某工業(yè)建筑防共振設(shè)計(jì)

呂 琳 （煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041)

1 引言

工業(yè)廠房中由于動(dòng)力設(shè)備和相連的樓蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振從而對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，需要考慮增加適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)造措施解決，也可以在工業(yè)廠房中調(diào)整設(shè)備布置要求，避免樓蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，但是考慮工業(yè)設(shè)備與結(jié)構(gòu)的自振頻率使其盡可能不相同，可以更好解決結(jié)構(gòu)共振動(dòng)問(wèn)題。

動(dòng)力設(shè)備普遍存在于工業(yè)廠房中，如果在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)動(dòng)力荷載考慮欠缺，設(shè)備工作時(shí)就會(huì)導(dǎo)致廠房的不良振動(dòng)，在影響生產(chǎn)的同時(shí)，還會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，甚至引起結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)于有動(dòng)力設(shè)備的廠房結(jié)構(gòu)，發(fā)生振動(dòng)往往無(wú)法完全避免，關(guān)鍵要把不必要的振動(dòng)減少，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)達(dá)到規(guī)范限值[1]。工業(yè)生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)常配備大型動(dòng)力設(shè)備，往往由于工藝變更或設(shè)備的更新，致使原結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度不能滿足要求[2]。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、動(dòng)力測(cè)試的基礎(chǔ)上,圍繞著如何避免廠房結(jié)構(gòu)共振、斜支撐截面變化對(duì)振幅的影響[3]。而本文以工業(yè)廠房吊車(chē)梁為例，采用數(shù)值模擬進(jìn)行分析，從吊車(chē)梁的整體剛度和構(gòu)造措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，使吊車(chē)梁的布置滿足生產(chǎn)、舒適度要求，為其它工業(yè)廠房防振動(dòng)設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

本工程位于安徽省潁上縣，為單層門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為6度,房屋呈矩形，建筑面積2500m2，房屋主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為6度，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。其設(shè)計(jì)基本加速度為0.05g，分組為第一組，屬于抗震有利地段。采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。屋面外板采用上板0.6mm厚彩鋼壓型板，下板0.5mm厚彩鋼壓型板，外面覆蓋100mm厚巖棉保溫層。該廠房墻面采用單層0.400mm鍍鋅彩墻面外鋼板。廠房的剛架梁、鋼柱、主次梁、梁柱端頭板及連接板件均采用Q345B級(jí)鋼。該廠房搭載25t橋式起重機(jī),軌道采用43kg/m鋼軌，軌道聯(lián)接采用GDGL-1標(biāo)準(zhǔn)。由于設(shè)備運(yùn)行荷載大需考慮共振設(shè)計(jì)。廠房上部結(jié)構(gòu)剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 廠房上部結(jié)構(gòu)剖面圖

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 共振原因

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2012）中第六章中指出吊車(chē)荷載需考慮縱向和橫向水平荷載，并考慮吊車(chē)荷載的動(dòng)力系數(shù)取1.05，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）中重級(jí)工作制吊車(chē)梁的變幅疲勞取應(yīng)力循環(huán)中最大的應(yīng)力幅。

工業(yè)廠房中設(shè)備的振動(dòng)荷載，樓蓋結(jié)構(gòu)跟著設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)波，而如果當(dāng)其設(shè)備振動(dòng)波的頻率與樓蓋部分自振頻率相重合，就會(huì)產(chǎn)生整體共振或者局部共振。由于工業(yè)設(shè)備的振動(dòng)頻率很高，考慮動(dòng)力產(chǎn)生的荷載放大效應(yīng)取其等效荷載。設(shè)計(jì)之初就通過(guò)合理布置結(jié)構(gòu)及細(xì)部構(gòu)造，避免其自振頻率一致。

3.2 力學(xué)分析

按《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）規(guī)定門(mén)式剛架按彈性方法計(jì)算，其地震作用阻尼比封閉式房屋取0.05，考慮吊車(chē)梁承受動(dòng)力荷載，吊車(chē)梁豎向撓度限值l/600[5]，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮承重構(gòu)件吊車(chē)梁約束為簡(jiǎn)支約束，設(shè)計(jì)吊車(chē)梁跨長(zhǎng)為6m。樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)加速度應(yīng)采用時(shí)程分析方法進(jìn)行計(jì)算[4]。

3.3 計(jì)算方法

通過(guò)振動(dòng)觀測(cè)以及對(duì)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算，可以采用《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范》（GB 50038-2005）中附錄C里的單跨和等跨的等截面梁撓曲型自振圓頻率公式計(jì)算：

式中：fω——自振頻率，單位是1/s。

ω——梁的自振圓頻率，單位為rad/s；

B——梁的抗彎剛度，B=ΨEdbh3/12；

Ed——材料彈性模量；

Ψ——?jiǎng)偠日蹨p系數(shù)，均質(zhì)彈性材料鋼材取1.0；

h——梁高；

b——梁寬；

γ——材料容重；

g——重力加速度；

本工程中選擇吊車(chē)梁材料為Q345每跨長(zhǎng)6m，采用 28a工字鋼，B為 7110cm4，吊車(chē)梁 Ed為 206×103N/mm2，為 43.492Kg/m，得到吊車(chē)梁的自振頻率 fω為0.18。

從撓度上控制l/600即0.010m，滿足自振頻率要求同時(shí)滿足其振幅要求即第一振型對(duì)應(yīng)的最大振幅，減小吊車(chē)梁豎向變形，因此考慮調(diào)整吊車(chē)梁高度，提高吊車(chē)梁整體的剛度。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件豎向自振頻率計(jì)算后，經(jīng)吊車(chē)梁截面由28a調(diào)整至32a，經(jīng)廠家提供數(shù)據(jù)吊車(chē)的加速度介于0.05～0.098之間，振動(dòng)位移位于0.0085～0.0082mm之間，而梁的自振頻率區(qū)間由0.088～1.052變化為0.095～0.156，可見(jiàn)在這種情況下一定程度上能夠改變梁的自振頻率避免共振發(fā)生。但是調(diào)整梁截面時(shí)要考慮設(shè)備的要求，因此調(diào)整區(qū)間范圍有限。所以通過(guò)調(diào)整梁截面尺寸使梁的自振頻率與設(shè)備運(yùn)行頻率不一致或者不接近，可以避免在設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)生共振從而造成結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。

3.4 構(gòu)造措施

現(xiàn)在工業(yè)廠房中，設(shè)置構(gòu)造措施首先需要保證承重結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，采取有效的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施可以起到隔振和減震的作用，比如說(shuō)在工業(yè)設(shè)備或者在結(jié)構(gòu)部分設(shè)置阻尼器等，可以減少設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)量和振動(dòng)頻率，還可以通過(guò)設(shè)置隔振墻，增設(shè)斜支撐和采用柔性連接等措施，保證吊車(chē)梁的整體穩(wěn)定性，這樣相當(dāng)于在設(shè)備與承重結(jié)構(gòu)之間改變了約束條件、自振頻率，避免共振的產(chǎn)生。

3.4.1 螺栓連接

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）中規(guī)定直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的高強(qiáng)度螺栓連接，其疲勞計(jì)算應(yīng)符合抗剪摩擦型連接計(jì)算，但計(jì)算連接處開(kāi)孔主體金屬，栓焊部分連接應(yīng)力其全部剪力由焊縫承擔(dān)。本工程剛架構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)連接采用10.9級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓，采用噴砂處理法,摩擦面抗滑移系數(shù)μ≥0.50，高強(qiáng)螺栓孔為Ⅰ類(lèi)鉆孔。其中各主要受力構(gòu)件如檁條、檁托、隅撐之間的連接采用高強(qiáng)螺栓連接。而隅撐、斜梁、系桿、梁柱等次要受力部位連接采用普通螺栓連接，普通螺栓孔為Ⅱ類(lèi)鉆孔。其基礎(chǔ)錨栓、焊釘采用Q235級(jí)。

3.4.2 焊接方式

本工程中組合H型鋼的腹板與翼緣的焊接應(yīng)采用自動(dòng)埋弧焊機(jī)焊,且四道連接焊縫均應(yīng)雙面滿焊。而Q345與Q345鋼材之間焊接選擇采用E50型焊條，Q235與Q235鋼材之間及Q345與Q235鋼材之間焊接選擇采用E43型焊條。對(duì)接焊縫要求全焊透，其焊縫等級(jí)為二級(jí)，當(dāng)鋼板厚度大于或等于8mm時(shí)，需做超聲波探傷檢測(cè)，如若板厚度小于8mm時(shí)，則按照二級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)做外觀檢查，端板與柱、梁翼緣和腹板的連接焊縫為全熔透剖口焊，質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)。8.3米處吊車(chē)梁詳圖見(jiàn)圖2。

圖2 8.3m處吊車(chē)梁詳圖

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值分析

采用ANSYS軟件，對(duì)吊車(chē)梁采用beam梁?jiǎn)挝贿M(jìn)行模擬，先進(jìn)行特征值分析即自振頻率的計(jì)算，再定義時(shí)程荷載工況考慮為線性時(shí)程分析計(jì)算，需通過(guò)時(shí)程分析計(jì)算豎向振動(dòng)加速度限制，而時(shí)程荷載函數(shù)考慮靜力荷載及吊車(chē)梁運(yùn)行時(shí)工況，定義振型阻尼，節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載，最后進(jìn)行時(shí)程分析。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式比如工業(yè)建筑，其建筑物開(kāi)始損壞時(shí)的振動(dòng)速度值基礎(chǔ)頻率范圍在20～50mms-1之間，本例考慮較大值40。

圖3 吊車(chē)梁初始振動(dòng)圖

圖4 吊車(chē)梁第一階振型圖

4.2 計(jì)算結(jié)果

吊車(chē)梁模型的各階模態(tài)頻率 表1

利用ANSYS軟件對(duì)振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析，得到各級(jí)模態(tài)振型，得出其自振周期和前5階固有頻率，其分布如表1，這個(gè)結(jié)果可以滿足結(jié)構(gòu)自振要求，在梁的整體剛度滿足要求的情況下，設(shè)計(jì)注意結(jié)構(gòu)自振的薄弱構(gòu)件的加強(qiáng)。當(dāng)?shù)踯?chē)梁設(shè)備采用高階頻率，可能在運(yùn)行過(guò)程中起較大作用，其頻率對(duì)應(yīng)的周期與設(shè)備周期接近會(huì)發(fā)生共振，位移會(huì)突變，進(jìn)而破壞吊車(chē)梁。

5 結(jié)語(yǔ)

由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響，盡管不一定會(huì)直接造成結(jié)構(gòu)破壞，但是長(zhǎng)期會(huì)使結(jié)構(gòu)變得不安全，得出以下結(jié)論：

①首先需要在結(jié)構(gòu)體系的選擇上優(yōu)先采取盡量規(guī)則的結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)承重構(gòu)件考慮振動(dòng)荷載的動(dòng)力系數(shù)、撓度范圍。

②增大承重結(jié)構(gòu)的整體剛度，考慮吊車(chē)梁抗彎模量EI，即增大吊車(chē)梁高度以增大EI從而有效減少設(shè)備振動(dòng)的影響。

③鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房考慮鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施、焊接方式可以改變其約束條件，可以在有效地減少吊車(chē)梁自振頻率的同時(shí)減少共振現(xiàn)象。