多層工業(yè)廠房的振動(dòng)問(wèn)題分析

1、多層工業(yè)廠房的振動(dòng)問(wèn)題分析邱德修1 樊開(kāi)儒（化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院 長(zhǎng)沙 410116）摘要：由于越來(lái)越多的動(dòng)力設(shè)備上樓，工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮常規(guī)的靜荷載，還必須考慮大型動(dòng)力設(shè)備的動(dòng)荷載及其引起的振動(dòng)。本文結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中由振動(dòng)設(shè)備所產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題，從局部和整體分別進(jìn)行了討論和分析；對(duì)工業(yè)廠房的振動(dòng)控制，從設(shè)備、結(jié)構(gòu)布置和計(jì)算方法等方面提出了具體的要求和措施。 關(guān)鍵詞：工業(yè)廠房；動(dòng)力設(shè)備；自振頻率；振動(dòng)荷載 =1. 前言隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的日趨緊張，發(fā)展多高層工業(yè)廠房已成必然趨勢(shì)，各種振動(dòng)設(shè)備也隨之上樓。受設(shè)備振動(dòng)的影響，或者設(shè)備振動(dòng)之間相互影響，

2、導(dǎo)致振動(dòng)放大，并傳播到結(jié)構(gòu)上引起廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)，輕者影響生產(chǎn)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫；重者導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。振動(dòng)問(wèn)題給我們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)很多危害。廠房?jī)?nèi)的大型動(dòng)力設(shè)備在使用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的反復(fù)變動(dòng)的荷載，這荷載引起樓蓋的垂直振動(dòng)，同時(shí)也有整體的水平振動(dòng)。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過(guò)大，降低了機(jī)器的動(dòng)態(tài)精度和使用性能，同時(shí)使處在其中的工作人員有不舒服感，影響人員的身體健康。對(duì)于有動(dòng)力設(shè)備的廠房，結(jié)構(gòu)振動(dòng)往往不能完全避免，故如何將振動(dòng)的影響控制在結(jié)構(gòu)安全的范圍之內(nèi)，控制在不影響廠房?jī)?nèi)敏感設(shè)備和操作人員正常運(yùn)行的范圍之內(nèi)，解決振動(dòng)問(wèn)題就成了廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。2. 分析方法及計(jì)算模型由動(dòng)力學(xué)理論可知，有兩個(gè)方面的因素控制著結(jié)

3、構(gòu)的振動(dòng)：一個(gè)是對(duì)結(jié)構(gòu)施加的激振力，即擾力源；另一個(gè)則是結(jié)構(gòu)對(duì)特定激勵(lì)的響應(yīng)，即結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性。當(dāng)結(jié)構(gòu)自身的某階固有頻率與擾力源頻率接近甚至吻合時(shí)將發(fā)生共振，從而形成較大振幅、高動(dòng)應(yīng)力和高等級(jí)噪聲等。平常我們采取的最簡(jiǎn)單的方法就是使其避開(kāi)共振。避開(kāi)共振有二種途徑：一是調(diào)整機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率；二是改變結(jié)構(gòu)的自振頻率。對(duì)于定型設(shè)備，其頻率已經(jīng)確定，從結(jié)構(gòu)方面采取措施就是選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)自振頻率，使其遠(yuǎn)離設(shè)備激振力頻率。一般地說(shuō)，若結(jié)構(gòu)的自振頻率低于設(shè)備的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，當(dāng)設(shè)備在開(kāi)啟或停機(jī)時(shí)，隨著設(shè)備機(jī)器轉(zhuǎn)速的變換，設(shè)備動(dòng)荷載工作頻率也隨之變化，會(huì)發(fā)生設(shè)備動(dòng)荷載工作頻率穿越結(jié)構(gòu)自振頻率從而產(chǎn)生穿越共振；

4、若結(jié)構(gòu)的自振頻率高于設(shè)備的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，則不可能發(fā)生共振，是比較安全的。故在具體設(shè)計(jì)中，我們根據(jù)“結(jié)構(gòu)的第一頻率密集區(qū)內(nèi)最低自振頻率計(jì)算值大于設(shè)備的振動(dòng)頻率”這一原則來(lái)進(jìn)行。以前由于計(jì)算手段及相關(guān)條件的制約，設(shè)計(jì)中一般只對(duì)直接承受動(dòng)力荷載的梁做振動(dòng)計(jì)算，也就是對(duì)梁的自振頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)整。作為直接振動(dòng)梁支座的間接振動(dòng)梁，則不再做動(dòng)力計(jì)算。從機(jī)器動(dòng)荷載作用下建筑物承重結(jié)構(gòu)的振動(dòng)計(jì)算和隔振設(shè)計(jì)規(guī)程中梁的自振頻率計(jì)算公式看： fjj×D/(ml4)1/2式中：j-固有頻率系數(shù)，D-梁的剛度, m-梁的單位長(zhǎng)度質(zhì)量，l-梁的跨度。梁的自振頻率隨其剛度的增加而提高，隨其均布質(zhì)量的增加而降低。計(jì)

5、算剛度D時(shí)，其中梁的高度1作者簡(jiǎn)介：邱德修（1980-），男（漢族），湖南婁底人，工程師（碩士），從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，qiudexiu。和跨度起到關(guān)鍵作只要變化梁高和跨度，通過(guò)試算，就使梁的自振頻率遠(yuǎn)大于設(shè)備的振動(dòng)頻率。計(jì)算均布質(zhì)量m時(shí)，要考慮結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備重，以及那些長(zhǎng)期作用的荷載。對(duì)于梁上或梁邊的臨時(shí)堆載、由設(shè)備產(chǎn)生的動(dòng)荷載以及人群出現(xiàn)時(shí)的短暫荷載等，采取周全的做法，即在計(jì)算梁的自振頻率時(shí)，對(duì)荷載的取值考慮兩種情況：一是只考慮結(jié)構(gòu)自重和長(zhǎng)期作用的設(shè)備重；二是除考慮上述質(zhì)量外，再加上使用時(shí)的一些臨時(shí)荷載。取這兩種情況下梁的自振頻率的較小值，從而能比較全面地考慮最不利情況的產(chǎn)生。然后根據(jù)“

6、梁的第一頻率密集區(qū)內(nèi)最低自振頻率計(jì)算值大于設(shè)備的振動(dòng)頻率”這一原則，來(lái)進(jìn)行梁的截面的設(shè)計(jì)，滿足這一1要求的振動(dòng)梁可以只需考慮設(shè)備的動(dòng)力系數(shù)后按一般的靜力計(jì)算即可。采用以上的簡(jiǎn)化方法一定程度上可以有效的控制結(jié)構(gòu)局部的振動(dòng)問(wèn)題，但是無(wú)法提前預(yù)知工業(yè)廠房的振動(dòng)問(wèn)題，因?yàn)椴粌H單根結(jié)構(gòu)梁固有頻率的計(jì)算方法準(zhǔn)確性差，區(qū)間范圍大，而且，即使單根梁的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，而工程實(shí)際中的振動(dòng)往往表現(xiàn)為多根梁、板的組合振動(dòng)，在設(shè)計(jì)上難以準(zhǔn)確把握。故比較準(zhǔn)確的方法是采用較復(fù)雜的有限元對(duì)包括主梁、次梁和樓板為一體的整個(gè)樓蓋甚至整個(gè)廠房的動(dòng)力特性進(jìn)行分析計(jì)算。在進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到廠房的振動(dòng)不但有框架整體的水平振動(dòng)，而且

7、還有樓蓋的垂直振動(dòng)。對(duì)于框架的水平振動(dòng)，需要對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度進(jìn)行加強(qiáng)來(lái)減少結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。對(duì)于樓蓋的垂直振動(dòng)，從振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生共振反應(yīng)的是包含梁系的一定區(qū)域，說(shuō)明樓蓋垂直振動(dòng)具有某種程度的整體性或局部整體性。雖然可以通過(guò)建立整體有限元模型進(jìn)行計(jì)算，但建模和計(jì)算都太復(fù)雜，而且由于結(jié)構(gòu)體系頻率密集很多，很難找到局部區(qū)域模態(tài)結(jié)果，這都不利于設(shè)計(jì)中快速的定性判斷及方案修改，所以選取一定樓板區(qū)域進(jìn)行計(jì)算是比較科學(xué)的，其分析結(jié)果也能較好反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際模態(tài)。3. 實(shí)例分析青海某造粒廠房，多層鋼框架結(jié)構(gòu)，組合樓面，橫向3跨（6m、4m、8m），縱向4跨（4

8、5;8m），主要建筑平面有±0.000，3.150，5.750，12.050，17.550，26.450，229.450等層，建筑高度40m，建筑面積4029.4m。由于初步設(shè)計(jì)工藝定方案時(shí)，結(jié)構(gòu)專業(yè)沒(méi)有參與，建筑物的面積和體積卡的比較緊，設(shè)備布置的非常局促，粒料篩分機(jī)的開(kāi)洞切斷了框架梁，輥壓機(jī)的布置使樓層產(chǎn)生了抽柱，而且部分樓層只有局部樓板布置，其結(jié)構(gòu)整體性較差。當(dāng)廠房投入使用后，30. 550平臺(tái)上的振動(dòng)篩運(yùn)行時(shí)，支撐這平臺(tái)的29. 450 局部樓面振動(dòng)響應(yīng)過(guò)大，人員明顯感覺(jué)不適。振動(dòng)篩的設(shè)備參數(shù)如下:振動(dòng)篩帶料后質(zhì)量為30t,設(shè)備的轉(zhuǎn)速為730 r/m。采用有限元軟件ANSYS

9、進(jìn)行建模分析。（1）局部分析為了定性地判斷29. 450 樓板是否和設(shè)備共振，截取了包含整個(gè)振動(dòng)篩在內(nèi)的樓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，梁?jiǎn)卧捎胋eam188模擬，板單元采用shell63模擬，振源設(shè)備采用三維質(zhì)量單元MASS21模擬，模型及單元如下圖所示：因設(shè)備的振動(dòng)頻率比樓板的自振頻率要低，與設(shè)備可能發(fā)生共振的只能是樓板的較低的自振頻率，取模型的前5個(gè)自振頻率來(lái)分析，這5個(gè)自振頻率分別為:8.23HZ,10.85HZ,11.68HZ, 11.85HZ, 15.37HZ,從模態(tài)分析結(jié)果可以看出，第3、4階頻率和設(shè)備振動(dòng)頻率相近，在這2個(gè)頻率范圍內(nèi)樓板和設(shè)備發(fā)生共振，樓板振動(dòng)厲害。可以通過(guò)改變樓面梁的

10、布置來(lái)改變樓面剛度，使樓面的自振頻率遠(yuǎn)離設(shè)備的振動(dòng)頻率，避開(kāi)共振。在此基礎(chǔ)上，還可以通過(guò)動(dòng)力時(shí)程分析，對(duì)整個(gè)樓蓋進(jìn)行精確的動(dòng)力響應(yīng)分析，得出樓蓋的最大豎向振動(dòng)值，判斷是否在豎向振動(dòng)允許值內(nèi)。圖三 第3振型（f11.68HZ） 圖四 第4振型（f11.85HZ）（2）整體分析通過(guò)對(duì)樓蓋的局部分析，可以解決樓蓋的豎向振動(dòng)問(wèn)題。對(duì)于廠房的整體水平振動(dòng)，則須建立包括設(shè)備在內(nèi)的設(shè)備結(jié)構(gòu)整體三維有限元模型。首先進(jìn)行模態(tài)分析，采用Block Lanczos方法提取前十階頻率：1.79HZ、1.86HZ、2.64HZ、3.01HZ、3.11HZ、3.17HZ、3.23HZ、4.72HZ、5.94HZ、6.28

11、HZ，第一、二階振型為整體的水平振動(dòng)，第三階振型為整體的轉(zhuǎn)動(dòng)，第四至七階振型為屋面水平支撐的振動(dòng)，第八、九階振型為頂層的水平振動(dòng)，第十階振型為樓板的局部振動(dòng)。限于篇幅，僅給出前3階振型。圖五 整體有限元模型 圖六 第一振型（f1.79HZ）圖七 第二振型（f1.86HZ） 圖八 第三振型（f2.23HZ） 結(jié)合模態(tài)分析的結(jié)果，可以對(duì)廠房整體的水平振動(dòng)做出快速的定性判斷，然后進(jìn)一步對(duì)整體結(jié)構(gòu)在設(shè)備動(dòng)力作用下進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析， 從而可以比較精確的確定動(dòng)力設(shè)備對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)的影響量。同時(shí)在整體分析中可以提取局部樓蓋的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)樓蓋的豎向振動(dòng)可以從整體上把握。通過(guò)局部和整體兩階段的分析，可以提前預(yù)知

12、工業(yè)廠房的振動(dòng)情況，將振動(dòng)的影響控制在結(jié)構(gòu)安全、設(shè)備運(yùn)行和及操作人員正常工作的范圍之內(nèi)。4. 結(jié)構(gòu)方案及布置原則由于設(shè)備振動(dòng)的不確定性和復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型的誤差以及與實(shí)際情況的差異，使得所謂“精確的振動(dòng)分析”很難有效的控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能。更有效的減振措施是概念設(shè)計(jì)而不是計(jì)算，所以結(jié)構(gòu)方案和布置顯得尤為重要。由結(jié)構(gòu)的自振頻率計(jì)算公式看，結(jié)構(gòu)的自振頻率主要取決于結(jié)構(gòu)的剛度，而結(jié)構(gòu)的剛度又取決于結(jié)構(gòu)的布置方案。故首先我們應(yīng)從結(jié)構(gòu)布置方案上采取措施，從布置上減輕設(shè)備振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響。工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)方案是和工藝的設(shè)備布置緊密相關(guān)的，受到工藝設(shè)備布置的制約。在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)確定工藝方案時(shí)，

13、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就應(yīng)參與設(shè)備布置的討論，結(jié)合實(shí)際情況針對(duì)不同設(shè)備提出具體的結(jié)構(gòu)布置方案，盡可能把動(dòng)力設(shè)備置于對(duì)結(jié)構(gòu)最有利的位置，盡可能從布置上減輕設(shè)備振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響。通過(guò)以上的分析，結(jié)合設(shè)計(jì)中遇到的振動(dòng)現(xiàn)象（樓蓋的垂直振動(dòng)和框架整體的水平振動(dòng)），從控制振動(dòng)的兩個(gè)因素出發(fā)，對(duì)設(shè)備、結(jié)構(gòu)布置采取以下措施來(lái)減少動(dòng)力設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響行：（1）振動(dòng)設(shè)備盡量布置在底層，盡可能將設(shè)備基礎(chǔ)或支撐體系與主體結(jié)構(gòu)脫開(kāi)；（2）在設(shè)備上加設(shè)振子，設(shè)備振動(dòng)時(shí)振子對(duì)設(shè)備形成反方向的激振力，達(dá)到減振目的；（3）調(diào)整設(shè)備的振動(dòng)頻率或者轉(zhuǎn)向，使其錯(cuò)開(kāi)結(jié)構(gòu)的自振頻率，以免發(fā)生共振。當(dāng)有多臺(tái)設(shè)備共同工作時(shí)，可使其運(yùn)轉(zhuǎn)

14、方向相互錯(cuò)開(kāi)，避免在同一方向產(chǎn)生共振；（4）在設(shè)備無(wú)法調(diào)整的情況下，設(shè)法調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率。例如改變梁柱的截面，增設(shè)支撐，改變結(jié)構(gòu)形式等，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的控制：a）動(dòng)力設(shè)備應(yīng)布置在梁上，但不能放在懸臂梁上，且使水平方向的慣性力沿著梁的縱向方向；b）垂直擾力較大的設(shè)備宜布置在承重墻、柱及梁支座附近；c）水平擾力較大的設(shè)備布置時(shí)，其擾力方向宜與樓蓋剛度較大的方向一致；d）支撐振動(dòng)設(shè)備的框架為多跨結(jié)構(gòu)時(shí)，宜采用等跨結(jié)構(gòu)；e）振動(dòng)篩不宜跨軸線，以免篩下留孔切斷框架梁；f）同時(shí)布置有較大振動(dòng)設(shè)備或?qū)φ駝?dòng)敏感的設(shè)備，宜分類集中，分區(qū)布置，減少相互影響；g）動(dòng)荷載作用下多跨梁比單跨梁好，在斷面、

15、剛度相同的情況下，兩跨梁的振幅比單跨梁要小44，三跨梁的振幅比單跨梁要小49；而在三跨梁的情況下，動(dòng)力設(shè)備作用在中跨比在邊跨振幅要小23；所以在設(shè)備動(dòng)力荷載作用下，樓板次6梁盡量布置成多跨連續(xù)梁，動(dòng)力設(shè)備盡可能布置在中間跨，這樣可明顯地減少樓板的振動(dòng)。5. 結(jié)語(yǔ)工業(yè)廠房中振動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)問(wèn)題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，結(jié)合設(shè)計(jì)中的實(shí)際問(wèn)題，對(duì)工業(yè)廠房的振動(dòng)控制，從設(shè)備、結(jié)構(gòu)布置和計(jì)算方法等方面提出了具體的要求和措施，為多層工業(yè)廠房的振動(dòng)問(wèn)題的解決提供了參考依據(jù)，可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。參考文獻(xiàn)：1 高紅珍,選煤廠主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的振動(dòng)荷載問(wèn)題J,煤碳工程，2003(5):26

16、-27。2 YBJ5590 機(jī)器動(dòng)荷載作用下建筑物承重結(jié)構(gòu)的振動(dòng)計(jì)算和隔振設(shè)計(jì)規(guī)程S。3 GB5004096 動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范S。4 GB5019093 多層廠房樓蓋抗微振設(shè)計(jì)規(guī)范S。5 馮軍和，張敏政，閆維明,多層選煤廠房的受振層樓板振動(dòng)分析J,地震工程與工程振動(dòng)，2007(4):99-103。6 阮慎興.設(shè)備動(dòng)荷載作用下廠房樓層布置的幾個(gè)問(wèn)題探討J,煤礦設(shè)計(jì)，1988(5):43-47。Vibration Problem Analysis of MultistoriesIndustry BuildingQiu Dexiu Fan Kairu(Changsha Design and Re

17、search Institute of Ministry of Chemical Industry 410116) Abstract：Because of more and more many dynamic equipment upstairs, when industry building structure design, not only needing to consider the routine static load, but also to consider the dynamic load and vibration of the large-scale dynamic equipment. Combine the actual project, the vibration problems in structural design of industrial plant aroused by vibratory equipment have been discussed and analyzed from parts and whole in this paper; w