关于高精密仪器基础设计及隔振的地面振动实测研究外文翻译资料

 2022-10-08 10:10

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关于高精密仪器基础设计及隔振的地面振动实测研究

D.Ulgen, O.L. Ertugrul, M.Y. Ozkan

摘要

本文主要研究暴露在地面振动下高精度仪器的基础设计和隔振问题。在1～300Hz的频率范围内，敏感设备的正常工作允许振动水平为50mu;g。在基础设计之前,首先，要进行广泛的实地调查，包括地质和地球物理测试，以获得土壤的静态和动态物理性质。然后，利用三分之一倍频程频带1Hz到1000Hz的加速度计现场测量移动振源附近不同位置的振动水平。当所有振源都不活动时，对现场背景振动水平也进行了测量。基于现场实测，一个专门基础系统被设计来减小精密仪器底座在振源活跃时的振动水平到允许的振动限值。因此，针对实地构筑的基础结构进行了测量，评估此种专门基础系统的隔振性能，表明了惯性质量块顶部的实际振动水平与预测值是一致的。

关键词

隔振；高精度仪表；重型车辆；螺旋弹簧；钢丝网；地面振动

一．引言

像电子显微镜和坐标测量机这样的高精密仪器对内部和外界的振动都是很敏感的。有两种隔离及控制振动的方法，即主动隔振和被动隔振。主动隔振是将振动限制或者控制在源头附近；而被动隔振是保护仪器不受周围振动源的影响。Lei,Benli[1]和Colletteet等人[2]说过主动隔振要比被动隔振更有效，特别是以低频隔振为目的时，然而，这对由重型车辆如卡车和履带车辆造成的外界地面振动来说并不是一个实用的，经济的解决办法[3]。由于费用问题和地面振动的不确定性，被动隔振更多的被用于达到高精密仪器正常工作所需要的极限振动标准。

建筑物内的机械工作和人类活动是内部振动的主要源头，而，外部振动是由车辆交通、建筑物外的发电机及建筑活动等外部源头引起的。在人口密集的城市，由于空间的限制，自

从建筑物和道路之间的距离减少后，城市地区交通诱导的地面振动尤其是由重型车辆在不平坦的道路上行驶引起的交通诱导的振动，已经成为一个主要的环境问题。Watts[4]发现，重型车辆在表面不规则的道路上移动会产生大部分的距离路面五米内的可观察的振动。在Watts[5]的另一项研究中，在考虑了路面不规则性的最大高度/深度后，车辆的速度和离测量点的距离的简单振动预测模型被提了出来。Hunt[6],Hao和Ang[7]开发了用来预测交通引起的振动的数值模型。在这些研究中，路面粗糙度被用功率谱密度函数以一个随机的方法描述出来。Lak等人[8]和Agostinacchio等人[9]探究性的调查了重型车辆在柔性和刚性路面上诱导的振动。他们观察到，在道路的邻近处，质点的峰值振动速度受道路表面不规则的高度和车辆的速度的影响很大。在考虑路丘和减速带的影响下Watts和 ffKrylov[10]提出了基础的振动水平的经验关系。Width和Bodare[11]用传递函数来预测由于外部特定的地面运动产生的建筑物内的振动水平。Taniguchi和Sawada[12]通过卡车实验研究重型车辆引起的地面振动的特点。他们指出，瑞利波在这些振动中占主导地位，基本频率在10赫兹到20赫兹内波动。Al-Hunaidi和Rainer[13]进行了现场测试并测量了交通引起的振动。作者观察到振动频率在10赫兹和40赫兹之间变化。由于蒙特利尔道路交通的问题，为了研究振动水平Hunaidi和Tremblay[14]进行了细致的现场测量。结果发现，卡车引起的振动的主要频率下落至10赫兹和20赫兹这个范围内。

第二组研究的重点是通过对敏感区域或建筑物的基础这些敏感仪器正常工作所需要进行振动限制的地方实施被动隔振来研究地面振动传播的衰减。

研究表明，空气弹簧、钢板弹簧元件、橡胶垫、开放和填充式沟槽被有效的用作敏感仪器附近的被动隔振器。在设计过程中，选择正确的隔离技术需要推测在现场可能发生的振动水平。With和Bodare[11]指出，预测轨道交通不同距离的振动水平是一项艰巨的任务，因为有很多未知的参数如火车的速度、车的重量、车轮和钢轨的表面粗糙度、结构特性和地面特征。在另一项研究中，Amick[15], Gordon[16]和Bessason等人[17]研究了敏感设备的振动标准。有人建议，在敏感设备的隔振设计中应使用三分之一倍频程测量来简化的典型振动频谱的复杂性。Rivin[3]将这确定为高精密设备隔振的要求。笔者认为，在大多数情况下，隔振的条件可以通过具有高阻尼的被动隔振器来满足。此外，有人指出，在某些情况下，将精密机械安装在大基础上可降低摇摆效应，并增加有效刚度。在本研究中，一个着重于暴露于地面振动下的高精度仪器的隔震器与基础设计的研究案例被进行了详细讨论。敏感仪器将被安放在可能受包括移动的重型车辆在内的外界振源的影响的地表。在这项研究中，对于高精度设备的正确操作要f风f仪器基座下的振动加速度峰值大小的均方根（RMS）在1-300赫兹的频率范围内不超过50mu;g。在基础设计过程中，作为初始步骤，利用岩土工程和地球物理调查，对地面特性进行了研究。因此，为了预测地面传播的振动水平和频率，广泛的现场振动测量计划被投入了使用。在可能安放敏感设备的位置，进行以卡车或履带车辆的振动为主要来源的两种不同情况下的测量。广泛的点的振动特性的监测被实施，以调查由重型卡车和履带车辆的活动引起的土壤内振动传播的衰减。通过有限元建模考虑土壤阻尼和土的弹性模量的影响来模拟不同的振动场景使振动试验的结果得到了验证[18]。为了对比的目的，所有在附近的振动源都被关闭，并在现场背景的振动中进行测量。表面不规则性的影响没有考虑到在目前的研究中，因为这是一个特定的现场调查。

在现场调查、分析方法和振动分析的基础上进行预测，为地震量和基础系统选择合适的由弹簧和阻尼元件组成的隔振元件。在现场实际隔震基础地震质量系统的建成后，在与设计过程中相同的条件下重新测量。在敏感仪器的要求水平上，振动水平和频率被研究分析以评估被建议的被动隔振系统的性能。

二．现场调查

在现场利用广泛的土壤勘探计划确定了土壤剖面、地下水位和土壤层的动态特性。此外，进行地面物理性质测试，以确定在现场土层的剪切波速，弹性模量和泊松比。采用多道面波（MASW）[19,20]分析得到剪切波速度剖面。这是一个评估位于一个从阵列已知的距离的震源所产生的波的传播特性的非破坏性的测试。实施脉动试验以获得的场地动态特性如卓越周期和土壤放大比率。在地理测试的基础上，现场的自然周期为0.7秒。从现场获得的土壤物理性质和剪切波速度剖面在图1和表1中分表给出。

表1

现场调查获得的土壤物理性质

图1 现场的剪切波速度剖面图

  1. 隔震系统设计的振动测量

为了确定指定的地点的在不同情况下的振动水平，一个详细的测量计划被实施。能够在0.1赫兹至1500赫兹的频率间隔内测量从0.5mu;g到0.5 g来自地面的振动的高灵敏度地震恒定电荷线驱动加速度计被用来记录在土壤介质中的加速度。传感器位于三个相互垂直的方向；垂直方向（Z），南北方向（X）和东西方向（Y）。在频率范围为1 - 1000赫兹内，在三个轴同时进行测量。加速度计被安装在一个固定在部分埋在地里的混凝土块中的铝块上。两侧涂有塑料涂层的保护盒是用来保护传感器不受如风和温度的气候条件的影响。测量设置如图2所示。振动监测被认为是两个测量点。两个测量点被认为是振动监测。图3给出了点的位置和站点布局的描述。测量点，C1，距离在公路上移动的振动源一米。敏感设备的础将建在点C2位置。

图2 现场振动测量设备的安装

图3 现场振动监测位置

在现场可能的振动源被确定为带橡胶轮胎的卡车和履带车辆。在振动测量中考虑了三种不同情况。在第一种情况中，总是存在于现场的背景的振动被记录下来。在第二种情况和第三种情况中，一辆三轴10音卡车和40音履带车辆在五分钟内的活动产生的振动水平被分别进行了测量。由于振动的随机性和复杂性，在大多数的微振动的工程应用中，以1/3倍频程频谱进行测量分析。在这项研究中， （图4，图5和图6）。如图4a和b中看到的，C1和C2点的背景振动相似。在基础建成的地方点C2主频率的范围被确定为60赫兹到300赫兹。在各个方向上，加速度水平均小于10mu;g并在在0.5mu;g和7mu;g之间变化。

图4 在点C1(a)和点C2(b)监测到的地面振动水平的1/3倍频程频谱图

图5 在点C1(a)和点C2(b)监测到的由卡车引起的振动水平的1/3倍频程频谱图

图6 在点C1(a)和点C2(b)监测到的由履带车引起的振动水平的1/3倍频程频谱图

如图5A所示，在点C1处，橡胶轮胎卡车在三个方向上引起的振动的固有频率大约是30赫兹，150赫兹和250赫兹。较低的30 赫兹的主要频率与Hunaidi，Tremblay[14],Al-Hunaidi和Rainer[13]提出的主要频率相近，然而，150赫兹和250赫兹的频率与发表在文学期刊上的结果却不一致。在150赫兹和250赫兹间所观察到的振幅峰值可能是由于背景噪声的放大或与振动测量装置（混凝土块和铝块）的频率产生了谐振。此外，该测量点C2（图5b）显示出，由于几何阻尼，卡车引起的地面振动迅速衰减，并且几乎所有的振动能量在六十米内衰减殆尽。如图5B所示，卡车引起的振动只比背景振动略微高一点。

如图6a和6b所示，在点C1与点C2履带车辆制造的主要振动频率在10–20 赫兹和100–300赫兹范围内变化。在C1和C2点测得的地面传播振动频率彼此非常相似。这是在预料之中的，因为地面的自然频率与履带车辆所产生的振动频率相比来说太低。此外，从图6看出，超过60米后，履带车辆产生的振动幅度减少了10倍。

图7 单自由度基础隔振系统的理想化模型

  1. 设计的目标与建议

4.1 基础设计考虑

高精度仪器的正确操作需要环境振动水平频率在为1 - 300赫兹范围内小于50mu;g。由于频率范围很宽，由混凝土块，隔离/减震单元和桩基础组成的振动隔离系统应被考虑为一个单自由度系统（SDOF），如图7所示。

一个重有12吨的并由隔离元件支撑的惯性质量块可以增加系统的刚度，并减少由于其低重心振动力的摇摆效应。这种惯性质量块的基本原理是降低系统的固有频率，从而最大限度地减少高频率振动的传递。因重惯性质量块直接放置在土壤上，由于土壤的条件，不均匀沉降很可能发生。为防止不均匀沉降，承台梁基础被设计出来以支承振动单元和惯性质量块。桩的长度和直径需要根据现场岩土的特性进行选择。

该地点靠近在土耳其地震最活跃的北安纳托利亚断层。基于确定的地震危险性评估，最大可信地震指定为Mw= 7.5。Kalkan和Gulkan[22]通过分析北安纳托利亚断层的记录提出了衰减关系。凭借经验，在测量点的地面加速度峰值被估计为0.4g。考虑到场地地震的危险性，为了防止惯性质量块受预料之外的地震摇晃引起的位移影响，在隔振系统中，隔振缓冲器投入了运用。

在这项研究中，非常柔软的隔离元件被用来消除在高频率时产生的动态

图8 惯性质量块与隔振器中心线对齐

力。具有非常好的柔性的柔性隔离会产生摇摆运动及相应的无法预料的大

位移[23]。如上所述，通过在隔振系统中使用非常好柔性的隔离元件可以减少摇摆运动。此外，将惯性质量块的重心与重力隔离器的中心对齐，可减少由于摇摆运动而产生的角位移。图8中给出了这个建议的系统的示意图。

在精密仪器的板内的内部振动可能成为设备的正确使用的重大问题[24-26]。因此，建筑物的基础和精密设备的基础应相互分离，以防止内部结构传播振动[17-27]。这一措施也消除了脚步引起的振动。为此，在精密仪器隔振支座的基础设计时，应直接放置在不与操作地面接触的分离的地面上。

4.2 波阻尼的性能

波阻尼通常被用于筛选地面传播的振动。这些屏障通常可以安装为开放式或填充式沟槽。影响波阻尼的隔离性能的因素有几个。瑞利波携带了振动源所产生的大部分能量[28,29]。因此，波阻尼的隔离性能主要取决于对瑞利波反射[30]，折射和散射。一些实验和数学探究的研究对影响波阻尼隔离性能的主要参数进行评估[31-41]。这些研究表明，沟槽深度与瑞利波长之比D（归一化沟槽深度），对波阻尼屏蔽效率有非常大的影响。振动振幅折减比AR（波阻尼安装前后振动最大频谱振幅之比）, 随着归一化沟槽深度D的减少而减少。

在本研究中，在最关键的情况下，

图9 振动振幅折减比AR-归一化沟槽深度D关系图

在振动隔离中振动所产生的低频率为10赫兹的最大瑞利波长为21.6m。 从Tsai和Chang [42]，Saikia和Das[43]提出的图表（图9）中，可以看出，在归一化沟槽的长度L分别等于4和1时，D应该是大约0.5或更高以获得50%或更高的AR。

对于D = 0.5，安装作为一个开口沟槽作为波阻尼，将沟槽深度设置10.8m是不实际的和不经济的。因此

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