工程卡车行驶诱发地面振动的实测分析

总结了环境振动传播的一般规律，在最小二乘准则条件下，采用数理统计回归方法提出地面振动衰减的经验公式。茅玉泉等[3]通过大量实测实验研究了火车、汽车在运行过程中引起的地面振动特性和衰减。采用数理统计的复合回归方法，探讨了振动的传播衰减规律，提出了地面垂直和水平振动衰减的经验公式。赵锐等[4]首先利用MATLAB求解考虑路面不平度影响的车辆振动微分方程;然后，利用文克尔弹性地基梁模型模拟路面土体，建立车辆及所在地面的振动计算模型;最后，借助动力机械振动沿地面传播的衰减公式提出车辆通行引起构筑物基础加速度的计算公式，最终建立车辆引起地面振动衰减的计算方法，并用实测数据进行了验证，用算例对该方法的应用进行说明。杨先健等[5]利用瑞利波和体波所建立的基本理论，研究了动力机械所引起的地面振动衰减，提出了衰减计算公式。楼梦麟等[6]通过研究得出地面交通振动中垂向的加速度峰值最大，而隧道交通振动中垂向加速度的峰值最小的结论。然而，上述文献仅对列车振动进行了详细研究，对重载工程卡车诱发的振动研究尚少。

由此，本文以工程卡车行驶产生振动为研究对象，对郑州西四环植物园某路段工程卡车通过时地面的振动情况进行实测，通过MATLAB编制程序对实测数据进行处理，研究了工程卡车诱发地面振动的特性及传播规律，实测结果可为相关部门研究工程卡车地面振动传播特性以及控制该振动提供参考和依据。

1 试验背景

现场测试于2018年12月在郑州西四环植物园附近某路段进行。该路段重载运输车辆来往较多，且周围新建居民小区以及商业建筑较为集中。为排除其他振动对实验的影响，测试场地附近无其他交通振动及施工作业。本次试验采用的仪器为意大利MOHO公司生产的地脉动仪TROMINO®。其是一个小型一体化的仪器，可测量频率在0.1～1 024Hz的振动。实测前对仪器进行核检，以确保采集振动数据的可靠性。本次试验采样频率为512Hz，实测仪器如图1所示。

地面测点垂直于车辆行驶方向布置，布置7个实测点位，相邻测点间距5m，测点布置如图2所示，以研究工程卡车产生的振动对周边环境的影响及其沿地面的传播规律。

本次测量时间较长，测试车辆较多。由于当前该路段多为混凝土搅拌车辆，故本文以某型号混凝土搅拌车引起的振动情况为主要实测对象，车辆质量在30t左右，车速为30km/h。

2 振动数据处理及分析

基于MATLAB得出振动加速度时程和频谱曲线，在此基础上，得到各测点的振动强度随距离变化的情况，以研究工程卡车振动衰减规律，并参考振动标准对该场地工程卡车引起的环境振动情况进行评价。

2.1 振动时域和频域分析

本次试验采集了5、10、15、20、25、30m和35m处的振动数据，图3至图6为距振源5m和35m处地面水平向和竖向振动的加速度时程和频谱曲线。

比较图3和图5中各向振动加速度时程曲线可知，竖向振动曲线与水平向存在差异，水平向振动相差不大，竖向振动幅值大于水平向，重载工程卡车振动体现在竖直向。随着距离增加，各向振动加速度幅值均呈衰减趋势。

对采集数据进行快速傅里叶变换，得到各测点加速度所对应的频谱图，以便于在频域范围对重载车辆产生的环境振动进行分析。

由图4和图6可以得出，水平向频谱曲线变化规律类似，体现为高频振动占优，其加速度峰值集中在60～70Hz的高频区段;Z向主要体现为低频振动占优，加速度峰值集中在10～20Hz低频区段。随着距离增加，各向振动幅值呈现缓慢衰减趋势。

2.2 振动计权加速度级分析

振动加速度级是一种能表征振动强度大小的相对指标，被我国及国外很多国家用作评价振动的影响量。在评价振动对环境的影响时，常常将振动加速度级转化为振级。计权振级表达式为[7]：

（1）

其中：[La，i]为第i个中心频率上所测得的振动加速度级（dB）;[wi]为该频率上的计权因子（dB）。

（2）

其中：[La]为振动加速度级（dB）;[arms]为加速度有效值;[arms]为基准加速度，取值为[10-6m/s]。

图7为根据MATLAB计算测点的振级大小，绘制的振动强度随距离变化的分析图。

从图7可以看出：随着距离增加，整体上，各向振级均有逐渐减小的趋势，振级在近处（5～10m）衰减较快，在远处衰减逐渐减缓;水平向振动在近处较竖向衰减较快，且在远处（20～30m）出现振动放大现象，初步判断与场地土体性质有關。对比各向振级大小得出，X向和Y向强度相差不大，重载卡车产生的振动主要体现在竖向，产生的振动较地铁和火车振动数值[8]小。

为控制环境振动污染，保障城乡居民正常生活、工作和学习的振动环境质量，环保部制定了《振动环境质量标准》（GB 10070—201X）（环境振动标准意见稿）。通过结合新标准，将该振动环境功能区进行归类，并结合规范中要求的最大Z振级作为当前环境的振动评价量，该试验地点划分为Ⅲ类振动环境功能区，且此类环境振动限值为78dB。对比Z振级数值，在当前环境下，重载卡车引起地面振动的竖向振级均未超出标准所规定的振动限值。

3 结论

重载卡车行驶对周围地面的振动响应影响比较复杂。本文通过对重载卡车行驶诱发地面振动问题进行实测分析，得出以下结论。

①重载工程卡车振动体现在竖直向，应以控制竖向振动为主;随着距离增加，各向加速度幅值均呈现衰减趋势，X向和Y向加速度变化较为接近，且与竖直向加速度差异较大。

②在频域上，水平振动主要体现为高频占优，以60～70Hz为主;竖向振动体现为低频占优，以10～20Hz为主，故可在频段上控制该振动。

③水平向振动在距振源25～30m出现振动放大现象，初步判断为某高频振动影响所致，故水平向应得到重视。

④重载卡车产生的振动强度较低，结合规范可知，该场地振动强度未超过规定限值。

参考文献：

[1]曹雨.交通激励下古建筑木结构动力分析模型研究[D].聊城：聊城大学，2015.

[2]崔高航，陶夏新，陈宪麦.城轨交通沿线地面环境振动衰减实测分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2008（1）：39-43.

[3]茅玉泉.交通运输车辆引起的地面振动特性和衰减[J].建筑结构学报，1987（1）：67-77.

[4]赵锐，张毅刚.车辆引起的地面振动衰减计算方法[J].振动、测试与诊断，2015（2）：295-301，399.

[5]杨先健.动力机械引起的地面振动衰减[J].湖南大学学报，1982（3）：12-18.

[6]楼梦麟，谭广宝.公路交通运行引起的振动实测及其衰减分析[J].力学季刊，2013（4）：663-672.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑工程容许振动标准：GB 50868—2013[S].北京：中国计划出版社，2013.

[8]夏禾.交通环境振动工程[M].北京：科学出版社，2010.