先进测量实验区素地环境振动实测与分析

汪洪军, 刘志华, 董玉平

(1. 中国计量科学研究院, 北京100029; 2. 南京博森科技有限公司 北京分公司, 北京 100027)

1 引 言

随着城市现代化进程的快速发展,环境振动对生活和工作环境的影响已经引起广泛关注,目前国际上已经把振动列为七大环境公害之一[1]。 环境振动是由自然原因(如风、海浪、潮汐)或人为原因(如交通活动或机械运动、工程施工活动等)造成,一般可分为2大类,即地面脉动和人类活动的近距离干扰振动[2,3]。地面脉动是一种随机振动波,具有较低的振动频率,按其形成的因素,又可分为第1类地面脉动(自然因素形成,包括风暴、台风、海浪击岸等)和第2类地面脉动(远距离人为因素形成)。人类活动的近距离干扰振动,主要包括线振源振动(火车、地铁、汽车等在道路或线路上行驶产生的振动)和点振源振动(锻锤、压缩机、冲床等机械运行时产生的振动)等。与地面脉动相比,这类振动振动频率较宽且振幅较大,其影响远大于地面脉动[4]。环境振动的特点和振级不仅取决于激励的大小,还取决于土壤、基础和建筑物其他结构部件所组成的动力系统对振动的滤波效果[5]。

对于先进测量实验室,大多数精密仪器对环境振动比较敏感,环境振动会对精密仪器设备造成损害、降低精度、产生难以接受的偏离,因此在实验室规划选址和建设过程中必须考虑降低或消除环境振动影响[6]。良好的环境振动条件是保证高精度测量结果准确可靠的前提,2017年在中国计量科学研究院进行的第10届全球绝对重力仪关键比对中,重力值不确定度优于1 μGal，良好的环境振动条件对该结果有较大的贡献[7]。因此对环境振动比较敏感的工程建设场地,原则上应该尽量选择在远离地铁、城市干道等交通繁忙区域,但由于城市建设的要求和现状,在工程选址时难以完全避开,这样就需要根据工程实际情况，开展人类活动的近距离干扰激发的环境振动对精密装置影响的分析研究[8,9]。这些研究目前主要采取的方法是实地测量和有限元动力分析2大类,国内相关研究较少。考虑到影响环境振动的因素较多,采用有限元分析的理论计算难度较大,目前对素地环境振动影响的研究多集中在实测分析方面,且更多是针对某一具体工程进行,来获得地面脉动和人类活动的近距离干扰振动对建设地块的综合影响量化评价。若某场地测量值超过了实验室所要求的环境振动容许值,则该场地通常将被拒绝,或采取有效的隔振处理措施。另外,在建设用地选择过程中,还应考虑场地未来使用以及场地周围环境的发展情况。

本文以中国计量科学研究院实验基地(以下简称实验基地)先进测量实验区建设地块为例，其周边干扰源及道路车辆行驶产生的振动波通过周围地层向外传播,诱发附近地基场地及邻近建筑物的振动,对实验室实验环境产生的影响,通过实测与分析，用于判定该实验区建设的适用性和指导环境振动控制设计,为实验区整体布局及类似实验室环境振动特性研究提供借鉴。

2 工程及控制标准概况

中国计量科学研究院实验基地位于龙山脚下,占地面积约55万 m2,南北长约1 300 m,东西200～700 m。实验基地周边5 km范围内有十三陵水库、京包货运铁路、地铁昌平支线、京藏/京新高速公路、昌赤路国道主干道和集装箱临时转运码头等主要振动源,如图1所示。

图1 实验基地周边5 km 以内主要振动源Fig.1 Main vibration sources within 5 km around the experimental base

先进测量实验区位于实验基地中间位置的东侧,紧邻龙山,总规划实验室建设面积约5万 m2,地下一层,地上一至两层,该地块西侧为实验基地主干道,北侧为实验基地支干道。项目建设场地东高西低,主要地层自上而下依次为素填土、粉质粘土、粘质粉土、漂石、碎石、强风化石灰岩、中风化石灰岩。实验基地先进测量实验区主要开展的科学研究内容有:以量子物理为基础的计量基础研究，计量科技领域中前瞻性、基础性和战略性研究。从事这些研究工作的精密设备对环境振动要求较高。

精密设备的环境振动容许值由精密设备本身决定,一般通过试验确定,当条件限制难以实现时,可以对现有精密设备环境振动调查及统计分析得到该类设备正常工作的振动容许参考值。振动控制VC标准是美国的Colin Gordon[10]针对振动敏感设备给定的振动标准,是一组标记为VC-A到VC-G的1/3倍频程速度谱,每条曲线规定了与之相应的一类精密设备的振动允许值,2005年由Amick[11]对其进行了优化和更新,其具体控制值如图2所示[11]。随着精密仪器的发展,甚至VC标准的最高水平都已无法满足某些振动敏感设备及实验室的振动控制要求,新的振动控制标准正不断发展[12]。因此,先进测量实验区实验设备工作平台表面环境振动容许值应满足振动控制VC标准VC-C、VC-D、VC-E、VC-F、VC-G的要求。

图2 国际振动 VC 标准Fig.2 International vibration VC standard

3 环境振动现场测试

为充分评估实验基地周边5 km以内和先进测量实验区建设地块周边道路等人类活动的近距离干扰振动激励,本文参照GB51076-2015附录A[13],并结合实验基地先进测量实验区精密设备及仪器的振动容许值、场地及周边道路布置图、未来周边道路可能行车状况、实验楼拟建场地及邻近的振源位置等资料,制定测点布置方案。开展单点稳态测量与在外界环境激励条件下的多点瞬态测量。每个测点均同时记录南北x方向、东西y方向和垂直z方向的振动速度。数据采集前,同型号传感器应进行试采样及对比分析。采样期间,要求除规定的振源及振源组合外,施工等其余可控振源应暂时停止,20 m范围内无关人员不得靠近。

本次测试使用经过标定且在有效期内的高精度环境振动测量分析系统进行现场测量,测量范围为0.4～100 Hz,测量相对不确定度为U=3%(k=2)。单点稳态测量是在先进测量实验区中心位置布置1个测点A,如图3所示。

图3 测点布置示意图Fig.3 Layout of measuring points

在实验基地内施工等外部可控干扰振源暂时停止工况下对先进测量实验区建设用地的稳态测量,采样时间为24 h。外界环境激励条件瞬态测量选择对先进测量实验区建设地块西侧主干道和北侧支干道2条道路,在各类车辆行驶环境条件下进行激励测试。在道路上铺设多排木棍以模拟车辆在道路上行驶颠簸场景,场地内东西和南北方向按照不等间距,沿道路边沿退让3.125，6.25，12.5，25，50，100，200 m,分别布置B～H和I～O等14个测点,测试院内道路交通激励带来的振动干扰影响,如图3所示。 测量共设置7种模拟工况,见表1所示。每种工况采样次数不少于5次。

表1 周边道路车辆行驶激励模拟工况Tab.1 Road traffic excitation simulation conditions

为保证振动测量的可靠性,在布置测点时,首先在测点处挖1个0.8 m3大小的立方体测试坑,去除表面虚土并进行基础找平,然后在其上浇筑一个0.5 m3大小的立方体混凝土块,将传感器用螺栓固定在混凝土块的顶部。

4 测试数据处理与分析

按通用的1/3倍频程分析法分析建筑场地微振动[14],对各测点的时程数据进行整体处理,计算出各中心频率带宽内对应的均方根值,从而得到1/3倍频程谱值。

式中:vRMS为振动速度均方根值;y(n)为第n个点的振动速度;N为计算频率区间内的总点数。

环境振动测试时,虽然可以暂时停止实验基地内施工等外部可控干扰振源,且20 m范围内无关人员没有靠近,但实验基地外部振动干扰源依然在正常运转,因此,本次测试并非完全只有单一来源的外界环境激励。

图4为实验基地内部振动干扰源可控时, 测点A连续24 h稳态工况下垂直方向振动速度均方根最大值和最小值频谱曲线。测试期间最主要的振动干扰频带在12.5 Hz和16 Hz。在1～100 Hz频段，24 h内测点A垂直方向振动速度均方根值均小于1.56 μm/s(VC-F),在12.5～20 Hz频段振动速度均方根最大值接近或大于0.78 μm/s(VC-G)。结果表明,实验基地先进测量实验区建设地块振动环境虽然已相对较好,但在12.5～20 Hz频段，外部组合振动源接近或超出实验室振动控制VC-G标准的要求,需要进一步查明振动干扰源,给出减振处理建议。

图4 测点A在z向 1/3 倍频程图Fig.4 1/3 octave band diagram in z direction of point A

为进一步查明实验基地外部振动源振动响应特性,分析了测点A在测试周期24 h内垂直方向最大振动速度均方根值(vmax)和有10%测试周期超过振动速度均方根值(v10)的情况,如图5所示。其中10:00～21:00期间vmax和v10区别不大,显著的未知振动均发生于21:00～次日10:00之间。结果表明,10:00～21:00期间测点A振动较稳定,实验基地周边的随机振动接近于稳态; 21:00～次日10:00期间较大随机环境振动发生在不到10%测试周期内,或每1 h小于6 min。鉴于距离实验基地较近的集装箱临时转运码头通常在夜间装卸货物,通过测试数据分析,可以判定该时段引起的随机振动来自于集装箱码头装卸货物时所产生的外部环境激励。

图5 测点A在Z向vmax 和 v10 测试图Fig.5 Test diagram of vmax and v10 in z direction of point A

6种瞬态测试工况中，工况1对先进测量实验区建设用地影响最大。图6给出了工况1符合振动控制VC-G、VC-F、VC-E标准的实验室建设所需退让道路的距离,最佳退让距离需满足所有振动标准规定的退让距离上限。结果表明,该地块在未采取针对性隔振措施的条件下,在8～25 Hz频段范围内,先进测量实验区环境振动控制VC-G标准的实验室最佳退让距离为195 m,振动控制VC-F标准的实验室最佳退让距离为182 m,振动控制VC-E标准的实验室最佳退让距离为160 m。由于道路交通引起的天然场地振动,经过场地土层过滤及结构自身作用,振动主要表现为低频振动[14]，因此,图6未关注25 Hz以上的环境振动情况。

图6 工况 1 测点B～H在z向 1/3 倍频程图Fig.6 1/3 octave band diagram of point B～H in z direction under condition 1

5 结 论

采用环境激励法,对中国计量科学研究院实验基地先进测量实验区素地进行环境振动测试,利用1/3倍频程法对时程数据进行处理,结论如下。

1) 在仅有实验基地外部已知干扰源激励下,该建设地块素地环境振动测试最主要的振动干扰频带为最小值时的12.5 Hz和最大值时的16 Hz,在1～100 Hz频段素地环境振动指标小于1.56 μm/s(VC-F),但在12.5～20 Hz频段振动速度均方根最大值接近或大于0.78 μm/s(VC-G)。因此,在12.5～20 Hz频段,外部组合振动源对要求振动控制VC-G标准的实验室仍具有一定影响,需要进一步查明振动干扰源,以采取有效处理措施。

2) 通过分析测点A测试数据,10:00～21:00，vmax和v10区别不大,显著的未知振动均发生在21:00～次日10:00之间。说明 21:00～次日10:00之间引起的随机振动来自于集装箱码头装卸货物时所产生的外部环境激励,移除集装箱码头将有助于先进测量实验区实验室达到振动控制VC-G标准的要求。

3) 针对周边道路交通振动激励未采取隔振措施的条件下,在8～25 Hz频段范围内,环境振动控制VC-G标准的实验室最佳退让距离为195 m,振动控制VC-F标准的实验室最佳退让距离为182 m,振动控制VC-F标准的实验室最佳退让距离为160 m。通过对6种工况下环境振动的测试和量化分析,可准确确定不同环境振动标准下的实验室建设最佳退让距离。

4) 本次测试是在建设前的素地微振动测试,实验室及周边配套设施建设完成并投入运行后环境振动将会有所增加,建议各类振动源在设计安装时,应充分考虑不利因素,可采取实测方式及时准确获取干扰量值,适时调整隔振、减振设计策略,以确保达到实验设备工作平台表面环境振动控制要求。