高速公路车辆产生的微振动测试与分析

武利军

(山西省交通科学研究院，山西太原 030006)

0 引言

由于城市现代化的发展，引起的振动越发频繁，交通荷载引起的振动通过路基向道路两侧传播。当振动达到一定强度时，就会对附近精密仪器的正常使用带来严重的影响。

一般由交通荷载引起的地面振动我们可视为微振动，它的振动频率通常在1 kHz以下，并且存在的高频分量在地层传播过程中会快速衰减。汽车荷载对周围环境影响是十分复杂的问题，涉及到振源、振动产生机理及传播规律、振动对建筑结构设备等的影响。国外对其进行的研究较早，例如 G．Lombaert，G．Degrande［1］建立了地面交通引起的自由场地振动的数值分析模型;而在国内有关地面交通(汽车、列车等)对周围环境影响的研究主要以现场监测为主，如:梁铁成等［2］对公路车辆产生的振动衰减及其对精密仪器的影响进行了研究，通过对振动信号的分析得出振动信号的振幅随距离呈近似负平方规律衰减;袁新敏，谢伟平等［3］对武汉楚雄大街过往车辆引起的振动进行现场监测，得到地面交通引起地面振动加速度的衰减规律。

本文将利用微振测试技术，对成雅高速一侧的地表进行振动测试，以期了解高速公路上的交通荷载对周围环境的影响(特别是精密仪器的影响)进行评定，为厂房及精密设备基础台座的隔振计算分析与设计提供依据，确保精密设备的正常工作。

1 微振测试

1．1 测试系统

根据测试要求，采用中科测控提供的三矢量传感器采集振动速度信号，测振仪储存信号数据，最后将数据导入笔记本电脑利用专业振动分析软件对测得的数据进行分析。

振动速度测试系统如下:

振动信号→三矢量传感器→测振仪→笔记本电脑。

1．2 测点布置及测试内容

在距成雅高速公路最近的西侧生产厂房1激光刻线机基座位置与公路之间，沿垂直于高速公路方向布置一条测线，原方案中测线上布置4个测点，实际上布置了6个测点(包括两个控制测点)，其中最远的2个测点为激光刻线机基座位置(定为控制测控点)，最近的1个测点位于高速公路的路肩边缘上，各测点与公路的垂直距离在1 m～500 m之间。距高速公路较近的5个测点间距一般在1 m～120 m之间，每个测点各进行20次测量。测点平面布置情况如图1所示。

1．3 振动记录仪的参数设置

需注意在进行微振测试时必须合理设置振动记录仪的采样频率和量程。为保证记录的波形不至失真，采样频率一般应高于被测信号频率的10倍～20倍以上，即一个周期10个～20个以上的采样点。但采样频率越高其记录的时间也就越短，故选择采样频率应注意两者兼顾。

图1 测点平面布置图

通过分析交通方向上的预测试结果发现，距道路较近时(20 m)的行车振动主频率基本小于70 Hz，尤其是远离公路100 m时，主振频率已小于10 Hz。因此，对于24 h连续测试的控制点位，仪器的采样频率设置为1 kHz;其他各测试点的仪器的采样频率设置为2 kHz。这样，采样频率比被测信号频率大30倍～100倍以上，不会出现波形失真的现象。

2 振动测试结果及分析

连接好振动测试设备之后，将测振仪的内触发电平调好，使测振仪处于待触发记录状态。当有足够大的汽车振动触发之后，振动仪记录下采样电平，待所有数据测试完毕之后将原始数据导入笔记本进行数据处理，包括对原始波形的零线修正，滤波平滑波形等。

2．1 测试结果及处理

在成雅高速公路旁共布置5个测点，其中2个测点位于路肩纵向侧线处，另有3个测点位于垂直于高速公路的垂直侧线上。5个测点各进行了20余次振动速度测试，共记录90多幅三分量振动速度波形，本文仅给出有代表性的振动波形。图2～图6为在2010年3月6日上午11:30左右各测点在成雅高速公路记录的典型振动速度波形。

行车概况:成都到雅安方向车流量40辆次/min，雅安到成都方向30辆次/min，其中主要以大型客车及小轿车为主。

图2 路肩处1号测点振动速度波形图

图3 路肩处2号测点振动速度波形图

图4 垂线1号测点振动速度波形图

衡量振动一般采用振动特性的位移、速度、加速度等参数，同时也可以用分贝来表述它的相对大小，分别得到相应的级值。本文采用速度振级，其振级由振动速度值换算得，换算关系为:

式中:VAL——振动速度振级，dB;

V——振动速度，μm/s;

V0——速度基准值，取5 ×10－2μm/s。

图5 垂线2号测点振动速度波形图

图6 垂线3号测点振动速度波形图

根据式(1)结合实测的数据，Z轴方向的速度振级计算结果见表1。

表1 距行车路面不同距离处的振动速度和速度振级

图7为距行车路面(振源)不同距离处X，Y，Z三个坐标轴方向上的振动速度变化曲线。

据有关资料介绍，在1 Hz～10 Hz频率范围内，精密仪器对环境的振动要求为 0．5 μg ～100．0 μg 这一微振范围内，根据式(2)计算可得振动速度范围大致为1 μm～10 μm。将实测X，Y，Z三轴的各轴最大振动速度及主频列于表2。

式中:V——振动速度，μm/s;

T——振动周期，s;

a——振动加速度，μm/s－2。

2．2 测试结果分析

根据实测数据可以看出高速公路交通引起的地面振动有如下规律:

1)在不同测试地点得到的振动速度波形不同，测试地点离振源越远，波形持续时间越长。

2)汽车运行引起的地面振动速度距道路越近，振动速度越大，随着距离的增加振动有较为明显的衰减，超过一定的距离(本测试X方向约为70 m，Y方向约为80 m，Z方向约为40 m)后衰减趋于平缓。有个别地点出现反弹现象，通常与测试点的地面情况有关。

表2 各测点处三轴最大振动速度

图7 各测点处的三轴振动速度—距离变化曲线

3)现场实测显示，在各时间段所测的多组数据的大小和路面行驶的汽车荷载及车速有关，通过的荷载越大，速度越快引起的公路附近地面的速度振级越大。同时，车辆的荷载及速度越大，振动衰减越显著。

4)对地表各测点最大速度变化曲线进行回归分析，发现速度变化呈负的乘幂关系衰减。

5)根据对振动速度频谱分析可知，汽车荷载振动在其影响范围内Z方向的速度主频处于7 Hz～20 Hz内，距离路面越远振动速度主频越小。而在120 m处振动速度主频均小于5 Hz。根据表2可知，在垂向3号测点以外汽车荷载引起的振动速度均在1 μm～10 μm范围内，故在120 m后汽车荷载对精密仪器的振动可以忽略不计。

6)实测数据表明，在不同测点处并不一定是Z方向的振动速度最大，在某些时刻的某些测点处X，Y方向的振动速度有可能是更大。所以在评定汽车荷载振动对精密仪器的影响时不应该只考虑Z方向的振动，而应该兼顾考虑X，Y方向的振动。

3 结语

本文对在高速公路正常运行的车辆引起的地面微振进行了现场实测与数据处理和分析。对高速公路规划建设带来的振动可能对环境的影响提供了一定的判断依据，同时为振动要求极高的精密仪器厂房的选址提供了重要的参考距离，在厂房的建设中应该考虑这一影响距离。本文仅仅是对汽车振动对环境影响的初步探讨，汽车振动带来的噪声、振动速度的衰减与车辆荷载大小及行驶速度的关系研究还不够成熟。同时，由于本文测试并不是在平整地面上对汽车振动的测试，所以对地形的起伏变化可能引起的振动速度变化衰减，还有待于研究。除了对高速公路环境振动进行预测、评估外，对高速公路带来的环境振动对精密仪器等的隔振措施也是研究的重点。可以从振源、振动传播的路径和受振结构物三方面入手，需找能有效避免振动给仪器带来负面影响的措施。

［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] 梁铁成，李桐林，董瑞春．公路车辆产生振动波的衰减研究［J］．吉林大学学报，2003，3(3):95-97．

［3] 袁新敏，张玉华，左鹏飞，等．公路交通引起振动的现场监测与分析［J］．土工基础，2007，21(2):73-75．

［4] 章东强，谢伟平，于艳丽．交通荷载引起的环境振动实测与分析［J］．武汉理工大学学报，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] 于国友，李剑波．车辆振动对公路路基健康检测面波法的影响分析［J］．公路工程，2010(1):97-99．