中歐規(guī)范關(guān)于動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)計(jì)算的比較

劉偉

(中國(guó)江蘇國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作集團(tuán)有限公司 江蘇南京 210008)

機(jī)器設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中很容易產(chǎn)生不平衡力，對(duì)周圍建筑物、構(gòu)筑物和工作人員造成不利影響，基礎(chǔ)不僅是安裝機(jī)器的必要構(gòu)件，合理的動(dòng)力設(shè)計(jì)也是減少機(jī)器振動(dòng)、保證機(jī)器穩(wěn)定性的必需環(huán)節(jié)。機(jī)器設(shè)備是石油站場(chǎng)不可缺少的重要組成部分，壓縮機(jī)、外輸泵、發(fā)電機(jī)等都是功率較大、轉(zhuǎn)速較低，容易產(chǎn)生較大不平衡力的設(shè)備，保證這些設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)是站場(chǎng)運(yùn)行的前提。

動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50040-96）和Code of Practice for Foundations for Machinery(CP2012)是國(guó)內(nèi)外關(guān)于基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算的基本規(guī)范，本文具體分析一下兩種規(guī)范體系對(duì)動(dòng)力計(jì)算規(guī)定的差異。

1 地基動(dòng)力參數(shù)

地基動(dòng)力參數(shù)包括抗壓剛度KZ，抗剪剛度Kx，抗彎剛度和抗扭剛度KΨ，對(duì)于單質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，這四個(gè)參數(shù)系彈簧在不同方向上的剛度，是確定基組動(dòng)力特性的必要條件。規(guī)范中這4個(gè)參數(shù)是以“剛度系數(shù)X基礎(chǔ)幾何參數(shù)”的形式出現(xiàn)的，剛度系數(shù)()是與地質(zhì)資料密切相關(guān)的數(shù)據(jù)，一般最準(zhǔn)確的獲取方式是現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，兩種規(guī)范亦建議采用此方法。除此之外，兩者也有各自估算地基動(dòng)力參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方法，下面就此分別說明。

1.1 GB50040-96

國(guó)標(biāo)中地基動(dòng)力參數(shù)是以抗壓剛度系數(shù)為基數(shù)的，抗彎、抗剪、抗扭剛度系數(shù)分別是抗壓剛度的2.15、0.70、1.05倍。通過土的類型和地基承載力可查表3.2.2（GB50040）獲得抗壓剛度系數(shù)，規(guī)范考慮了基礎(chǔ)底面積、不同土層的疊加、基礎(chǔ)埋深、周圍剛性地面對(duì)抗壓剛度的修正，給出各種不同的修正系數(shù)，同時(shí)，規(guī)范考慮了地基阻尼的影響，并提供了阻尼比的計(jì)算公式和修正系數(shù)。

1.2 CP2012

CP2012推薦采用D.D.Barkan在‘Dynamics of Bases and Foundations’中的理論計(jì)算方法確定地基動(dòng)力參數(shù)。與國(guó)標(biāo)中僅考慮土類型和地基承載力不同，4個(gè)參數(shù)的取值均由基礎(chǔ)底面的長(zhǎng)寬比、泊松比、地基動(dòng)彈性模量、基礎(chǔ)底面積共同決定，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)比較，Barkan建議4個(gè)參數(shù)的關(guān)系如下：

此經(jīng)驗(yàn)公式與GB50040-96的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)有些不同，主要是由于地域性和實(shí)驗(yàn)樣本等條件的不同所致。

2 控制目標(biāo)

控制目標(biāo)是確定動(dòng)力計(jì)算是否滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)，由于在計(jì)算中考慮的參數(shù)和安全系數(shù)不同，兩個(gè)規(guī)范對(duì)控制目標(biāo)的選擇和限值不完全相同。

2.1 GB 50040-96

國(guó)標(biāo)規(guī)定“基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)的最大線位移不應(yīng)大于0.2mm，最大振動(dòng)速度不應(yīng)大于6.3mm/s”。基組總重心在基礎(chǔ)底面的偏心應(yīng)控制在3%～5%。國(guó)標(biāo)沒有頻率的控制指標(biāo)，可能是考慮在控制線位移和速度的前提下，基組的自然頻率已經(jīng)遠(yuǎn)離了機(jī)器不平衡力的共振區(qū)，或即使在共振區(qū)，由于阻尼的存在也不會(huì)發(fā)生較大的線位移和速度。

2.2 CP2012

該規(guī)范的控制目標(biāo)較多，包括基礎(chǔ)與機(jī)器的質(zhì)量比、基組的重心位置、基組重心的偏心率、基礎(chǔ)穩(wěn)定性與抗傾覆要求、頻率比和振幅（最大線位移）。其中，最重要的設(shè)計(jì)原則是頻率比和振幅，頻率比是指不平衡力的頻率與基組自然頻率的比值，重要設(shè)備要求＜0.5或＞2，次要設(shè)備要求＜0.6或＞1.5。對(duì)于通過低頻彈性基座隔振的機(jī)器，此比值應(yīng)該大于3。規(guī)范中對(duì)振幅的限制分為四級(jí)，分別是避免破壞機(jī)器的振幅（廠商提供）、避免破壞毗鄰建筑物的振幅、避免工作人員不舒適的振幅、避免機(jī)器過度沉降的振幅。隨頻率的增加，允許振幅逐漸減小，最大控制值為0.2mm，與國(guó)標(biāo)相同，但CP2012建議還要取1.5的安全系數(shù)。在偏心率方面CP2012與國(guó)標(biāo)相似，規(guī)定不應(yīng)超過5%。

表1 振幅計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算方法

單質(zhì)點(diǎn)彈簧模型是兩種規(guī)范對(duì)該類基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算，規(guī)范按照如下4種模態(tài)分析后疊加速度和振幅：

（1）豎向振動(dòng)模態(tài)；

（2）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)；

（3）縱向水平和前后搖擺振動(dòng)模態(tài)；

（4）橫向水平和左右回轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)。

4個(gè)模態(tài)的頻率計(jì)算基本一致，

（CP2012）

兩者對(duì)振幅的計(jì)算公式也有些差異，GB50040-96分別計(jì)算第一、二振型的位移，然后將其疊加得到；而CP2012則是首先計(jì)算水平荷載和回轉(zhuǎn)力矩分別產(chǎn)生的位移后疊加。計(jì)算思路不同，但得到的結(jié)果大體一致，哈法亞油田高壓壓縮機(jī)按兩種方法計(jì)算的結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

分析比較兩種不同的規(guī)范體系，可以看出兩種計(jì)算理論均是以單質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的動(dòng)力計(jì)算理論為基礎(chǔ)，分析體系的頻率和振幅。設(shè)計(jì)過程中可以互相參考借鑒，保證機(jī)器設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（1）地基動(dòng)力參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值方法不同，差別很大，建議采用地勘實(shí)測(cè)動(dòng)力參數(shù)；

（2）國(guó)標(biāo)在控制指標(biāo)方面描述較少，設(shè)計(jì)中可以借鑒歐標(biāo)的某些條款；

（3）計(jì)算方法一致，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)明確不同參數(shù)的含義。