直向最小；高頻部分衰減速度遠大于低頻部分。2016年，戴劍敏[4]通過試驗研究了不同路面材料、車輛荷載和減速帶材料對地面振動衰減程度的影響。2017年，宗剛等[5]對某毗鄰城市主干道空曠場地進行振動測試，同時測量地鐵和車輛引起的地面振動響應，研究發(fā)現(xiàn)在中遠場距離地鐵和車輛引起的地面振動衰減規(guī)律相近，近場距離引起的地面振動衰減規(guī)律相反，不可相互預測。2019年，陳璠[6]通過對某場地振動實測，分析了該場地不同車重和車速引發(fā)的振動響應及衰減規(guī)律。2019年鄒錦華等[7]對廣州兩條道路進行實測，發(fā)現(xiàn)道路振動響應與汽車軸重、行駛速度、道路剛度密切相關。2020年，徐仁華等[8]對武漢某高速公路長江大橋進行了實測，分析了不同車型、軸重和軸距特征參數(shù)的振動響應規(guī)律。

本文結合上海某工業(yè)園區(qū)滿載卡車以不同行駛狀態(tài)通過時引起的場地振動響應測試結果，分析了卡車以不同編隊方式、行駛速度、行駛方式通過時引起的場地振動響應，為該電子廠房設計及微振動控制提供依據，且對類似高科技電子廠房微振動測試及微振動控制具有一定借鑒意義。

1 試驗簡介

試驗場地東側為上海某一工業(yè)開發(fā)區(qū)。為測試過車引起的場地振動響應，用兩輛50 t 滿載卡車在鴻音路自北向南行駛模擬交通荷載。

根據《電子工業(yè)防微振工程技術規(guī)范》（GB51076—2015）[9]規(guī)定，在鴻音路西側垂直公路中心線處布置六個測點，測點連線垂直于公路，分別距道路中心線30 m、60 m、90 m、150 m、180 m、210 m，具體場地測點布置情況如圖1所示。

圖1 振動測試現(xiàn)場測點布置圖

現(xiàn)場測試采用941B 型高靈敏度磁電式傳感器和ⅠNV3062T0 型數(shù)據采集儀組成微振動測試系統(tǒng)。每個測點布置一套振動采集系統(tǒng)。

同時測試六個測點、三個方向共計18組速度時域響應數(shù)據，以Z、X、Y分別表示同一測點垂直地面方向、水平垂直于路方向、水平平行于路方向。將六個測試系統(tǒng)利用GPS 同步校準，以保證測試數(shù)據同時性。試驗包括不同行駛車速（三種）、行駛方式（兩種）、編隊方式（三種）共18種過車工況，每個工況進行了三次試驗，共進行了54 次試驗，具體試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

根據園區(qū)提供的場地地勘報告，測試場地主要土層分布為，地表為1.51 m厚素填土，向下依次為厚度1.80 m 浜填土、1.39 m 灰黃色黏質粉土、12.09 m灰色黏質粉土。

2 數(shù)據分析方法

2.1 時域統(tǒng)計分析

本文對振動測試數(shù)據的速度峰值和有效值進行時域統(tǒng)計分析。離散時間列的速度有效值（Root Mean Square，RMS）計算方法如公式（1）所示：

式中：K+1為計算區(qū)間的總樣本數(shù)（本次測試計算區(qū)間為40 s），yi表示樣本幅值。

2.2 1/3倍頻程分析

1/3 倍頻程分析法[10-11]是國際上用于分析電子行業(yè)微振動的標準方法。其具體計算過程如式（2）、式（3）、式（4）、式（5）所示：

（1）將采集儀中的時域數(shù)據進行快速傅里葉變換轉換至頻域，并計算功率譜密度函數(shù)：

式中：Y（f）為時域數(shù)據經過快速傅里葉變換后的振幅；T為時域內選取的時間。

（2）將頻率劃分為若干頻帶，每個寬頻帶的上下限頻率分別為fu和fl，中心頻率：

（3）在每一寬頻段中計算累計的中心頻率功率譜密度函數(shù)積分值Ey（fc）：

（4）計算中心頻率fc的RMS值：

這樣就可以得到經過處理后的速度1/3 倍頻程曲線。

3 不同方向振動響應衰減分析

為分析交通荷載作用下場地的振動響應及衰減規(guī)律，卡車以60 km/h速度通過時各測點振動響應衰減曲線如圖2 所示。交通荷載影響下，測點豎直向振動響應大于水平向，豎直向振動衰減速度較快，水平向振動衰減速度較慢。

圖2 時域振動響應衰減曲線（車輛行駛速度60 km/h）

交通荷載引起的場地振動響應隨距離增加整體呈衰減趨勢。距振源30 m處，豎直向振動速度有效值是水平向的2.5～3 倍，說明過車引起的場地振動以豎直向為主。隨距離增加，三個方向速度有效值逐漸變小，垂直道路中心線90 m前振動響應衰減較快，90 m后衰減較慢。這是因為近場振動以體波為主，體波衰減速度快。遠場振動以面波為主，面波衰減速度慢。

該場地過車工況引起的水平順路向場地振動響應略大于水平垂路向。車輛在行駛過程中，由于路面的不平整性，車輪實際上是在路面上以一定頻率和幅度跳動行駛。豎直向振動主要由車體顛簸產生的激勵引起，水平向振動主要由輪胎與路面摩擦、上下坡、加減速產生的水平力引起。

卡車以60 km/h 速度通過時測點的豎直向頻譜響應衰減情況如圖3 所示，振動響應隨距離增加呈衰減趨勢，振動頻率范圍在0～60 Hz，主要成分集中在2 Hz～4 Hz 和10 Hz～15 Hz，說明該場地車輛行駛引起的振動以低頻為主。振動衰減過程中，高頻振動衰減速度快，低頻振動衰減速度慢[12]。這是因為高頻振動在傳播過程中振動頻率快，受土體阻尼作用大，衰減速度更快。低頻振動衰減速度較高頻振動慢，所以傳播距離比高頻振動遠。

圖3 頻域幅值衰減瀑布圖

4 車輛編隊方式對場地振動響應衰減影響分析

4.1 時域分析

本節(jié)分析車輛編隊方式引起的場地振動響應，考慮的編隊方式有單車行駛、兩車并行行駛、兩車串聯(lián)行駛。卡車改變編隊方式以40 km/h 速度通過時各測點振動速度有效值衰減曲線如圖4 所示，各測點速度峰值衰減曲線如圖5所示。后續(xù)分析若無說明，均為垂直地面方向振動響應。

圖4 改變編隊方式測點振動速度有效值衰減曲線

圖5 改變編隊方式測點振動速度峰值衰減曲線

改變卡車編隊方式對場地的影響十分明顯。30 m 處，串行、并行行駛引起的地面振動響應是單車行駛的1.25～1.5倍，這是相同振源疊加的結果。

卡車串行行駛引起的場地振動響應大于并行行駛。后續(xù)試驗發(fā)現(xiàn)改變行駛速度、行駛方式，過車引起的場地振動響應不同但衰減曲線與圖5相似。

4.2 1/3倍頻程分析

卡車改變編隊方式以40 km/h 速度通過時測點3（距道路中心90 m）1/3 倍頻程諾謨圖如圖6 所示，并將《電子工業(yè)防微振工程技術規(guī)范》（GB 51076-2015）[9]中精密設備及儀器容許振動值繪制其中進行對比分析。

圖6 改變編隊方式1/3倍頻程頻譜對比圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，1/3 倍頻程振動速度曲線在2.5 Hz處達到峰值。該過車工況引起的各個頻段的振動響應幅值為串行＞并行＞單車。

1/3 倍頻程譜含有兩個峰值，第一個峰值是2.5 Hz，第二個峰值是12.5 Hz。編隊方式改變，第一個峰值對應頻率基本不發(fā)生變化，通過查找該場地地勘報告，該場地卓越頻率為2.5 Hz，車輛行駛與該場地發(fā)生共振。第二個峰值對應頻率隨編隊方式改變無明顯變化，說明該峰值的出現(xiàn)與編隊方式無關。

5 車輛行駛方式對場地振動響應衰減影響分析

5.1 時域分析

本節(jié)分析勻速通過和剎車制動等行駛方式對場地振動的影響，卡車改變行駛方式以20 km/h速度通過時各測點振動速度有效值衰減情況如圖7 所示，各測點振動速度峰值衰減情況如圖8所示。

圖7 改變行駛方式測點振動速度有效值對比

圖8 改變行駛方式測點振動速度峰值對比

改變編隊方式會引起振動響應的改變。卡車勻速行駛引起的地面振動速度有效值、峰值是制動行駛1.1～1.25倍，因為振動的傳遞過程本質上是能量傳遞的過程，剎車制動是輪胎與地面摩擦，速度減小的過程，部分能量會轉化為內能被消耗掉。所以勻速行駛引起的地面振動響應大于制動行駛。

卡車勻速行駛的時域波形圖如圖9 所示，卡車制動行駛的時域波形圖如圖10所示，兩者整體均呈紡錘形，無明顯差異。

圖9 勻速行駛時域波形圖

圖10 制動行駛時域波形圖

隨卡車經過，測點處振動響應逐漸增大；當卡車經過測點時，振動響應達到峰值；隨卡車駛離，測點處振動響應逐漸減小；當卡車駛離振動影響范圍，測點處振動響應回歸平常。

5.2 1/3倍頻程分析

為分析不同行駛方式下卡車引起的場地振動響應，卡車改變行駛方式以40 km/h速度通過時測點3（距道路中心90 m）1/3 倍頻程諾謨圖如圖11 所示。為分析振動速度峰值，將平均方式參數(shù)由“線性平均”調整為“峰值保持”。

圖11 改變行駛方式1/3倍頻程頻譜對比圖

從圖11看出，90 m處勻速行駛的幅值大于制動行駛，印證了時域結論勻速行駛引起的場地振動速度峰值大于制動行駛。1/3倍頻程譜含有兩個峰值，第一個峰值是2.5 Hz，第二個峰值是12.5 Hz。改變行駛方式，第二個峰值對應頻率未發(fā)生改變說明該峰值的出現(xiàn)與行駛方式無關。

6 行駛速度對場地振動響應衰減影響分析

6.1 時域分析

本節(jié)分析行駛速度對場地振動的影響,考慮的行駛速度為20 km/h、40 km/h、60 km/h，為方便觀察測點的振動衰減規(guī)律，對測點數(shù)據進行歸一化處理，更有利于綜合對比評價。歸一化處理計算方法如公式（6）所示：

式中：vi—第i個測點的振動速度峰值（有效值）；

v1—第1個測點的振動速度峰值（有效值）。

卡車改變行駛速度通過時各測點振動速度有效值衰減曲線如圖12所示，有效值歸一化處理后衰減曲線如圖13所示。

圖12 改變行駛速度測點振動速度有效值

圖13 改變行駛速度測點振動速度歸一化有效值

測點速度峰值衰減曲線如圖14所示，峰值歸一化處理后衰減曲線如圖15所示。

圖14 改變行駛速度測點振動速度峰值

圖15 改變行駛速度測點振動速度歸一化峰值

改變卡車行駛速度會引起場地振動響應變化。卡車行駛速度越大，引起的場地振動響應越大。原因是卡車行駛速度越大振源能量越高，其他條件相同情況下響應必然越大。

從圖中看出不同車速振動響應衰減速度不同。車速越快，衰減速度越快，經頻譜分析發(fā)現(xiàn)卡車行駛速度越快，高頻信號（40 Hz 以上）成分越多，能量損耗速度越快，振動衰減更快。

6.2 1/3倍頻程分析

為分析不同行駛速度下卡車引起的場地振動響應，卡車改變行駛速度勻速行駛通過時測點3（距道路中心90 m）1/3倍頻程諾謨圖如圖16所示。

圖16 改變行駛速度1/3倍頻程頻譜對比圖

圖中可以看出，卡車行駛速度增大振動幅值隨之增大，印證時域結論卡車行駛速度越大，引起的場地振動響應越大。

為分析常時微動對場地振動的影響，在遠離振動干擾處設置一套振動測試系統(tǒng)采集場地常時微動信號。常時微動時域波形圖如圖17所示，與行駛狀態(tài)下的時域波形圖不同，常時微動信號整體波形較為平穩(wěn)。

圖17 常時微動時域波形圖

常時微動工況下均僅含有2 Hz～4 Hz 一個頻段，而20 km/h、40 km/h、60 km/h卡車經過工況下則有兩個峰值頻段。改變行駛速度，第二個峰值對應頻率隨速度變化呈正相關，該頻段應是車輛輪胎與大地摩擦引起的振動。

7 結語

本文結合上海某工業(yè)園區(qū)滿載卡車以不同行駛狀態(tài)通過時引起的場地振動響應測試結果，分析了卡車以不同行駛狀態(tài)通過時引起的場地振動響應，得出如下結論：

（1）該場地道路交通荷載引起的土體振動以豎直向為主，垂直道路中心線30 m后振動響應衰減幅度逐漸減小。

（2）改變卡車編隊方式引起的場地振動響應自大到小依次為串行、并行、單車行駛。

（3）卡車行駛速度越快，引起的場地振動響應越大，衰減越快。

（4）改變卡車行駛方式，勻速行駛引起的場地振動響應大于制動行駛。

（5）測點振動響應1/3倍頻程譜含有兩個峰值，一個峰值為2.5 Hz，另一個峰值為7 Hz～15 Hz。第一個峰值是由車輛行駛場地共振引起，第二個峰值是由車輛輪胎與大地摩擦引起。

（6）精密儀器電子廠房附近公路有汽車通過時，建議單車-勻速行駛。