結構設計中的動力機器基礎分析

□□李成峰，田敬淼

結構設計中的動力機器基礎分析

Foundation Analysis for Motive Power Machine in Structure Design

□□李成峰1，田敬淼2

動力機器基礎的設計是建筑工程中的一項復雜的問題，其特點是機器運轉時會產生較大不平衡慣性力，根據機器對基礎的作用特征，所以稱為動力機器。

1 動力機器的分類

動力機器常按對基礎的動力作用形式分為以下兩類：

1.1 周期性作用的機器

（1）往復運動的機器，例如活塞式壓縮機等，它們的特點是平衡性差，振幅大，而且由于轉速低，有可能引起附近建筑物或其中部分構件的共振。

（2）旋轉運動的機器：例如電機，汽輪機組及風機等，汽輪機組的特征一般是工作頻率高，平衡性能好和振幅小。

1.2 間歇性作用或沖擊作用的機器

2 動力機器基礎的結構類型

動力機器基礎的結構類型主要有實體式、墻式及框架式三種:

（1）實體式基礎，通常作成剛度很大的鋼筋混凝土塊體，因而可按地基上的剛體進行振動計算；

（2）墻式基礎則由承重的縱、橫向墻組成；

（3）框架式基礎一般用于平衡性較好的高頻機器，其上部結構是由固定在一塊連續底板或可靠基巖上的立柱以及立柱上端剛性連接的縱、橫梁組成的彈性體系，因而可按框架結構計算。

3 動力機器基礎設計的要求

動力機器的動荷載必然會引起地基及基礎的振動，從而可能產生不良影響，如降低地基土的強度并增加基礎的沉降量，影響正常生產，機器零件易于磨損，因此動力機器基礎設計應滿足下列基本要求：

（1）地基和基礎不應產生影響機器正常實用的變形；

（2）基礎本身應具有足夠的強度、剛度和耐久性；

（3）基礎不產生影響工人身體健康及妨礙機器正常運轉和造成建筑物開裂和破壞的劇烈振動；

（4）基礎的振動不應影響鄰近建筑物、構筑物或儀器設備等的正常使用；基礎應與廠房結構或其他構筑物基礎分開;當基礎埋置深度相同時，其凈距不宜小于100mm；當振動管線擱置在建筑物上時，應采取可靠的防振措施,防止廠房及平臺受壓縮機基礎的影響。

4 動力機器基礎設計

4.1 動力機器基礎設計時應具備的工藝資料

（1）機器的型號、轉速、功率、規格及輪廓尺寸圖等；

（2）機器自重及中心的位置；

（3）機器底座外廓圖、輔助設備、管道位置和坑、溝、孔洞尺寸和灌漿層厚度、地腳螺栓和預埋件的位置等；

（4）機器的擾力和擾力矩及其方向；

（5）基礎的位置及其鄰近建筑物的基礎圖；

（6）建筑場地的地質勘察資料及地基動力試驗資料;

（7）對于磨機基礎設計尚應具備以下資料：

a磨機、電機和減速器的相互位置及傳動的方式；

b磨機內碾磨體及物料的總重；

c磨機筒體中心線距基礎面的距離（磨機的墻式和大塊式可不進行動力計算）。

4.2 荷載取值

設計動力機器基礎的荷載取值應符合下列規定：

（1）當進行靜力計算時，荷載應采用設計值；

（2）當進行動力計算時，荷載應采用標準值。

4.3 基礎埋深

基礎的埋置深度及尺寸一般要根據地質資料、廠方基礎及管溝埋深等條件綜合確定?；A的外形尺寸一般根據制造廠提供的機器輪廊尺寸及附件、管溝等的布置加以確定，同時還須滿足基礎整體剛度方面的構造要求。

4.4 校核地基承載力

振動作用下地基土的抗剪強度的降低幅度與振幅、頻率及振動加速度有關。一般來說，振動越強烈地基土的強度降低也就越多。由于地基土在動荷作用下抗剪強度有所降低，并出現附加沉降，因而地基承載力設計值應予以折減。這樣，設計機器基礎時應滿足下列條件：

式中：αf——動力折減系數

對曲柄連桿機器，其振幅雖較大，但頻率低，因此不須折減，即αf=1.0；

對汽輪機組與電機，因為它們具有對沉降敏感的轉動長軸，故取αf=0.8；

鍛錘基礎一般有較大的附加沉降（因沖擊振動大），須作較大的折減，其折減系數詳見具體規范規定；

對其他振動加速度較小的機器基礎，一般可取αf=1.0。

4.5 基礎偏心計算

基礎設計時應力求使基組（包括機器、基礎和基礎底板上的附屬設備及填土）重心與基礎底面形心位于同一垂直線上，當不在同一垂直線上時，兩者之間的偏心距和平行偏心方向基底邊長的比值不應超過下列限值：

（1）對汽輪機組和電機基礎為3%；

（2）對金屬切削機床基礎以外的一般機器基礎：

當地基承載力標準值fk≤150kPa時為3%；

當地基承載力標準值fk＞150kPa時為5%。

4.6 動力計算

進行動力計算，這個是動力機器基礎設計的關鍵，其內容為確定固有頻率（自振頻率）的振動量（位移、速度或加速度的幅值等），并控制這些振動量不超過一定的允許范圍。對大多數動力機器基礎而言，主要是控制振幅值和速度值，而對振動能量較大的動力基礎，則還須控制加速度值。

對實體式基礎的振動計算，目前主要的理論有兩種：（1）質量-彈簧模型理論以及改善過的質量-彈簧-阻尼器模型理論；（2）剛體-半空間模型理論（簡稱半空間理論）。

質量-彈簧模型理論把實際的機器、基礎和地基體系的振動問題簡化為放在無質量的彈簧上的剛體的振動問題，其中基組（包括基礎、基礎上的機器和附屬設備，以及基礎臺階上的土）假定為剛體，地基土的彈性作用以無質量彈簧的反力表示，這種理論也稱為動力機床系數法。后來為了考慮共振區的振動特性，又在此基礎上加一新的元件——阻尼器，從而形成了質量-彈簧-阻尼器模型，阻尼器所具有的粘滯阻力反映了振動時體系所受的地基阻尼作用；質量-彈簧-阻尼器模型中的質量M通常取為基組的質量m，但有時也包括了基礎下面一部分地基土的質量，此種理論的關鍵是如何正確確定振動體系的質量m,剛度K及阻尼系數N。

剛體-半空間理論的計算模型是把地基視為半空間（半無限連續體）、基礎作為半空間上的剛體的一種模型。機器基礎的振動就是以這個剛體的振動表示。利用動力彈性理論分析地基中波的傳播，由數學分析法或數值法求出基礎與基底上的動應力。利用這種動應力就可以確定剛體的運動方程，從而可以確定基礎的振動狀態。

實體基礎的振動可分解為相互獨立的三種運動：a沿OZ軸的豎向振動；b在XZ及YZ平面內的水平回轉耦合振動；c繞OZ軸的扭轉振動。此三種振動可以分開計算，然后疊加。

根據計算結果驗算基礎與機器發生共振的可能性，使其滿足：

1.25＜基礎自振頻率/擾力頻率＜0.75的要求。

在設計中必須嚴格遵循《動力機器基礎設計規范》（GB 50040-96）及相應動力機器基礎設計規范的有關規定，根據機器的布置、動力特性、制造廠商提供的數據及要求、巖土工程條件、生產和工藝對壓縮機基礎的技術要求等因素，選擇有關動力參數和基礎形式。

4.7 構造規定

（1）邊緣至基礎邊緣的距離不宜小于100mm。除鍛錘基礎以外，在機器底座下應預留二次灌漿層，基厚度不宜小于25mm。二次灌漿層應在設備安裝就位并初調后，用微膨脹混凝土填充密實，且與混凝土基礎面結合。

（2）動力機器基礎底腳螺栓的設置應符合下列規定：

a底腳螺栓的埋置深度不應小于20倍螺栓直徑，帶錨板地腳螺栓的埋置深度不應小于15位螺栓直徑。

b底腳螺栓軸線距基礎邊緣不應小于4倍螺栓直徑，預留孔邊距基礎邊緣不應小于100mm，當不能滿足要求時，應采取加強措施。

c預埋底腳螺栓底面小的混凝土凈厚度不應小于50mm，當為預留孔時，則孔底面下的混凝土凈厚度不應小于100mm。

（3）動力機器基礎的混凝土強度等級不宜低于C15，對按構造要求設計的或不直接承受沖擊力的大塊式或墻式基礎，混凝土的強度等級可采用C10。

（4）動力機器基礎的鋼筋宜采用Ⅰ、Ⅱ級鋼筋，不宜采用冷軋鋼筋。受沖擊力較大的部位，宜采用熱軋變形鋼筋。鋼筋連接不宜采用焊接接頭。

（5）重要的或對沉降有嚴格要求的機器，應在其基礎上設置永久的沉降觀測點，并應在設計圖紙中注明要求。在基礎施工、機器安裝及運行過程中應定期觀測，作好記錄。

總之,對于動力機器的設計主要是要減少振源的振動，調整建筑物或構筑物的結構剛度，改變系統的固有頻率以避免共振；采用減振裝置和隔振措施，避免振動對車間和設備的損壞，以保證生產的正常運行。

[1]中華人民共和國機械工業部.動力機器基礎設計規范[M].北京：中國計劃出版社，1997.

[2]楊位洸.地基及基礎[M].北京：中國建筑工業出版社，1988.

TU470.3

A

1001-6171(2010)06-0048-02

通訊地址：1中材國際工程股份有限公司，北京 100102；2天津水泥工業設計研究院有限公司，天津 300400；

2010-04-26；

呂 光