北京高能同步輻射光源實驗大廳在掃頻激勵下微振動水平的測試與分析

任錦龍 榮慕寧 邢云林 鄭 明 聶 鑫 樊健生 劉宇飛

北京高能同步輻射光源實驗大廳在掃頻激勵下微振動水平的測試與分析

任錦龍1榮慕寧1邢云林2鄭 明3聶 鑫3樊健生3劉宇飛3

(1. 北京建工集團有限責任公司，北京 100055；2. 中國電子工程設計院有限公司，北京 100142； 3. 清華大學土木工程系，北京 100084)

微振動控制是精密大科學裝置在建設過程中的重點關注對象之一，北京高能同步輻射光源（HEPS）項目采用澆筑1 m厚鋼筋混凝土結構底板加3 m厚的素混凝土墊層的方式來實現項目要求的微振動控制目標。報道了主體結構完工后，在北京高能同步輻射光源建設施工現場開展的1～100 Hz激振器掃頻激勵試驗。通過對試驗中實測得到的振動信號在時域和頻域內進行分析，評估北京高能同步輻射光源主體結構完成后實驗大廳底板的微振動水平和微振動控制能力。試驗結果表明：在1～100 Hz的振動激勵下，實驗大廳底板表現出良好的振動控制能力。

精密大科學裝置；微振動控制；激振器掃頻激勵試驗；時域信號；頻域信號

0 引 言

同步輻射光源（同步輻射裝置）是一種利用X射線源探索微觀科學世界的精密大科學裝置，其在物理學、化學、材料科學、生命科學等領域的研究中發揮著不可替代的作用[1-3]，到目前為止，世界范圍內在運行中的同步輻射光源已超過60座[4]。隨著射線源亮度不斷提高，同步輻射光源已發展到第四代：高能同步輻射光源。為縮小我國與國際先進光源的差距，并為關鍵領域的研究提供支撐，北京高能同步輻射光源（簡稱北京光源）成為我國“十三五”規劃優先布局的大科學工程項目之一，其在建成后將成為世界上具有最高光譜亮度的第四代同步輻射光源。然而，此類精密大科學裝置對振動十分敏感，相關設備在運行中往往會因微小的振動而產生極大的誤差[5-6]，因此，微振動控制是此類裝置在建設過程中的重要目標。

通常情況下，此類精密大科學裝置在運行中所受到的微振動的來源十分復雜，這些來源中既包括各種自然因素，如地震、刮風、下雨、海浪沖刷海岸以及氣壓變化引起的微振動，又包括人類活動，如空調系統的運行、路面及軌道交通、機械運轉、人員走動等引起的微振動，前者主要分布在1 Hz以下且往往與當地的場地條件相關，后者則主要分布在1 Hz以上[7-8]。為探明地面微振動的特性，Toksoz和Lacoss[9]等指出，地面微振動實際上是由體波（P波和S波）以及面波（Rayleigh波和Love波）共同作用下導致的；Miller及Pursey等學者[10-11]的研究表明，當地面振源距離測點距離一定時，Rayleigh波的能量往往占到振動能量的2/3以上，且Rayleigh波在傳遞過程中，其幅值衰減與傳播距離的1/2次方成正比，而體波幅值的衰減則與傳播距離的平方成正比，這表明Rayleigh波是微振動控制中需要重點關注的部分。

根據是否需要外界輸入能量進行分類，常用的振動控制手段可分為主動控制與被動控制兩種。而考慮到此類設施的建設規模大，為保證振動控制的效果及建設和運維的經濟性，往往采用被動控制的方法來控制實驗室地面的微振動水平。目前國內外針對振動控制相關的研究大多集中在采用隔振溝阻斷外界振源的影響，其隔振的效果主要與隔振溝深度、隔振溝內的填充物以及振源頻率特性有關[12-17]?？紤]到建設及運營的成本和復雜性，國內外已建成的同步輻射裝置中往往采用加厚實驗室底板并對底板下層土體進行特殊處理的手段實現微振動控制的目標：如美國的NSLS-Ⅱ光源在基礎下方換填了工程砂土層[18]，西班牙的ALBA光源采用了1.8 m厚的混凝土底板與下臥礫石層共同防微振[19]，巴西的Sirius光源采用在基礎下方形成2 m厚的水泥土層來控制實驗室地面的微振動水平[20]。與上述項目不同的是，北京光源則采用澆筑1 m 厚鋼筋混凝土加3 m厚的素混凝土墊層這一方案來控制實驗大廳底板的微振動。

由于北京光源建設場地范圍較大，微振動的振源成分復雜，現有通用有限元軟件難以精確模擬評估實驗室底板的微振動水平。在這種情況下，針對實際情況進行現場測試則能夠為評估實驗大廳底板的微振動控制能力提供更為精確可靠的結果。因此，筆者在北京光源主體結構完工后的建設現場完成了1～100 Hz激振器掃頻激勵試驗（點振源）。通過激振器掃頻激勵，評估北京光源實驗室大廳底板表面的微振動信號以及實驗大廳底板對1～100 Hz頻帶內微振動信號的控制作用。試驗結果可為類似精密大科學裝置建設中微振動水平的控制和評估提供參考。

1 工程概況

1.1 建設信息

北京光源（圖1）位于懷柔區，西鄰雁棲湖生態發展示范區和中科院大學；北側為京密引水渠，東側為牤牛河，南側為永樂大街，西側為京加路?？偨ㄖ娣e約12.5萬m2，由裝置區、綜合動力中心、綜合實驗樓及用戶服務樓等幾部分組成。其中，裝置區（圖2）外圍直徑510 m，建筑高度13.1 m，建筑面積約為11.58萬m2，主要包括實驗大廳和儲存環隧道兩部分。其中，實驗大廳和儲存環隧道下方的底板包含了1 m厚C30鋼筋混凝土層以及3 m厚C15素混凝土層。該項目工程于2019年6月29日正式開工建設，計劃于2025年底竣工驗收。

圖1 北京光源平面示意

1.2 微振動控制效果評估方法

目前，評估微振動水平的方法有：進行1/3倍頻程分析后，與評價環境振動的標準曲線（VC曲線）對比；計算數據的峰–峰值或均方根有效值RMS（root mean square）；根據設備自身的需求進行評估等[5-6]，但這些評估方法并不能直觀反映相關振動控制措施的振動控制效果。

為評估本項目中大體積混凝土底板對1～100 Hz頻段振動的控制效果，采用激振器進行現場激勵，將實測到的振動信號進行傅里葉變換后，取對應頻率下的頻譜幅值作為對應頻率下不同測點的響應信號。并在此基礎上，將與激振器距離相同的測點在同一頻率所對應的頻譜幅值相對比，即可得到大體積混凝土底板對不同頻段振動的控制效果。

圖2 北京光源裝置區平面及剖面示意

2 微振動現場試驗

2.1 振源激勵方式

為研究光源實驗大廳底板振動信號分布特點和底板微振動控制能力，同時考慮到此類設施需要控制的振動信號分布頻帶為1～100 Hz[21]，采用能夠在1～100 Hz范圍內進行激振的激振器進行1～100 Hz的掃頻激勵。

激振器掃頻激勵的激振系統（圖3）主要包括激振器、激振器配套的功率放大器和風冷機。激振系統的工作原理為：由一信號源（試驗中選用HP33120a型信號源）產生特定頻率的初始正弦電流信號，由功率放大器放大后傳遞給激振器，由激振器產生對應頻率的正弦激勵力。激振過程中，風冷機為激振器降溫防止激振器過熱燒毀。其中，激振器可產生頻率在1～3 500 Hz、幅值分布在1～70 kN之間的激振力。

圖3 激振器掃頻激勵激振系統

試驗中振器掃頻激勵的方法如下：將激勵頻帶設置為1～100 Hz，從1 Hz開始，對1～100 Hz的各個頻率分別進行40 s激振，當激勵信號的頻率增加到100 Hz后，結束上述掃頻激勵。此外，為了避免周邊施工活動產生的干擾，試驗在17:00即工人停止施工后開始。

2.2 量測設備

量測設備（圖4）包括振動傳感器及信號采集儀兩部分。其中振動傳感器采用941b型拾振器，信號采集儀采用東方所INV3062T（4采樣通道）及INV3062C型傳感器（8采樣通道），信號采集軟件采用與信號采集儀配套的DASP V11軟件。量測設備的相關參數如表1所示。

表1 量測設備參數

圖4 量測設備

2.3 測點布置及采樣參數設置

試驗中，假設激振器作為一個產生豎向振動的點振源，并假設試驗區域為一理想彈性半無限空間，則激振器產生的機械波可視為一球面波?？紤]到球面波對稱性，即其波面上的振動能量只與球心的距離有關，則距離激振器直線距離相等的測點應位于同一等相面，其振動信號應具有相同的振幅。

在此基礎上，將A1～A6共6個測點如圖5進行布置：測點A3與A4、A2與A5、A1與A6為分別位于以激振器為中心的同心圓上的三組測點，同心圓的半徑依次為13 m、53.5 m、61.5 m；此外，A1、A2、A3與激振器位于一條直線，而另外三點與激振器位于另一條直線上。此時，當無實驗大廳底板存在時，可以認為測點A3與A4位于同一等相面，測點A2與A5位于同一等相面，測點A1與A6位于同一等相面。

需指出，A1、A2號測點位于實驗大廳底板，用于衡量在激振器掃頻激勵下實驗大廳底板的微振動信號特征；A3～A6號測點則位于土體表面，用于評估掃頻激勵信號在土體中的振動情況，并作為參照測點評估實驗大廳防微振基礎的減振效果。測試過程中，各個測點均采集、方向的速度信號，各測點速度方向規定如圖5所示，取向為垂直地面方向，方向為激振器與測點連線方向。

圖5 激振器掃頻激勵中的測點布置 m

3 試驗結果與分析

整個激勵過程共持續4 000 s，采樣率設置為512 Hz。為驗證前述理想半無限空間的假定，首先將測點1～6在各方向上的頻譜曲線匯總于圖6中。圖6所示頻譜曲線中，A3與A4測點速度頻譜曲線幅值基本相同，但由于A1、A2兩點位于實驗大廳底板，受到底板微振動控制作用的影響，A1、A2點的振動信號頻譜幅值低于A6、A5點的振動信號頻譜幅值。此外，振動信號在傳遞過程中，近似按負指數規律進行衰減[22]，其在A5、A2處的衰減達到極限，因此A5與A6、A2與A1點的振動信號頻譜幅值基本接近。

圖6 各測點頻譜曲線

將掃頻激勵過程中測得各測點各方向的速度時程曲線匯總如圖7所示，并將測點各方向的速度時程曲線的峰值及峰值之比匯總于表2（表中比值均為兩方向均值），各測點振動信號方向的規定如前文所述。結合圖8和表2可以看出：

1）激振器在產生豎向振動激勵的同時，在土體中引起了由體波和面波所復合而成的波場。其中水平方向的振動信號來自于體波中的P波和SH波以及面波中的R波和L波，豎直方向的振動信號來自于體波中的SV波和面波中的R波和L波。因此，從A3、A4測點的速度時程曲線可以看出，激振器除了在產生豎向振動信號的同時，還在水平向產生了較為明顯的振動信號。

2）將與激振器距離相等的兩測點的速度時域信號對比，可以看出，雖然A1和A6、A2和A5與振源距離相同，但測試過程中A1、A2在、向上的速度時域信號峰值小于A5、A6在、向上的速度時域信號峰值，這表明A1、A2測點處實驗大廳底板在、方向上對微振動都有一定的控制作用。此外，測點A1與A2在向及A5與A6點在向的振動信號之比小于向的振動信號之比，表明底板在向發揮了良好的振動控制作用。

為進一步研究和分析底板對振動信號的影響，將激勵過程中測點A1、A2、A5、A6各方向振動信號的頻譜曲線總于圖8?？梢钥闯觯?/p>

1）向土體振動信號的幅值主要分布在10～50 Hz頻段內，向土體振動信號的幅值主要分布在10～35 Hz的頻段內，底板在這一頻段內振動信號的幅值明顯降低，表現出良好的振動控制效果。

2）總體來看，振動信號頻譜幅值曲線的幅值之比在A2點的向為 1/1.1～1/98.2，其中，在A1點的向為1/1.2～1/31.3，振動信號頻譜幅值曲線的幅值之比在A2點的向為 1/1.4～1/44.7，在A1點的向為1/1.5～1/32.4，底板在各個頻段均發揮了較好的振動控制作用。

表2 時域信號峰值對比

圖8 A1、A2、A5、A6各測點頻譜曲線對比

4 結 論

通過在現場進行1～100 Hz的激振器掃頻激勵試驗，采集了土體和實驗大廳底板測點處向和向的振動信號。試驗過程中，在邊界條件一致的情況下，在距離點振源距離相同的位置處，其向的振動水平相同向的振動水平也相同，表明場地滿足理想半無限空間的假定。進一步結合時程分析、頻譜分析，可得到如下結論：

1）實驗大廳混凝土底板在、兩個方向上均能發揮減小微振動幅值的作用，且振動信號幅值的減小程度在10%～90%。

2）激振器在、向均產生了較強的振動，但混凝土底板表面測得向和向的振動水平基本接近，表明混凝土底板在垂直地面方向具有較好的振動控制能力。

3）研究成果可為類似設施的建設及后續的運營提供參考。

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Micro Vibration Test and Analysis in Experiment Hall of Beijing High Energy Photon Source Facility Induced by Artificial Frequency Sweep Excitation

REN Jinlong1RONG Muning1XING Yunlin2ZHENG Ming3NIE Xin3FAN Jiansheng3LIU Yufei3

(1. Beijing Construction Engineering Group Co., Ltd., Beijing 100055, China; 2. China Electronics Engineering Design Institute, Beijing 100142, China; 3. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Micro vibration control is one of the most important goals in the construction of ultraprecise and large-scale scientific facilities. In order to meet the requirements for micro vibration control in High Energy Photo Source (HEPS), Beijing, a 1-meter-thick reinforced concrete slab with a 3-meter-thick concrete layer has been cast. The paper presented a field test of an artificial frequency sweep test from 1 to 100 Hz after the completion of the main structure in HEPS. Based on the analysis of the obtained vibration signals in the time domain and frequency domain, an evaluation of the micro vibration level and the micro vibration control capacity of the slab was conducted. The results indicated that under the vibrator’s excitation from 1 to 100 Hz, the mass concrete slab of experimental hall performed well in micro vibration control.

ultraprecise and large-scale scientific facilities; micro vibration controlling; vibrator frequency sweep excitation test; signal in time domain; signal in frequency domain

任錦龍, 榮慕寧, 邢云林, 等. 北京高能同步輻射光源實驗大廳在掃頻激勵下微振動水平的測試與分析[J]. 工業建筑, 2024, 54(1): 61-67. REN J L, RONG M N, XING Y L, et al. Micro Vibration Test and Analysis in Experiment Hall of Beijing High Energy Photon Source Facility Induced by Artificial Frequency Sweep Excitation[J]. Industrial Construction, 2024, 54(1): 61-67 (in Chinese).

10.3724/j.gyjzG23022008

*國家自然科學基金創新研究群體項目（52121005）。

任錦龍，教授級高級工程師，主要從事混凝土結構施工建造等技術研究。

樊健生，主要從事鋼-混凝土組合結構等研究，fanjsh@mail.tsinghua.edu.cn。

2023-02-20