電子廠房環境振動測試及有限元分析

高廣運,聶春曉，　李紹毅

(1.同濟大學 地下建筑與工程系,上海　200092;2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海　200092)

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電子廠房環境振動測試及有限元分析

高廣運1,2,聶春曉1，2，李紹毅1,2

(1.同濟大學 地下建筑與工程系,上海200092;2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海200092)

摘要:文章采用現場實測和有限元動力分析研究電子廠房的微振動響應,采用加速度拾振器測試了電子廠房修建前環境振動大小,采用ANSYS軟件建立了廠房有限元動力分析模型,模擬地脈動作用下廠房內地面振動大小。電子廠房施工完畢后再次測量廠房內地坪的微振動,通過廠房修建前后的實測振動數據分析廠房剛性地坪對地面微振動幅值和頻率的影響,比較了有限元動力分析結果與實測結果的差異。結果發現:場地振動主要由小于10 Hz低頻振動控制,廠房剛性地坪對低頻振動的控制能力優于高頻振動,可以減小廠房地面振動大小;廠房內部機械振源對地面振動幅值和頻率有極大影響。

關鍵詞:環境振動;電子廠房;有限元分析;加速度測試;頻譜分析

隨著電子工業高速發展,精密儀器、設備廠房對振動控制的要求也日益提高。但是廠房不可避免受到臨近公路、鐵路交通荷載的影響。如何有效控制廠房振動,保護儀器、設備的安全,保障正常生產成為一大難題。文獻[1]根據實測廠房數據討論了廠房振動頻段分布特點和振動幅值的影響因素;文獻[2]采用有限元分析了水電站廠房的動力響應,討論了結構自振頻率、振動位移反應和振動應力的大小;文獻[3]現場測試了多層廠房的振動位移和加速度,討論了振動對建筑結構的影響和減小振動的措施,認為增加主梁高度對減小振動有較大作用;文獻[4]從廠房選址布局、建筑結構減振措施、振源的隔振方法和精密儀器的調整檢修等多方面討論了精密廠房的減振、隔振措施;文獻[5]采用ANSYS有限元模型結合現場實測數據分析了廠房振動的頻率、阻尼,研究了結構的安全性能和振動設備改造的影響;文獻[6]采用ANSYS建立了鐵路高架橋振動分析模型,研究了高架附近精密儀器的振動響應,討論了隔振溝和限制列車速度等措施的隔振效果;文獻[7]通過現場實測結合ANSYS有限元軟件研究了環境振動對潔凈廠房的影響,發現加密柱網能有效控制結構振動;文獻[8]采用有限元方法,利用Caughey阻尼模型,討論了阻尼對地鐵引起地面振動計算結果的影響;文獻[9]測試了某辦公大樓的中央空調系統運行的振動和噪聲,發現熱泵和水泵機組及管道的振動可引起樓板較大振動。

電子廠房的減振、隔振措施隨精密儀器對振動大小的要求和不同環境條件有差異,如何有效控制結構內微振動還有待進一步探索。本文根據某精密廠房的振動測試數據和有限元動力分析結果,討論了廠房振動的影響因素,分析了剛性地坪對地面振動幅值和頻率的影響,總結了有限元模型分析結構振動的可能問題。

1工程概況

精密廠房位于某出口加工區內，廠房周邊場地環境為:廠房西側為已建廠房,相距約20 m;南側緊鄰園區內交通要道,與臨近廠房相距50 m;北測約150 m范圍內為未開發用地,偶爾有小型挖掘機施工;較遠處(約300 m)有東西走向的公路和鐵路,車流量較大。工程場地環境復雜,需對該工程的微振動特性進行詳細研究。廠房主體結構為輕鋼結構(建筑面積8 860 m2),廠房平面圖如圖1所示。由于生產工藝要求,根據設計方提供的相關資料,成品倉庫防微振要求較高,其控制標準為:2 Hz

場地環境振動及周邊振動影響測試時布置4個測點,其中2個測點連續24 h測試環境振動,現場實測工程場地3個方向(1個豎向、2個水平方向)加速度時程曲線。場地環境振動實測典型振動時程曲線和對應頻譜曲線如圖2、圖3所示。

圖2　場地振動時程圖

環境振動時程曲線中X、Y、Z 3個方向峰值加速度g分別為0.6、0.3、0.14 cm/s2,X向峰值加速度明顯高于Y、Z向加速度。圖3中X、Y、Z 3個方向峰值加速度分別為0.026、0.08、0.025 cm/s2。其中X方向20～50 Hz高頻振動成分豐富;Y、Z方向振動頻率集中在5～10 Hz。X方向振動時程峰值加速度較大,高頻振動豐富,主要由于附近施工機械、車輛產生的振動干擾所致。Y、Z方向主要為10 Hz以下低頻振動,反應了場地環境振動以低頻振動為主的特點。

圖3　場地振動頻譜圖

2廠房結構有限元模型及分析

采用ANSYS有限元分析軟件建立廠房動力分析有限元模型,將現場實測得到的場地微振動時程數據輸入有限元結構模型,研究廠房在環境振動下的動力響應。采用動力時程分析法計算環境振動下廠房地坪振動加速度的時程曲線和頻譜曲線。本項目為1層鋼結構廠房(局部2層),廠房內1層地面設計為剛性地坪,投入使用后精密儀器放置于1層剛性地坪上。因此有限元時程分析主要研究剛性地坪的微振動響應。

模型采用SHELL281模擬剛性地坪。剛性混凝土地坪和下墊層按照設計要求分別取0.5 m和0.8 m,由剛性地坪和墊層組成防微振平臺,平臺室內地面高出室外地面1.3 m。下墊層與地基嵌固端采用COMBIN40彈簧單元連接,COMBIN40單元一端與微振平臺節點連接,一端假定為固定端。采用BEAM188單元建立廠房鋼架結構和支撐桿系。有限元模型如圖4所示。

圖4　ANSYS有限元廠房模型

根據設計方提供的設計資料,參考建筑設計規范材料推薦值,有限元計算中采用的參數值如下:輕鋼結構材料彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比υ=0.25,密度ρ=7.8×103kg/m3。混凝土剛性地坪材料彈性模量E=3.0×104MPa,泊松比υ=0.20,密度ρ=2.5×103kg/m3。土層及樁基墊層材料彈性模量E=14 MPa,泊松比υ=0.30,密度ρ=1.8×103kg/m3。彈簧單元剛度水平方向為15 MN/m3,垂直方向為40 MN/m3。振動荷載采用加速度時間歷程輸入,計算時間13 s,共分3 390個荷載步。

圖5、圖6所示分別為有限元模型中剛性地坪中央的加速度時程曲線和對應的頻譜曲線。可以發現廠房有限元模型中央地面上,X、Y、Z 3個方向的振動加速度峰值分別為0.023 6、0.041、0.15 cm/s2。廠房內部豎向振動加速度比水平向大。對比圖2場地環境振動加速度時程曲線可以發現,廠房結構對X、Y方向振動加速度有較大程度的削減,相比環境振動分別減小了60%、86%;對Z方向(垂向)振動加速度的削減很小。

有限元模型分析得到X、Y、Z 方向加速度頻譜峰值分別為0.004 8、0.008、0.003 3 cm/s2,均大幅小于場地環境振動加速度頻譜峰值(圖3)。同時可以發現,廠房結構和剛性地坪對地面振動頻率有較大影響。廠房內部X、Y方向的振動成分主要為小于10 Hz振動,廠房結構過濾了X方向高于10 Hz由于施工機械振動產生的高頻振動成分。廠房內部Z方向振動成分主要為10～50 Hz振動,而環境振動中垂向振動主要為低于10 Hz振動。廠房結構中的600 mm剛性地坪對Z向低頻振動的隔振能力高于對高頻振動的隔振能力,減小了低頻振動分量,有利于控制地面振動中的低頻振動。

圖5　廠房模型地面振動時程圖

圖6　廠房模型地面振動頻譜圖

3廠房內振動實測和分析結果

廠房修建完成后采用三向加速度拾振器,在廠房內部剛性地坪上進行了微振動測試,研究廠房地坪實際振動大小和振動頻率成分。為了反映廠房振動最不利工作狀態,測試中廠房風機等振動擾源全部處于運行狀態。

圖7、圖8所示為廠房中央地面振動測試時程和相應頻譜曲線。

圖7中,廠房中央地坪X、Y、Z 3個方向振動加速度峰值分別為0.15、0.2、0.46 cm/s2。與有限元計算結果一致,廠房內部豎向振動加速度高于水平振動加速度。廠房實測地面振動加速度峰值高于有限元計算結果,3個方向分別是有限元計算結果的6.35、4.88、3.06倍。可能的原因是廠房中風機全部處于運行狀態,風機工作產生的振動干擾對地面振動有不可忽視的影響。

圖7　實測廠房地面振動時程圖

圖8中,相應振動頻譜曲線峰值分別為0.002 8、0.002 88、0.007 1 cm/s2,頻譜峰值與有限元計算結果較為接近,分別為計算結果的0.58、0.357、2.16倍。實測頻譜曲線中廠房剛性地坪振動由78 Hz高頻振動控制。可能原因如下:① 廠房內風機等振源工作產生了豐富的高頻振動;② 實際廠房地坪剛度遠大于有限元計算中選用的地基彈簧系數,造成實測振動中X、Y向頻譜幅值較小。

圖8　實測廠房地面振動頻譜圖

4結論

對某精密電子廠房進行了場地環境微振動測試和室內微振動測試，采用ANSYS建立了廠房結構有限元分析模型,采用有限元動力分析方法模擬了廠房地面振動響應。研究了廠房振動加速度時程和頻譜曲線,分析了振動加速度的幅值變化和頻率變化特點。主要結論如下:

(1)場地振動加速度實測結果表明場地振動主要由10 Hz以下低頻振動控制;在地面機械振動影響下,地面振動中20～60 Hz高頻振動成分增加。

(2)采用剛性地坪處理后,廠房內振動以78 Hz左右高頻振動為主,低頻振動得到有效控制,頻譜振動加速度峰值比環境振動頻譜加速度峰值有較大程度減小。廠房內豎向振動加速度高于水平向振動加速度。

(3)有限元模型能夠反應采用剛性地坪后,廠房內地面振動加速度大幅減小。同時可以發現有限元預測地面振動中,頻譜峰值加速度與實測結果較為接近;時程瞬時加速度峰值與實測結果相差較多。主要原因為:① 廠房內部振動擾源增大了瞬時振動峰值;② 有限元模型中地坪下的彈簧剛度系數取值與實際情況有差異。

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(責任編輯張镅)

Test and finite element analysis of micro vibration of electronic warehouse

GAO Guang-yun1,2,NIE Chun-xiao1,2,LI Shao-yi1,2

(1.Dept.of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China)

Abstract:Field vibration test data and finite element dynamic analysis were used to study the micro ground vibration of electronic warehouse.The in-site environmental vibration tests were carried out before the construction of warehouse by accelerometers.The finite element model of electronic warehouse was built by ANSYS software to simulate floor vibration in the warehouse.The micro vibration of rigid ground floor was tested after the completion of warehouse construction.The influence of rigid ground floor on the micro vibration in time and frequency domain was analyzed by the tested vibration data.The differences between FE simulated ground vibration and the tested one were compared.The results show that the ambient vibration is dominated by low frequency vibration less than 10 Hz.The rigid floor screens more low frequency vibration than the high frequency vibration,and dramatically reduces the amplitude of ground vibration.The ventilating fans as vibration sources pose a great influence on the amplitude and frequency of floor vibration.

Key words:environmental vibration;electronic warehouse;finite element analysis;vibration acceleration test;frequency analysis

收稿日期：2015-08-04；修回日期：2015-09-10

作者簡介：高廣運(1961-),男,安徽阜陽人,博士,同濟大學教授,博士生導師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.018

中圖分類號:TU375

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)04-0518-05