某工業(yè)廠房振動(dòng)實(shí)測(cè)研究及減振加固方案設(shè)計(jì)

O杜小軍（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司 內(nèi)蒙古 014010）

某工業(yè)廠房振動(dòng)實(shí)測(cè)研究及減振加固方案設(shè)計(jì)

O杜小軍
（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司 內(nèi)蒙古 014010）

神華鄂爾多斯煤制油分公司廠房二層局部樓面長(zhǎng)期處于動(dòng)力振動(dòng)狀態(tài)，混凝土持續(xù)疲勞工作，致使該處樓板產(chǎn)生明顯穿透性裂縫，不僅威脅到設(shè)備的正常使用，更關(guān)乎到整體廠房結(jié)構(gòu)的安全及工作人員的人身安全，結(jié)構(gòu)安全問題已不容忽視。因此，該廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題亟待解決。本文對(duì)該廠房結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)備進(jìn)行了實(shí)際振動(dòng)測(cè)試，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了動(dòng)力分析，并提出了相應(yīng)的減振加固方案設(shè)計(jì)建議。

工業(yè)廠房；振動(dòng)測(cè)試；減振加固方案設(shè)計(jì)

1.問題的提出

神華鄂爾多斯煤制油分公司催化劑制備裝置煤制漿廠房是煤制漿主要設(shè)備安裝廠房。該廠房建于2005年，結(jié)構(gòu)型式為框架結(jié)構(gòu)。廠房主體結(jié)構(gòu)一層，帶局部二層，一層層高7．970m，破碎機(jī)平臺(tái)位于局部二層處，局部二層層高為3．04m，一層結(jié)構(gòu)平面尺寸為23．55m×9m，柱間距為8．0m、9．0m，主要框架柱截面尺寸1100mm×900mm，主梁截面尺寸300mm×900mm，400mm×1000mm；樓板厚度為110mm。結(jié)構(gòu)所用材料：混凝土采用C40，鋼筋采用HPB235、HRB335、HRB400。

該廠房?jī)?nèi)有一條煤制漿生產(chǎn)線，安裝有一臺(tái)溢流磨、一臺(tái)破碎機(jī)，一臺(tái)螺旋給料機(jī)三臺(tái)主要設(shè)備，其中溢流磨和螺旋給料機(jī)安裝于一層7．970m，破碎機(jī)安裝于局部二層3．04m之上，在生產(chǎn)線投用以來，安裝破碎機(jī)的局部二層3．04m平臺(tái)以及溢流磨一層7．970m樓板振動(dòng)一直過大，其中在破碎機(jī)西側(cè)一層控制柜操作間地面正常振動(dòng)達(dá)0．479mm，溢流磨控制柜操作間地面也達(dá)到0．384mm，嚴(yán)重影響水泥樓板及墻面的安全。

2.振動(dòng)實(shí)測(cè)及分析

(1)測(cè)試準(zhǔn)備

為徹底解決該廠房樓板振動(dòng)問題，2012年邀請(qǐng)西安建筑科技大學(xué)雷怡生教授團(tuán)隊(duì)對(duì)樓板振動(dòng)采用系統(tǒng)的測(cè)試方法進(jìn)行實(shí)測(cè)診斷。測(cè)站布置：在廠房一層及局部二層處，樓梯間附近。

1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于破碎機(jī)平臺(tái)電動(dòng)機(jī)旁，分別布置垂直于電動(dòng)機(jī)方向、平行于電動(dòng)機(jī)方向和鉛垂方向三個(gè)拾振器。

2號(hào)測(cè)點(diǎn)位于工作室樓板層、破碎機(jī)平臺(tái)的下方，分別布置平行于電動(dòng)機(jī)方向和鉛垂方向兩個(gè)拾振器。

根據(jù)測(cè)試得到的拾振器的響應(yīng)幅值，對(duì)照有關(guān)規(guī)范，對(duì)樓板的不良振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體測(cè)試方案如下：

方案1：兩臺(tái)機(jī)組六臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行；

方案2：A機(jī)組三臺(tái)設(shè)備關(guān)閉，B機(jī)組三臺(tái)設(shè)備正常運(yùn)行；

方案3：關(guān)閉B機(jī)組的破碎機(jī)，給料機(jī)和球磨機(jī)正常運(yùn)行；

方案4：在方案3基礎(chǔ)上，關(guān)閉B機(jī)組的給料機(jī)，球磨機(jī)正常運(yùn)行；

方案5：在方案4基礎(chǔ)上，開啟B機(jī)組的破碎機(jī)，和球磨機(jī)共同工作；

方案6：在方案5基礎(chǔ)上，關(guān)閉B機(jī)組的球磨機(jī)；

方案7：在方案6基礎(chǔ)上，開啟B機(jī)組的給料機(jī)；

方案8：在方案7基礎(chǔ)上，關(guān)閉B機(jī)組的破碎機(jī)；

(2)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

地面運(yùn)動(dòng)測(cè)試結(jié)果見表1所示。

項(xiàng)目 單位通道 備注1 2 3 4 5方案1（兩臺(tái)機(jī)組六臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行）加速度最大值 m/s21.056 1.269 1.494 1.788 0.611加速度最小值 m/s2-0.895 -1.295 -1.442 -1.794 -0.552速度最大值 cm/s 0.808 1.181 1.008 1.315 0.319速度最小值 cm/s -0.694 -1.231 -0.982 -1.232 -0.333

表1 地面運(yùn)動(dòng)測(cè)試結(jié)果

(3)測(cè)試結(jié)果分析

①頻譜分析

首先對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻譜分析。

在方案1中，當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組都運(yùn)行時(shí)，此時(shí)的振源最多，即給料機(jī)、破碎機(jī)、球磨機(jī)各兩組共六個(gè)振源。得到各測(cè)點(diǎn)的最大頻率值為16．626Hz、16．632Hz、16．620Hz等。可以看出，這些頻率值相對(duì)較為集中。在方案2中，當(dāng)一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，此時(shí)的振源為3個(gè)，即一組給料機(jī)、破碎機(jī)、球磨機(jī)工作。該方案下得到各測(cè)點(diǎn)的最大頻率值為16．644Hz、16．638Hz等。該頻率值亦相對(duì)較為集中。在方案3中，當(dāng)一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，此時(shí)的振源為3個(gè)，即一組給料機(jī)、破碎機(jī)、球磨機(jī)工作。該工況下得到各測(cè)點(diǎn)的最大頻率值為16．400Hz、37．109Hz、27．502Hz、49．762Hz等等。可以看出，該方案下各測(cè)點(diǎn)的頻率值離散型很大，無規(guī)律可循。從方案4開始，隨著振源數(shù)量的減少，各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的頻率值離散性進(jìn)一步加大，無規(guī)律可循。

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)得到的頻率值可以看出，頻率比較集中的數(shù)值體現(xiàn)在16Hz附近，該頻率值對(duì)應(yīng)的也是振源工作最多的工況。因此可以推斷，該頻率值是對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響最大的數(shù)值。

②參數(shù)分析

由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)最大頻率位于16Hz附近，因此要查清楚產(chǎn)生共振的原因，首先需確定振源的工作頻率。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，破碎機(jī)的轉(zhuǎn)子及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速均為960r/min；球磨機(jī)的筒體轉(zhuǎn)速：18．77r/min，主電機(jī)轉(zhuǎn)速743r/min。由此可知，破碎機(jī)的電動(dòng)機(jī)工作是引起樓面振動(dòng)的主要原因。

(4)理論計(jì)算分析

①模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析又稱為結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析。結(jié)構(gòu)的模態(tài)就是指結(jié)構(gòu)在發(fā)生自由振動(dòng)時(shí)所具有的基本振動(dòng)特性，通常包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等參數(shù)，其中最重要的是頻率、振型和阻尼比，對(duì)于無阻尼系統(tǒng)就是固有頻率和振型。對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行模態(tài)分析具有重要意義，其主要原因在于：A．結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型是結(jié)構(gòu)本身的一種固有屬性，它只決定于結(jié)構(gòu)本身的剛度及質(zhì)量分布情況，因而通過結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和振型曲線可以分析結(jié)構(gòu)的剛度大小及其剛度、質(zhì)量分布的合理性。B．結(jié)構(gòu)在強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)各構(gòu)件截面的內(nèi)力和結(jié)構(gòu)的位移與結(jié)構(gòu)的自振頻率和振動(dòng)型式密切相關(guān)，自振頻率和振型是計(jì)算強(qiáng)迫振動(dòng)（如地震作用和風(fēng)振作用）的主要參數(shù)，因此分析自振頻率和振型是研究強(qiáng)迫振動(dòng)的前提和基礎(chǔ)。C．建筑結(jié)構(gòu)即使具有足夠的強(qiáng)度來抵抗水平荷載的作用（比如地震作用），使其在水平荷載作用下不發(fā)生很大的側(cè)向位移，但這還不足以說明結(jié)構(gòu)的安全性，例如結(jié)構(gòu)在周期性動(dòng)力荷載作用下是否會(huì)發(fā)生共振，需要求出結(jié)構(gòu)的自振頻率（周期）和振型后進(jìn)行判斷。

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)基本方程式可表示為：

[M]{ü}+[C]{u·}+[K]{u}={F(t)} ①

其中，[M]、[K]、[C]分別表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{ü}， {u·}，{u}分別表示結(jié)構(gòu)的加速度、速度和位移反應(yīng)向量；{F(t)}為動(dòng)力荷載向量。

無阻尼自由振動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)力方程為：

[M]{ü}+[K]{u}=0 ②

令λ=ω2，則∣[K]-λ[M]∣=0 ⑥

求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型在數(shù)學(xué)上說，就是求解振動(dòng)方程的特征值和特征向量，因此結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析也就是求解特征值問題。求解特征值和特征向量有很多方法，但比較而言子空間迭代法結(jié)合了瑞利-里茲法和迭代法的優(yōu)點(diǎn)，既用瑞利-里茲法使自由度得到折減，又用迭代法使振型逐步趨于精確解，可以達(dá)到更好的效果，因此本章采用了子空間迭代法進(jìn)行模態(tài)方程特征值的求解。

②計(jì)算模型

對(duì)該廠房結(jié)構(gòu)，在SAP2000軟件中，框架梁和框架柱采用空間梁?jiǎn)卧‵rame）模擬。鋼筋混凝土樓板根據(jù)梁的單元剖分情況采用能同時(shí)考慮平面內(nèi)、平面外荷載和變形的空間節(jié)點(diǎn)薄殼單元（Shell）模擬，它不但可以計(jì)入樓板平面內(nèi)的變形影響，同時(shí)可以很好的反映結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠順利的與空間梁?jiǎn)卧獏f(xié)調(diào)。自振頻率計(jì)算時(shí)分別采用考慮下部框架柱（以下簡(jiǎn)稱模型A）和不考慮下部框架柱模型，即僅考慮樓板自振特性的模型（以下簡(jiǎn)稱模型B）來進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

3.測(cè)試結(jié)論及減振加固方案

(1)測(cè)試結(jié)論

根據(jù)上述大量實(shí)際測(cè)試結(jié)果及分析可知，破碎機(jī)的電動(dòng)機(jī)工作頻率與樓板固有頻率接近是引起樓板振動(dòng)的主要原因；給料機(jī)和球磨機(jī)的工作頻率與樓板的固有頻率有一定差別，對(duì)樓板的振動(dòng)影響較小。因此要解決該振動(dòng)問題，避免破碎機(jī)和樓板發(fā)生共振，就需要改變破碎機(jī)及其電動(dòng)機(jī)的工作頻率或改變樓板的自振頻率。

(2)減振加固方案設(shè)計(jì)提出

為徹底解決該廠房的振動(dòng)問題，避免破碎機(jī)與廠房二層樓板發(fā)生共振，并考慮到廠房一層工藝設(shè)備的安全和正常運(yùn)行，盡量避免對(duì)現(xiàn)有設(shè)備及廠房結(jié)構(gòu)做較大的改造及調(diào)整，減少對(duì)廠房功能的影響，提出三種解決方案。

①加大結(jié)構(gòu)剛度方法

采取加大梁柱截面尺寸、加厚樓板等措施，加固二層樓面的梁柱尺寸。該方法可以提高結(jié)構(gòu)剛度，從而提高結(jié)構(gòu)的固有頻率，以達(dá)到避免樓板與破碎機(jī)的工作頻率發(fā)生共振的目的。從我國已有的工程經(jīng)驗(yàn)考慮，該方案施工技術(shù)成熟，施工方案易于實(shí)現(xiàn)，施工周期短，造價(jià)較低。

表2 測(cè)試結(jié)果

②動(dòng)力吸振方法

在破碎機(jī)平臺(tái)處加設(shè)吸振器來吸收破碎機(jī)的振動(dòng)能量，從而減小樓板的振動(dòng)。這種方法通過改變整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)能量的分布和傳遞特性，使振動(dòng)能量轉(zhuǎn)移到附加吸振器上，從而可以達(dá)到控制樓板振動(dòng)的目的。采用動(dòng)力吸振方法是十分有效的措施，這種改造方法具有很多的靈活性，其施工操作面較小，對(duì)廠房?jī)?nèi)其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)備的影響也較??；但其振動(dòng)頻帶相對(duì)較窄，對(duì)施工工藝的要求較嚴(yán)格。

③隔振方法

在破碎機(jī)平臺(tái)底部與柱節(jié)點(diǎn)處加設(shè)隔振層，利用隔振層來吸收大部分振動(dòng)能量，從而達(dá)到減小樓板振動(dòng)的目的。破碎機(jī)平臺(tái)板采用彈簧隔振后，隔振層將破碎機(jī)與廠房結(jié)構(gòu)分隔開，破碎機(jī)的振動(dòng)頻率不直接傳到廠房結(jié)構(gòu)上，從而避免了二者發(fā)生共振。同時(shí)，采用隔振方法可以提高設(shè)備的抗震能力，避免設(shè)備受到地震損壞；但該方法對(duì)于水平方向的振動(dòng)控制，適用范圍有限，且后期維修加固周期較短。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件和施工技術(shù)要求，2013年6月我們采用方案1采取加大結(jié)構(gòu)剛度的方法對(duì)一層7．94m的梁柱（300mm×900mm，400mm×1000mm）全部進(jìn)行加寬加固，其中樓板厚度為110mm。

(3)加固效果分析

為便于對(duì)加固后效果進(jìn)行評(píng)估，本著節(jié)約的精神，我們公司利用自己已有的一個(gè)上海華陽HY-103B工作測(cè)振儀對(duì)加固前后的數(shù)據(jù)都進(jìn)行測(cè)量。表2為加固前后在兩個(gè)系列設(shè)備6臺(tái)設(shè)備同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下一層7．94m平面和破碎機(jī)自身的振動(dòng)情況，可以看出加固前A1～A3/B1～B3測(cè)點(diǎn)振動(dòng)都在0．138～0．392之間，加固后振動(dòng)最高僅為0．066，完全小于位移允值為0．15mm；破碎機(jī)自體振動(dòng)也大大降低，符合相關(guān)設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目取得完全成功。

4.結(jié)論

根據(jù)廠房實(shí)際振動(dòng)破壞情況，本文對(duì)該廠房結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)備進(jìn)行了實(shí)際振動(dòng)測(cè)試，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)得到的頻率值可以看出，頻率比較集中的數(shù)值體現(xiàn)在16Hz附近，即該頻率值是對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響最大的數(shù)值，繼而得到破碎機(jī)的電動(dòng)機(jī)工作是引起樓面振動(dòng)的主要原因。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了動(dòng)力分析，提出了三種不同的減振加固設(shè)計(jì)方案。結(jié)合廠房的實(shí)際情況，選擇加大剛度法進(jìn)行加固。實(shí)際結(jié)果表明，采用該方法后，樓板振動(dòng)幅值大大降低，破碎機(jī)振動(dòng)也得到有效控制，符合相關(guān)設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，取得了良好效果。

[1]徐浩軒.某工業(yè)廠房動(dòng)力特性分析及減振加固方法研究[D].西安建筑科技大學(xué),2014.

[2]王龍.某工業(yè)廠房動(dòng)力機(jī)機(jī)器工作平臺(tái)不良振動(dòng)檢測(cè)及減振對(duì)策研究[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué),2015.

[3]陳彬.多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能診斷及加固研究[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué),2015.

Vibration Measurement Study and Vibration Attenuation and Strengthening Program Design for One Industrial Building

Du Xiaojun
（Ordos Coal Oil Company, China Shenhua Coal Oil Chemical co ., LTD, Inner Mongolia, 014010）

Part fl oor on the second fl oor of the industrial building of Shenhua Ordos Coal Oil Company is in the dynamic vibration state for a long time, the constant tired work for the concrete, making make the fl oor have obvious penetrating crack, which not only threatens the normal use of equipment, but also have close relation to the safety of the whole factory building structure and staff's personal safety, so the structural safety issues cannot be ignored. As a result, the vibration problems for plant structure need to be solved urgently. This paper takes actual vibration test on the building structure and process equipment and takes dynamic analysis of the measured results, besides, it puts forward the corresponding suggestions for the vibration attenuation and strengthening program design.

industrial buildings；vibration measurement；vibration attenuation and strengthening program design

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A

杜小軍（1976～），男，中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，研究方向：水煤漿。