韓 旭

振動(dòng)計(jì)算在工業(yè)建筑中的應(yīng)用研究

韓 旭

針對(duì)工業(yè)建筑樓層上動(dòng)力機(jī)器所帶來(lái)的振動(dòng)問(wèn)題,結(jié)合實(shí)際工程背景,分析了結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算的一些簡(jiǎn)便方法,并對(duì)計(jì)算中所遇到的問(wèn)題作以總結(jié),以期為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

振動(dòng)計(jì)算,結(jié)構(gòu)基頻,擾力,振動(dòng)速度

伴隨我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,工業(yè)廠(chǎng)房建設(shè)迅猛增長(zhǎng),按照工藝要求并本著節(jié)約土地的原則,設(shè)置在樓層上的動(dòng)力機(jī)器越來(lái)越多。如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)合理的抗振設(shè)計(jì),使得振動(dòng)超過(guò)了允許限值,不但影響了正常的生產(chǎn)活動(dòng),對(duì)生產(chǎn)人員的身心健康也造成嚴(yán)重威脅[1]。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,振動(dòng)計(jì)算過(guò)于繁瑣,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員往往不清楚計(jì)算的力學(xué)模型,對(duì)于振動(dòng)計(jì)算的方法模糊不清,甚至僅將荷載以靜力輸入,造成了計(jì)算結(jié)果的較大誤差。

針對(duì)上述問(wèn)題,結(jié)合實(shí)際的工程背景,具體分析建筑結(jié)構(gòu)工程中一些簡(jiǎn)單實(shí)用的振動(dòng)計(jì)算方法,并作以總結(jié),對(duì)于解決樓層上動(dòng)力機(jī)器所帶來(lái)的振動(dòng)問(wèn)題具有重要意義。

1 工程背景

山西某化工項(xiàng)目干燥工段,廠(chǎng)房主體總高 22.5m,共 3層,其中 1層高 6m,2層高 9.5m,3層高 7m。在第二層樓板上座三臺(tái)相同規(guī)格的離心機(jī),機(jī)器轉(zhuǎn)速較高(2 000 r/min以上),機(jī)器質(zhì)量較大(10 t/單臺(tái)以上),且離心機(jī)布置位置集中,布置區(qū)間梁跨度較大。為了滿(mǎn)足工藝管道專(zhuān)業(yè)對(duì)于樓板開(kāi)洞及預(yù)埋件布置的要求,并盡量合理進(jìn)行梁布置,以達(dá)到建立簡(jiǎn)單的振動(dòng)力學(xué)分析模型的效果,電機(jī)動(dòng)、靜荷載作用于 8m跨度的框架梁上,離心機(jī)主機(jī)的動(dòng)、靜荷載作用于一級(jí)次梁上,次梁鉸接于 9.3m跨度的框架梁上。

2 振動(dòng)計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)

結(jié)構(gòu)工程振動(dòng)計(jì)算的主要目的在于反映工程振動(dòng)的真實(shí)狀態(tài),保障生產(chǎn)人員安全及設(shè)備、儀表的正常運(yùn)轉(zhuǎn),因此在計(jì)算中要比較準(zhǔn)確地掌握相關(guān)計(jì)算資料,參數(shù)的取值要盡量符合實(shí)際情況,將計(jì)算結(jié)果和真實(shí)振動(dòng)狀態(tài)的誤差降至最低。進(jìn)行樓層上振動(dòng)計(jì)算應(yīng)取得如下資料：1)機(jī)器的轉(zhuǎn)速、功率及外輪廓;2)機(jī)器的質(zhì)量及荷載分布;3)機(jī)器生產(chǎn)時(shí)的擾力及分布。

振動(dòng)設(shè)備的擾力應(yīng)由機(jī)器制造廠(chǎng)家提供,一般提供縱、橫和豎向三個(gè)方向上的擾力值[2]。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)不允許超過(guò)限值,允許振動(dòng)限值應(yīng)由機(jī)器制造廠(chǎng)家提供,當(dāng)制造廠(chǎng)不能提供時(shí),主要是控制豎向和水平向振動(dòng)速度,可參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]附錄B確定。梁支座連接的假定對(duì)振動(dòng)計(jì)算結(jié)果影響顯著。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu),梁與柱的連接設(shè)計(jì)為剛接,主、次梁的連接為半剛接半鉸接狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)基頻超過(guò)機(jī)器頻率趨于共振前時(shí),采用鉸接對(duì)抗振有利;當(dāng)結(jié)構(gòu)基頻低于機(jī)器頻率趨于共振后時(shí),采用剛接對(duì)抗振有利。振動(dòng)計(jì)算時(shí),廠(chǎng)房樓面活荷載取值一般難以確定。工藝、管道專(zhuān)業(yè)所定的活荷載值可用于結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算,用于振動(dòng)計(jì)算則偏大。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)趨于共振前時(shí),活荷載取 0.5 kN/m2;當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)趨于共振后時(shí),活荷載取 1.0 kN/m2。

2.2 兩端剛接彈性支座均質(zhì)梁振動(dòng)計(jì)算

此方法可分析兩端支座相同的均質(zhì)框架梁在擾力作用下的振動(dòng)問(wèn)題。

1)集中質(zhì)量簡(jiǎn)化均布質(zhì)量。

計(jì)算均布質(zhì)量時(shí)應(yīng)仔細(xì)推敲計(jì)算參數(shù),對(duì)于樓面恒荷、活荷、支撐梁承擔(dān)的樓面荷載寬度及梁自重等應(yīng)計(jì)算準(zhǔn)確。位于樓面上的梁考慮樓板的作用在計(jì)算剛度時(shí)應(yīng)乘以放大系數(shù),該系數(shù)隨板厚、梁尺寸及樓板開(kāi)洞變化而調(diào)整。

2)自由振動(dòng)計(jì)算。

第i陣型結(jié)構(gòu)基頻：

就工程實(shí)際而言,應(yīng)考慮前三個(gè)陣型跨中及 1/4點(diǎn)處的振動(dòng)情況,但是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析對(duì)于跨中點(diǎn)前三個(gè)陣型的振動(dòng)速度累加和比第一陣型增大很少,而 1/4點(diǎn)處陣型累加和比第一陣型增大很多但仍比跨中要小,故簡(jiǎn)便計(jì)算中可僅考慮第一陣型跨中處振動(dòng),第一陣型具有主導(dǎo)作用。

振動(dòng)速度的限值可參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]附錄B中確定。

由動(dòng)力學(xué)理論可知,有兩個(gè)因素控制著結(jié)構(gòu)的振動(dòng)：一個(gè)是結(jié)構(gòu)自身基頻;另一個(gè)是對(duì)結(jié)構(gòu)施加的擾力源。對(duì)于遠(yuǎn)離共振區(qū)有兩種情況,若結(jié)構(gòu)基頻高于機(jī)器頻率則不可能發(fā)生共振,這是比較安全的;若結(jié)構(gòu)基頻低于機(jī)器頻率則機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)穿越共振區(qū),故設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量滿(mǎn)足趨于共振前這一原則[3]。

對(duì)于所涉及的工程,離心機(jī)的電機(jī)座于框架梁上,機(jī)器的轉(zhuǎn)速較高,機(jī)器頻率較大,若通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基頻達(dá)到趨于共振前,則梁斷面取值過(guò)大,不能滿(mǎn)足工藝管道對(duì)于結(jié)構(gòu)凈空的要求,也不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)對(duì)于強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)理念。此外,梁柱連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角,也會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。故對(duì)于該框架梁的設(shè)計(jì)使其趨于共振后,這樣既可以大幅度減小梁斷面,也可以盡量避免梁柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的影響,因?yàn)榭紤]轉(zhuǎn)角因素會(huì)使得結(jié)構(gòu)基頻進(jìn)一步降低,更加遠(yuǎn)離共振區(qū)。但是仍要注意在振動(dòng)速度未超限的情況下需滿(mǎn)足盡量使結(jié)構(gòu)基頻最大化的原則,以抵抗機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中穿越共振區(qū)時(shí)所帶來(lái)的不利影響,同時(shí)需要考慮同層樓板上作用機(jī)器數(shù)量所帶來(lái)的振動(dòng)速度的放大。

2.3 兩端簡(jiǎn)支彈性支座均質(zhì)梁振動(dòng)計(jì)算

此方法可分析兩端支座相同的一級(jí)次梁在擾力作用下的振動(dòng)問(wèn)題,離心機(jī)主機(jī)座于一級(jí)次梁上。均布質(zhì)量、自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)的計(jì)算方法與兩端剛接彈性支座均質(zhì)梁振動(dòng)計(jì)算方法基本相同僅是計(jì)算陣型的方法不同,這里不再贅述。

對(duì)于所涉及的工程仍然遇到了前面兩端剛接彈性支座均質(zhì)梁振動(dòng)計(jì)算中所遇到的由于機(jī)器頻率大于結(jié)構(gòu)基頻而導(dǎo)致趨于共振后的問(wèn)題,為滿(mǎn)足盡量使結(jié)構(gòu)基頻最大化的原則,一級(jí)次梁兩端增加支座負(fù)筋,并通過(guò)加大樓板鋼筋盡量限制主梁扭轉(zhuǎn)的方法增大結(jié)構(gòu)基頻,提高抵抗振動(dòng)的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于簡(jiǎn)支梁,僅增加梁支座負(fù)筋很難有效達(dá)到增加結(jié)構(gòu)基頻的效果,應(yīng)相應(yīng)增加樓板支座鋼筋,有利于主梁抗扭轉(zhuǎn)。2)框架梁剛接于框架柱要適當(dāng)考慮梁端轉(zhuǎn)角所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)基頻降低因素。3)對(duì)于鋼筋混凝土樓板來(lái)說(shuō),樓板和梁連接為整體,在橫向具有較大的剛度,一般情況下梁僅考慮豎向振動(dòng)即可。4)工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到先發(fā)基礎(chǔ)圖的情況,因此,在應(yīng)用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立模型時(shí)應(yīng)預(yù)先考慮振動(dòng)計(jì)算,加大梁柱截面。5)對(duì)于機(jī)器頻率大于結(jié)構(gòu)基頻的情況,也應(yīng)在滿(mǎn)足限值的條件下適當(dāng)加大樓板及梁剛度,不要一味降低結(jié)構(gòu)基頻。6)振動(dòng)問(wèn)題受理論、外專(zhuān)業(yè)條件、實(shí)際情況復(fù)雜等諸多因素影響,很難精確計(jì)算,所以要事先估計(jì)可能發(fā)生的破壞情況,研究預(yù)防措施,比如在柱側(cè)及梁底布置預(yù)埋鐵,一旦機(jī)器運(yùn)行出現(xiàn)了振動(dòng)超限問(wèn)題,可以通過(guò)加設(shè)支撐來(lái)彌補(bǔ)。7)振動(dòng)機(jī)器下的支撐梁布置應(yīng)合理,便于建立簡(jiǎn)化計(jì)算模型。8)當(dāng)結(jié)構(gòu)布局嚴(yán)重不利于抗振設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)主動(dòng)向上游專(zhuān)業(yè)提出,更改布置方案。

[1]邱德修,樊開(kāi)儒.多層工業(yè)廠(chǎng)房的振動(dòng)問(wèn)題分析[J].工業(yè)建筑,2010(S1)：4-9.

[2]張榮山,張震華,顧整蒙.建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算與抗振措施[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2010.

[3]李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,1996.

Research on app lication of vibration calculation in industrial buildings

HAN Xu

According to the vibration problems caused by the dynamicmachine in floors of the industrial buildings,the paper,combining with the engineering background,analyzes some briefmethods for the structural vibration calcu lation,and sums up the prob lems in the calcu lation process,so as to accumu late the precious experience for structural design personnel.

vibration calculation,structural basement,interrupting force,vibration speed

TU27

A

1009-6825(2011)03-0038-02

2010-10-09

韓 旭(1983-),男,工程師,中國(guó)天辰工程有限公司,天津 300400