公路交通荷载作用下场地微振动响应分析
时间：2023-05-29 16:15:21 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孙浩诚，邢云林，郝 勇，董 捷，王经磊
（1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000；
2.中国电子工程设计院有限公司北京市微振动环境控制工程技术研究中心，北京 100084；
3.河北省高校绿色建材与建筑改造应用技术研发中心，河北张家口 075000）
随着高科技产业的兴起，电子产业生产加工过程趋于精细化、微小化，对电子厂房的要求也远高于传统工业厂房。电子产业兴起的同时，微振动对电子产品生产过程中的影响也日益增长。电子厂房周边的人为振动活动会对电子产品的生产造成影响，其中交通荷载造成的影响是不可忽视的。因此，准确测试和评估交通荷载对电子厂房的振动影响对电子厂房的设计和使用起着至关重要的作用。
国内场地微振动研究主要集中在地铁、高铁行驶对周边环境的影响，对公路交通荷载振动响应的研究还不全面。
2013年，秦林等[1]实测了大中型公交车引起的地面振动，分析了公交车引发的振动随距离变化的衰减规律。2013年，叶茂等[2]对某地区交通荷载引起的周围建筑振动进行实测并分析，总结了交通荷载引起的振动在建筑结构中的传播规律。同年楼梦麟等[3]对某隧道及附近地表进行了振动实测，发现地面交通振动响应竖直向最大，隧道交通振动响应竖直向最小；
高频部分衰减速度远大于低频部分。2016年，戴剑敏[4]通过试验研究了不同路面材料、车辆荷载和减速带材料对地面振动衰减程度的影响。2017年，宗刚等[5]对某毗邻城市主干道空旷场地进行振动测试，同时测量地铁和车辆引起的地面振动响应，研究发现在中远场距离地铁和车辆引起的地面振动衰减规律相近，近场距离引起的地面振动衰减规律相反，不可相互预测。2019年，陈璠[6]通过对某场地振动实测，分析了该场地不同车重和车速引发的振动响应及衰减规律。2019年邹锦华等[7]对广州两条道路进行实测，发现道路振动响应与汽车轴重、行驶速度、道路刚度密切相关。2020年，徐仁华等[8]对武汉某高速公路长江大桥进行了实测，分析了不同车型、轴重和轴距特征参数的振动响应规律。
本文结合上海某工业园区满载卡车以不同行驶状态通过时引起的场地振动响应测试结果，分析了卡车以不同编队方式、行驶速度、行驶方式通过时引起的场地振动响应，为该电子厂房设计及微振动控制提供依据，且对类似高科技电子厂房微振动测试及微振动控制具有一定借鉴意义。
试验场地东侧为上海某一工业开发区。为测试过车引起的场地振动响应，用两辆50 t 满载卡车在鸿音路自北向南行驶模拟交通荷载。
根据《电子工业防微振工程技术规范》（GB51076—2015）[9]规定，在鸿音路西侧垂直公路中心线处布置六个测点，测点连线垂直于公路，分别距道路中心线30 m、60 m、90 m、150 m、180 m、210 m，具体场地测点布置情况如图1所示。
图1 振动测试现场测点布置图
现场测试采用941B 型高灵敏度磁电式传感器和ⅠNV3062T0 型数据采集仪组成微振动测试系统。每个测点布置一套振动采集系统。
同时测试六个测点、三个方向共计18组速度时域响应数据，以Z、X、Y分别表示同一测点垂直地面方向、水平垂直于路方向、水平平行于路方向。将六个测试系统利用GPS 同步校准，以保证测试数据同时性。试验包括不同行驶车速（三种）、行驶方式（两种）、编队方式（三种）共18种过车工况，每个工况进行了三次试验，共进行了54 次试验，具体试验工况如表1所示。
表1 试验工况
根据园区提供的场地地勘报告，测试场地主要土层分布为，地表为1.51 m厚素填土，向下依次为厚度1.80 m 浜填土、1.39 m 灰黄色黏质粉土、12.09 m灰色黏质粉土。
2.1 时域统计分析
本文对振动测试数据的速度峰值和有效值进行时域统计分析。离散时间列的速度有效值（Root Mean Square，RMS）计算方法如公式（1）所示：
式中：K+1为计算区间的总样本数（本次测试计算区间为40 s），yi表示样本幅值。
2.2 1/3倍频程分析
1/3 倍频程分析法[10-11]是国际上用于分析电子行业微振动的标准方法。其具体计算过程如式（2）、式（3）、式（4）、式（5）所示：
（1）将采集仪中的时域数据进行快速傅里叶变换转换至频域，并计算功率谱密度函数：
式中：Y（f）为时域数据经过快速傅里叶变换后的振幅；
T为时域内选取的时间。
（2）将频率划分为若干频带，每个宽频带的上下限频率分别为fu和fl，中心频率：
（3）在每一宽频段中计算累计的中心频率功率谱密度函数积分值Ey（fc）：
（4）计算中心频率fc的RMS值：
这样就可以得到经过处理后的速度1/3 倍频程曲线。
为分析交通荷载作用下场地的振动响应及衰减规律，卡车以60 km/h速度通过时各测点振动响应衰减曲线如图2 所示。交通荷载影响下，测点竖直向振动响应大于水平向，竖直向振动衰减速度较快，水平向振动衰减速度较慢。
图2 时域振动响应衰减曲线（车辆行驶速度60 km/h）
交通荷载引起的场地振动响应随距离增加整体呈衰减趋势。距振源30 m处，竖直向振动速度有效值是水平向的2.5～3 倍，说明过车引起的场地振动以竖直向为主。随距离增加，三个方向速度有效值逐渐变小，垂直道路中心线90 m前振动响应衰减较快，90 m后衰减较慢。这是因为近场振动以体波为主，体波衰减速度快。远场振动以面波为主，面波衰减速度慢。
该场地过车工况引起的水平顺路向场地振动响应略大于水平垂路向。车辆在行驶过程中，由于路面的不平整性，车轮实际上是在路面上以一定频率和幅度跳动行驶。竖直向振动主要由车体颠簸产生的激励引起，水平向振动主要由轮胎与路面摩擦、上下坡、加减速产生的水平力引起。
卡车以60 km/h 速度通过时测点的竖直向频谱响应衰减情况如图3 所示，振动响应随距离增加呈衰减趋势，振动频率范围在0～60 Hz，主要成分集中在2 Hz～4 Hz 和10 Hz～15 Hz，说明该场地车辆行驶引起的振动以低频为主。振动衰减过程中，高频振动衰减速度快，低频振动衰减速度慢[12]。这是因为高频振动在传播过程中振动频率快，受土体阻尼作用大，衰减速度更快。低频振动衰减速度较高频振动慢，所以传播距离比高频振动远。
图3 频域幅值衰减瀑布图
4.1 时域分析
本节分析车辆编队方式引起的场地振动响应，考虑的编队方式有单车行驶、两车并行行驶、两车串联行驶。卡车改变编队方式以40 km/h 速度通过时各测点振动速度有效值衰减曲线如图4 所示，各测点速度峰值衰减曲线如图5所示。后续分析若无说明，均为垂直地面方向振动响应。
图4 改变编队方式测点振动速度有效值衰减曲线
图5 改变编队方式测点振动速度峰值衰减曲线
改变卡车编队方式对场地的影响十分明显。30 m 处，串行、并行行驶引起的地面振动响应是单车行驶的1.25～1.5倍，这是相同振源叠加的结果。
卡车串行行驶引起的场地振动响应大于并行行驶。后续试验发现改变行驶速度、行驶方式，过车引起的场地振动响应不同但衰减曲线与图5相似。
4.2 1/3倍频程分析
卡车改变编队方式以40 km/h 速度通过时测点3（距道路中心90 m）1/3 倍频程诺谟图如图6 所示，并将《电子工业防微振工程技术规范》（GB 51076-2015）[9]中精密设备及仪器容许振动值绘制其中进行对比分析。
图6 改变编队方式1/3倍频程频谱对比图
从图中可以发现，1/3 倍频程振动速度曲线在2.5 Hz处达到峰值。该过车工况引起的各个频段的振动响应幅值为串行＞并行＞单车。
1/3 倍频程谱含有两个峰值，第一个峰值是2.5 Hz，第二个峰值是12.5 Hz。编队方式改变，第一个峰值对应频率基本不发生变化，通过查找该场地地勘报告，该场地卓越频率为2.5 Hz，车辆行驶与该场地发生共振。第二个峰值对应频率随编队方式改变无明显变化，说明该峰值的出现与编队方式无关。
5.1 时域分析
本节分析匀速通过和刹车制动等行驶方式对场地振动的影响，卡车改变行驶方式以20 km/h速度通过时各测点振动速度有效值衰减情况如图7 所示，各测点振动速度峰值衰减情况如图8所示。
图7 改变行驶方式测点振动速度有效值对比
图8 改变行驶方式测点振动速度峰值对比
改变编队方式会引起振动响应的改变。卡车匀速行驶引起的地面振动速度有效值、峰值是制动行驶1.1～1.25倍，因为振动的传递过程本质上是能量传递的过程，刹车制动是轮胎与地面摩擦，速度减小的过程，部分能量会转化为内能被消耗掉。所以匀速行驶引起的地面振动响应大于制动行驶。
卡车匀速行驶的时域波形图如图9 所示，卡车制动行驶的时域波形图如图10所示，两者整体均呈纺锤形，无明显差异。
图9 匀速行驶时域波形图
图10 制动行驶时域波形图
随卡车经过，测点处振动响应逐渐增大；
当卡车经过测点时，振动响应达到峰值；
随卡车驶离，测点处振动响应逐渐减小；
当卡车驶离振动影响范围，测点处振动响应回归平常。
5.2 1/3倍频程分析
为分析不同行驶方式下卡车引起的场地振动响应，卡车改变行驶方式以40 km/h速度通过时测点3（距道路中心90 m）1/3 倍频程诺谟图如图11 所示。为分析振动速度峰值，将平均方式参数由“线性平均”调整为“峰值保持”。
图11 改变行驶方式1/3倍频程频谱对比图
从图11看出，90 m处匀速行驶的幅值大于制动行驶，印证了时域结论匀速行驶引起的场地振动速度峰值大于制动行驶。1/3倍频程谱含有两个峰值，第一个峰值是2.5 Hz，第二个峰值是12.5 Hz。改变行驶方式，第二个峰值对应频率未发生改变说明该峰值的出现与行驶方式无关。
6.1 时域分析
本节分析行驶速度对场地振动的影响,考虑的行驶速度为20 km/h、40 km/h、60 km/h，为方便观察测点的振动衰减规律，对测点数据进行归一化处理，更有利于综合对比评价。归一化处理计算方法如公式（6）所示：
式中：vi—第i个测点的振动速度峰值（有效值）；
v1—第1个测点的振动速度峰值（有效值）。
卡车改变行驶速度通过时各测点振动速度有效值衰减曲线如图12所示，有效值归一化处理后衰减曲线如图13所示。
图12 改变行驶速度测点振动速度有效值
图13 改变行驶速度测点振动速度归一化有效值
测点速度峰值衰减曲线如图14所示，峰值归一化处理后衰减曲线如图15所示。
图14 改变行驶速度测点振动速度峰值
图15 改变行驶速度测点振动速度归一化峰值
改变卡车行驶速度会引起场地振动响应变化。卡车行驶速度越大，引起的场地振动响应越大。原因是卡车行驶速度越大振源能量越高，其他条件相同情况下响应必然越大。
从图中看出不同车速振动响应衰减速度不同。车速越快，衰减速度越快，经频谱分析发现卡车行驶速度越快，高频信号（40 Hz 以上）成分越多，能量损耗速度越快，振动衰减更快。
6.2 1/3倍频程分析
为分析不同行驶速度下卡车引起的场地振动响应，卡车改变行驶速度匀速行驶通过时测点3（距道路中心90 m）1/3倍频程诺谟图如图16所示。
图16 改变行驶速度1/3倍频程频谱对比图
图中可以看出，卡车行驶速度增大振动幅值随之增大，印证时域结论卡车行驶速度越大，引起的场地振动响应越大。
为分析常时微动对场地振动的影响，在远离振动干扰处设置一套振动测试系统采集场地常时微动信号。常时微动时域波形图如图17所示，与行驶状态下的时域波形图不同，常时微动信号整体波形较为平稳。
图17 常时微动时域波形图
常时微动工况下均仅含有2 Hz～4 Hz 一个频段，而20 km/h、40 km/h、60 km/h卡车经过工况下则有两个峰值频段。改变行驶速度，第二个峰值对应频率随速度变化呈正相关，该频段应是车辆轮胎与大地摩擦引起的振动。
本文结合上海某工业园区满载卡车以不同行驶状态通过时引起的场地振动响应测试结果，分析了卡车以不同行驶状态通过时引起的场地振动响应，得出如下结论：
（1）该场地道路交通荷载引起的土体振动以竖直向为主，垂直道路中心线30 m后振动响应衰减幅度逐渐减小。
（2）改变卡车编队方式引起的场地振动响应自大到小依次为串行、并行、单车行驶。
（3）卡车行驶速度越快，引起的场地振动响应越大，衰减越快。
（4）改变卡车行驶方式，匀速行驶引起的场地振动响应大于制动行驶。
（5）测点振动响应1/3倍频程谱含有两个峰值，一个峰值为2.5 Hz，另一个峰值为7 Hz～15 Hz。第一个峰值是由车辆行驶场地共振引起，第二个峰值是由车辆轮胎与大地摩擦引起。
（6）精密仪器电子厂房附近公路有汽车通过时，建议单车-匀速行驶。
猜你喜欢 时域编队测点 OFDM 系统中的符号时域偏差估计电声技术(2022年7期)2022-09-23改进的浮体运动响应间接时域计算方法哈尔滨工程大学学报(2021年10期)2021-11-05基于CATIA的汽车测点批量开发的研究与应用汽车实用技术(2021年10期)2021-06-04基于小波包位移能量曲率差的隧道衬砌损伤识别天津城建大学学报(2020年4期)2020-09-10广州市老城区夏季室外园林空间人体舒适度评价①热带农业科学(2020年1期)2020-03-21——以徐州高层小区为例">室外风环境实测及PHOENICS 模拟对比分析研究＊——以徐州高层小区为例建筑技艺(2019年9期)2019-11-27基于复杂网络理论的作战计划时域协同方法研究军事运筹与系统工程(2019年4期)2019-09-11网络分析仪时域测量技术综述宇航计测技术(2019年1期)2019-03-25基于事件驱动的多飞行器编队协同控制北京航空航天大学学报(2017年3期)2017-11-23电磁航天器编队位置跟踪自适应协同控制北京航空航天大学学报(2017年10期)2017-04-20
