多層工業(yè)廠房的振動(dòng)問(wèn)題分析

   日期：2017-08-10

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。

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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，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。

一、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)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；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： ??

式中：φ 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)算剛度D時(shí)，其中梁的高度和跨度起到關(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)“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)。


二、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（4×8m），主要建筑平面有▽± 0.000，▽3.150，▽5.750，▽12.050，▽17.550，▽26.450， ▽29.450等層，建筑高度40m，建筑面積4029.4m²。

?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進(jìn)行建模分析。?

01 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?？梢酝ㄟ^(guò)改變樓面梁的布置來(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)。?


02 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、6.28HZ，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。?


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)。?


三、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)，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：

01 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)；

02 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；

03 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)方向相互錯(cuò)開(kāi)，避免在同一方向產(chǎn)生共振；

04 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：

? ① 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；
? ② 垂直擾力較大的設(shè)備宜布置在承重墻、柱及梁支座附近；
? ③ 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；
? ④ 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)；
? ⑤ 振動(dòng)篩不宜跨軸線，以免篩下留孔切斷框架梁；
? ⑥ 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；
??⑦ 動(dòng)荷載作用下多跨梁比單跨梁好，在斷面、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)。?

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。