振動計算在工業(yè)建筑中的應(yīng)用研究

韓 旭

振動計算在工業(yè)建筑中的應(yīng)用研究

韓 旭

針對工業(yè)建筑樓層上動力機(jī)器所帶來的振動問題,結(jié)合實(shí)際工程背景,分析了結(jié)構(gòu)振動計算的一些簡便方法,并對計算中所遇到的問題作以總結(jié),以期為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

振動計算,結(jié)構(gòu)基頻,擾力,振動速度

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

針對上述問題,結(jié)合實(shí)際的工程背景,具體分析建筑結(jié)構(gòu)工程中一些簡單實(shí)用的振動計算方法,并作以總結(jié),對于解決樓層上動力機(jī)器所帶來的振動問題具有重要意義。

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。為了滿足工藝管道專業(yè)對于樓板開洞及預(yù)埋件布置的要求,并盡量合理進(jìn)行梁布置,以達(dá)到建立簡單的振動力學(xué)分析模型的效果,電機(jī)動、靜荷載作用于 8m跨度的框架梁上,離心機(jī)主機(jī)的動、靜荷載作用于一級次梁上,次梁鉸接于 9.3m跨度的框架梁上。

2 振動計算

2.1 計算參數(shù)

結(jié)構(gòu)工程振動計算的主要目的在于反映工程振動的真實(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),因此在計算中要比較準(zhǔn)確地掌握相關(guān)計算資料,參數(shù)的取值要盡量符合實(shí)際情況,將計算結(jié)果和真實(shí)振動狀態(tài)的誤差降至最低。進(jìn)行樓層上振動計算應(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)時的擾力及分布。

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

2.2 兩端剛接彈性支座均質(zhì)梁振動計算

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問題。

1)集中質(zhì)量簡化均布質(zhì)量。

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

2)自由振動計算。

第i陣型結(jié)構(gòu)基頻：

就工程實(shí)際而言,應(yīng)考慮前三個陣型跨中及 1/4點(diǎn)處的振動情況,但是通過經(jīng)驗(yàn)分析對于跨中點(diǎn)前三個陣型的振動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,故簡便計算中可僅考慮第一陣型跨中處振動,第一陣型具有主導(dǎo)作用。

振動速度的限值可參見文獻(xiàn)[2]附錄B中確定。

由動力學(xué)理論可知,有兩個因素控制著結(jié)構(gòu)的振動：一個是結(jié)構(gòu)自身基頻;另一個是對結(jié)構(gòu)施加的擾力源。對于遠(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)過程中會穿越共振區(qū),故設(shè)計中應(yīng)盡量滿足趨于共振前這一原則[3]。

對于所涉及的工程,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,則梁斷面取值過大,不能滿足工藝管道對于結(jié)構(gòu)凈空的要求,也不能滿足結(jié)構(gòu)對于強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計理念。此外,梁柱連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角,也會嚴(yán)重影響計算的準(zhǔn)確性。故對于該框架梁的設(shè)計使其趨于共振后,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速度未超限的情況下需滿足盡量使結(jié)構(gòu)基頻最大化的原則,以抵抗機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中穿越共振區(qū)時所帶來的不利影響,同時需要考慮同層樓板上作用機(jī)器數(shù)量所帶來的振動速度的放大。

2.3 兩端簡支彈性支座均質(zhì)梁振動計算

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

對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)梁振動計算中所遇到的由于機(jī)器頻率大于結(jié)構(gòu)基頻而導(dǎo)致趨于共振后的問題,為滿足盡量使結(jié)構(gòu)基頻最大化的原則,一級次梁兩端增加支座負(fù)筋,并通過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,提高抵抗振動的能力。

3 結(jié)語

1)對于簡支梁,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)角所帶來的結(jié)構(gòu)基頻降低因素。3)對于鋼筋混凝土樓板來說,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即可。4)工程設(shè)計中經(jīng)常遇到先發(fā)基礎(chǔ)圖的情況,因此,在應(yīng)用結(jié)構(gòu)計算軟件建立模型時應(yīng)預(yù)先考慮振動計算,加大梁柱截面。5)對于機(jī)器頻率大于結(jié)構(gòu)基頻的情況,也應(yīng)在滿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)振動問題受理論、外專業(yè)條件、實(shí)際情況復(fù)雜等諸多因素影響,很難精確計算,所以要事先估計可能發(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)了振動超限問題,可以通過加設(shè)支撐來彌補(bǔ)。7)振動機(jī)器下的支撐梁布置應(yīng)合理,便于建立簡化計算模型。8)當(dāng)結(jié)構(gòu)布局嚴(yán)重不利于抗振設(shè)計時,應(yīng)主動向上游專業(yè)提出,更改布置方案。

[1]邱德修,樊開儒.多層工業(yè)廠房的振動問題分析[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)振動計算與抗振措施[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,中國天辰工程有限公司,天津 300400