江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

篩分樓是大型采礦、冶煉等工業(yè)廠區(qū)中不可或缺的建筑物，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提高發(fā)揮著巨大的作用。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)工業(yè)飛速發(fā)展，生產(chǎn)效率大幅度提高，篩分樓不斷引進(jìn)國(guó)外的一些大型、重型及強(qiáng)振動(dòng)的設(shè)備，且這些設(shè)備往往分布于不同樓層，在提高生產(chǎn)力的同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的擾力也急劇增大［1-2］。因此，如何快速、準(zhǔn)確的獲取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況及準(zhǔn)確評(píng)估振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響大小具有很重要的實(shí)際意義。

1 工程概況

某多層篩分樓為4 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，縱向?yàn)槲彘矫婵蚣?，每榀框架的柱距?m、7.5m。篩分樓標(biāo)高±0.000m處布置一臺(tái)輸送皮帶機(jī)機(jī)尾設(shè)備，標(biāo)高+4.200m 處布置2 臺(tái)刮板機(jī)設(shè)備，標(biāo)高+9.000m處布置兩臺(tái)篩分機(jī)，標(biāo)高+12.600m處有一臺(tái)輸送皮帶機(jī)機(jī)頭設(shè)備。投入使用二年后出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)問(wèn)題，主要為設(shè)備啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)水平方向振動(dòng)強(qiáng)烈及振源附近豎向振動(dòng)強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)工作人員的身體健康和工作效率以及結(jié)構(gòu)的安全。為了準(zhǔn)確評(píng)估振動(dòng)對(duì)篩分樓的影響及確保結(jié)構(gòu)的安全使用，應(yīng)對(duì)該廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試。

2 振動(dòng)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)試設(shè)備

各種試驗(yàn)儀器設(shè)備的連接關(guān)系如圖1 所示。

圖1 振動(dòng)測(cè)試設(shè)備連接關(guān)系

2.2 測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試內(nèi)容

在設(shè)備運(yùn)行工況下對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)主要布置在各層振源附近的梁、板、柱上，以獲取振動(dòng)設(shè)備的工作頻率和結(jié)構(gòu)上各測(cè)點(diǎn)的三向振動(dòng)響應(yīng)參數(shù)（位移、速度、加速度）；振動(dòng)特性主要在設(shè)備制動(dòng)工況下進(jìn)行測(cè)試，以獲取結(jié)構(gòu)的自振頻率。各測(cè)點(diǎn)布置如圖2、3 所示。

圖2 標(biāo)高+9.000m 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

圖3 標(biāo)高+12.600m 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

3 動(dòng)力測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 振動(dòng)特性測(cè)試結(jié)果

由于篩分廠房的結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)雜性，本次測(cè)試采用自由振動(dòng)衰減法（振動(dòng)設(shè)備的制動(dòng)）獲取廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率和結(jié)構(gòu)阻尼比，通過(guò)設(shè)備制動(dòng)工況下各測(cè)點(diǎn)的自由衰減時(shí)程曲線，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的自振頻率，然后取平均值。按此方法計(jì)算的結(jié)構(gòu)第一階自振頻率為f=1.258Hz，沿橫向，第二階為1.324，沿縱向。

3.2 動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，限于篇幅原因，只給出具有代表性的測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線和頻譜曲線，如下圖4、5 所示：

圖4 測(cè)點(diǎn)1 Z 向加速度時(shí)程曲線及功率譜

圖5 測(cè)點(diǎn)3 Z 向加速度時(shí)程曲線及功率譜

3.3 振動(dòng)原因分析

多層工業(yè)廠房異常振動(dòng)的主要原因有兩種：一是動(dòng)力設(shè)備的擾頻與廠房整體或局部構(gòu)件的主要自振頻率接近，從而引發(fā)共振；二是結(jié)構(gòu)因自身剛度不足，在動(dòng)力設(shè)備擾力作用下發(fā)生劇烈受迫振動(dòng)［3］。

采用SAP2000 有限元軟件建立標(biāo)高+9.000 m 樓板模型，進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算得出樓蓋的各階頻率如下表1 所示，振型如圖6、7 所示。

圖6 一階振型

圖7 三階振型

表1 樓板模型前十階頻率參數(shù) Hz

通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)受迫頻率為13.8Hz左右，這與振動(dòng)篩的工作頻率13.2Hz 接近，具有受迫振動(dòng)的特性。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，標(biāo)高+9.000m 樓板的前幾階頻率在10.2～15.8Hz之間；通過(guò)分析樓蓋各階振型，發(fā)現(xiàn)前幾階振型主要出現(xiàn)在振源附近區(qū)域，說(shuō)明振源區(qū)域的梁板剛度偏弱，振動(dòng)容易被激發(fā)，這主要是因?yàn)椴贾迷O(shè)備的樓層往往會(huì)有較大開洞，削弱樓板的剛度；樓板厚度設(shè)計(jì)不足，僅為100mm 不符合“樓板厚度宜采用板跨度的1/15～1/18，且不宜小于120mm”［4］的規(guī)定。當(dāng)振動(dòng)設(shè)備工作時(shí)振源頻率與樓蓋的頻率會(huì)出現(xiàn)接近的情況，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)樓板的豎向共振，產(chǎn)生較大的響應(yīng)。

對(duì)于結(jié)構(gòu)水平方向的振動(dòng)，由于水平方向的頻率與振源頻率相差較遠(yuǎn)，較好的避開了共振禁區(qū)，因而未出現(xiàn)明顯的連續(xù)性振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，振源頻率為0～13.2Hz，會(huì)跨越結(jié)構(gòu)自振頻率，勢(shì)必發(fā)生共振，這是引起結(jié)構(gòu)水平方向短時(shí)間強(qiáng)烈振動(dòng)主要原因。由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的偏心輪在共振區(qū)持續(xù)時(shí)間很短，混凝土結(jié)構(gòu)本身是有阻尼的，且振動(dòng)設(shè)備每天開啟與關(guān)閉的次數(shù)很少，因此，該振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可不考慮。

4 振動(dòng)評(píng)價(jià)

異常的結(jié)構(gòu)振動(dòng)不僅會(huì)降低作業(yè)人員的舒適度、損害人體健康，還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性［5］。因此振動(dòng)的評(píng)價(jià)主要從對(duì)人體的影響和對(duì)結(jié)構(gòu)的影響展開。

4.1 振動(dòng)對(duì)人的影響

長(zhǎng)期處于振動(dòng)環(huán)境中的人體，對(duì)振動(dòng)作用會(huì)表現(xiàn)出不舒服、煩躁、惡心、頭暈和疲勞等，影響人的工作效率和熟練程度，并可能對(duì)身體健康造成危害［6］。

主要依據(jù)《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》［7］進(jìn)行評(píng)價(jià)，振動(dòng)對(duì)操作人員的響評(píng)價(jià)時(shí)間根據(jù)車間工作時(shí)間制度取8h 進(jìn)行。對(duì)各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)加速度值進(jìn)行倍頻程分析，獲取各測(cè)點(diǎn)的計(jì)權(quán)加速度級(jí)幅值。如下表2 所示。

表2 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)幅值

4.2 振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

振動(dòng)對(duì)建筑物的影響有大有小，其表現(xiàn)形式為墻皮剝落、墻皮龜裂、地板裂縫、基礎(chǔ)變形或下沉、建筑物變形扭曲等，極嚴(yán)重者以至于倒塌［8］。

主要依據(jù)《日本煙中元弘歸納的建筑物振動(dòng)限值》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，取建筑物振動(dòng)位移最大幅值為0.406mm，振動(dòng)速度最大幅值為10mm/s，振動(dòng)加速度最大幅值0.102g=1.0 m/s2作為振動(dòng)大小的判斷界限。正常運(yùn)行工況下超限測(cè)點(diǎn)響應(yīng)值如下表3 所示。

表3 超過(guò)振動(dòng)允許限值測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

由以上數(shù)據(jù)分析可知，各測(cè)點(diǎn)豎向加速度均超限，且部分測(cè)點(diǎn)加速度值很大。負(fù)載運(yùn)行時(shí)標(biāo)高+9.000m 的樓板、梁的豎向振動(dòng)強(qiáng)烈，這與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的結(jié)果比較吻合。過(guò)大的振動(dòng)會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和使用性造成嚴(yán)重影響。

總而言之，該車間的振動(dòng)無(wú)論是對(duì)結(jié)構(gòu)的安全還是人體的健康，都已經(jīng)造成了嚴(yán)重的影響，有必要對(duì)該車間進(jìn)行加固，使振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)、人體的影響降低到合理范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論與建議

（1）布置中頻振動(dòng)設(shè)備的篩分樓，振源層樓蓋容易出現(xiàn)強(qiáng)烈的豎向振動(dòng)，且該振動(dòng)具有受迫振動(dòng)和局部高階共振的特性。

（2）布置中頻振動(dòng)設(shè)備的篩分樓，振動(dòng)設(shè)備工作時(shí)，結(jié)構(gòu)水平向的持續(xù)性振動(dòng)一般很小。當(dāng)振動(dòng)篩啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)振源頻率會(huì)跨越結(jié)構(gòu)水平方向的頻率而引發(fā)共振，出現(xiàn)短暫的強(qiáng)烈振動(dòng)。由于共振發(fā)生的時(shí)間很短，因此該振動(dòng)結(jié)構(gòu)和人體的影響可忽略不計(jì)。

（3）采用“兩參數(shù)法”（振動(dòng)對(duì)人體的影響、振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響）評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響，可以更直觀、準(zhǔn)確的了解振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響程度。此法對(duì)于我國(guó)工業(yè)廠房振動(dòng)問(wèn)題的評(píng)估，具有很重要的指導(dǎo)意義。

（4）對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試，能夠快速、準(zhǔn)確的了解結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)狀態(tài)，可以為后續(xù)的評(píng)估和振動(dòng)控制提供依據(jù)。