多層工業(yè)廠房的振動問題分析

   日期：2017-08-10

本文結(jié)合實際工程，對工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中由振動設(shè)備所產(chǎn)生的振動問題，從局部和整體分別進行了討論和分析；對工業(yè)廠房的振動控制，從設(shè)備、結(jié)構(gòu)布置和計算方法等方面提出了具體的要求和措施。

??

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，各種振動設(shè)備也隨之上樓。受設(shè)備振動的影響，或者設(shè)備振動之間相互影響，導致振動放大，并傳播到結(jié)構(gòu)上引起廠房結(jié)構(gòu)振動，輕者影響生產(chǎn)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫；重者導致結(jié)構(gòu)破壞。

振動問題給我們的生產(chǎn)和生活帶來很多危害。廠房內(nèi)的大型動力設(shè)備在使用時，會產(chǎn)生巨大的反復變動的荷載，這荷載引起樓蓋的垂直振動，同時也有整體的水平振動。結(jié)構(gòu)的振動過大，降低了機器的動態(tài)精度和使用性能，同時使處在其中的工作人員有不舒服感，影響人員的身體健康。

對于有動力設(shè)備的廠房，結(jié)構(gòu)振動往往不能完全避免，故如何將振動的影響控制在結(jié)構(gòu)安全的范圍之內(nèi)，控制在不影響廠房內(nèi)敏感設(shè)備和操作人員正常運行的范圍之內(nèi)，解決振動問題就成了廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵。

一、分析方法及計算模型

由動力學理論可知，有兩個方面的因素控制著結(jié)構(gòu)的振動：一個是對結(jié)構(gòu)施加的激振力，即擾力源；另一個則是結(jié)構(gòu)對特定激勵的響應(yīng)，即結(jié)構(gòu)自身的動力特性。當結(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將發(fā)生共振，從而形成較大振幅、高動應(yīng)力和高等級噪聲等。

平常我們采取的最簡單的方法就是使其避開共振。避開共振有二種途徑：一是調(diào)整機器的運轉(zhuǎn)頻率；二是改變結(jié)構(gòu)的自振頻率。對于定型設(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?shù)慕Y(jié)構(gòu)自振頻率，使其遠離設(shè)備激振力頻率。

一般地說，若結(jié)構(gòu)的自振頻率低于設(shè)備的強迫振動頻率，當設(shè)備在開啟或停機時，隨著設(shè)備機器轉(zhuǎn)速的變換，設(shè)備動荷載工作頻率也隨之變化，會發(fā)生設(shè)備動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)備的強迫振動頻率，則不可能發(fā)生共振，是比較安全的。故在具體設(shè)計中，我們根據(jù)“結(jié)構(gòu)的第一頻率密集區(qū)內(nèi)最低自振頻率計算值大于設(shè)備的振動頻率”這一原則來進行。?

以前由于計算手段及相關(guān)條件的制約，設(shè)計中一般只對直接承受動力荷載的梁做振動計算，也就是對梁的自振頻率進行設(shè)計與調(diào)整。作為直接振動梁支座的間接振動梁，則不再做動力計算。從《機器動荷載作用下建筑物承重結(jié)構(gòu)的振動計算和隔振設(shè)計規(guī)程》中梁的自振頻率計算公式看： ??

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。計算剛度D時，其中梁的高度和跨度起到關(guān)鍵作只要變化梁高和跨度，通過試算，就使梁的自振頻率遠大于設(shè)備的振動頻率。計算均布質(zhì)量m時，要考慮結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備重，以及那些長期作用的荷載。

對于梁上或梁邊的臨時堆載、由設(shè)備產(chǎn)生的動荷載以及人群出現(xiàn)時的短暫荷載等，采取周全的做法，即在計算梁的自振頻率時，對荷載的取值考慮兩種情況：一是只考慮結(jié)構(gòu)自重和長期作用的設(shè)備重；二是除考慮上述質(zhì)量外，再加上使用時的一些臨時荷載。

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)最低自振頻率計算值大于設(shè)備的振動頻率”這一原則，來進行梁的截面的設(shè)計，滿足這一要求的振動梁可以只需考慮設(shè)備的動力系數(shù)后按一般的靜力計算即可。?


采用以上的簡化方法一定程度上可以有效的控制結(jié)構(gòu)局部的振動問題，但是無法提前預(yù)知工業(yè)廠房的振動問題，因為不僅單根結(jié)構(gòu)梁固有頻率的計算方法準確性差，區(qū)間范圍大，而且，即使單根梁的計算結(jié)果準確，而工程實際中的振動往往表現(xiàn)為多根梁、板的組合振動，在設(shè)計上難以準確把握。故比較準確的方法是采用較復雜的有限元對包括主梁、次梁和樓板為一體的整個樓蓋甚至整個廠房的動力特性進行分析計算。?

在進行廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計時，考慮到廠房的振動不但有框架整體的水平振動，而且還有樓蓋的垂直振動。對于框架的水平振動，需要對廠房整體結(jié)構(gòu)進行動力特性分析，對結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度進行加強來減少結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。

對于樓蓋的垂直振動，從振動現(xiàn)場的實測發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生共振反應(yīng)的是包含梁系的一定區(qū)域，說明樓蓋垂直振動具有某種程度的整體性或局部整體性。

雖然可以通過建立整體有限元模型進行計算，但建模和計算都太復雜，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)域進行計算是比較科學的，其分析結(jié)果也能較好反映結(jié)構(gòu)的實際模態(tài)。


二、實例分析

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)計工藝定方案時，結(jié)構(gòu)專業(yè)沒有參與，建筑物的面積和體積卡的比較緊，設(shè)備布置的非常局促，粒料篩分機的開洞切斷了框架梁，輥壓機的布置使樓層產(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。

當廠房投入使用后，▽30. 550平臺上的振動篩運行時，支撐這平臺的▽29. 450 局部樓面振動響應(yīng)過大，人員明顯感覺不適。振動篩的設(shè)備參數(shù)如下:振動篩帶料后質(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，截取了包含整個振動篩在內(nèi)的樓板結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，梁單元采用beam188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個自振頻率來分析，這5個自振頻率分別為: ?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)備振動頻率相近，在這2個頻率范圍內(nèi)樓板和設(shè)備發(fā)生共振，樓板振動厲害。可以通過改變樓面梁的布置來改變樓面剛度，使樓面的自振頻率遠離設(shè)備的振動頻率，避開共振。在此基礎(chǔ)上，還可以通過動力時程分析，對整個樓蓋進行精確的動力響應(yīng)分析，得出樓蓋的最大豎向振動值，判斷是否在豎向振動允許值內(nèi)。?


02 整體分析?

通過對樓蓋的局部分析，可以解決樓蓋的豎向振動問題。對于廠房的整體水平振動，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，第三階振型為整體的轉(zhuǎn)動，第四至七階振型為屋面水平支撐的振動，第八、九階振型為頂層的水平振動，第十階振型為樓板的局部振動。限于篇幅，僅給出前3階振型。?


結(jié)合模態(tài)分析的結(jié)果，可以對廠房整體的水平振動做出快速的定性判斷，然后進一步對整體結(jié)構(gòu)在設(shè)備動力作用下進行動力時程分析， 從而可以比較精確的確定動力設(shè)備對廠房整體結(jié)構(gòu)的影響量。

同時在整體分析中可以提取局部樓蓋的動力響應(yīng)，對樓蓋的豎向振動可以從整體上把握。 通過局部和整體兩階段的分析，可以提前預(yù)知工業(yè)廠房的振動情況，將振動的影響控制在結(jié)構(gòu)安全、設(shè)備運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)備振動的不確定性和復雜性、結(jié)構(gòu)計算分析模型的誤差以及與實際情況的差異，使得所謂“精確的振動分析”很難有效的控制結(jié)構(gòu)的振動性能。更有效的減振措施是概念設(shè)計而不是計算，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)備振動對結(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。在進行初步設(shè)計確定工藝方案時，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員就應(yīng)參與設(shè)備布置的討論，結(jié)合實際情況針對不同設(shè)備提出具體的結(jié)構(gòu)布置方案，盡可能把動力設(shè)備置于對結(jié)構(gòu)最有利的位置，盡可能從布置上減輕設(shè)備振動對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響。?

通過以上的分析，結(jié)合設(shè)計中遇到的振動現(xiàn)象（樓蓋的垂直振動和框架整體的水平振動），從控制振動的兩個因素出發(fā)，對設(shè)備、結(jié)構(gòu)布置采取以下措施來減少動力設(shè)備對結(jié)構(gòu)的振動影響行：

01 振動設(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；

02 在設(shè)備上加設(shè)振子，設(shè)備振動時振子對設(shè)備形成反方向的激振力，達到減振目的；

03 調(diào)整設(shè)備的振動頻率或者轉(zhuǎn)向，使其錯開結(jié)構(gòu)的自振頻率，以免發(fā)生共振。當有多臺設(shè)備共同工作時，可使其運轉(zhuǎn)方向相互錯開，避免在同一方向產(chǎn)生共振；

04 在設(shè)備無法調(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，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置來實現(xiàn)振動的控制：

? ① 動力設(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，其擾力方向宜與樓蓋剛度較大的方向一致；
? ④ 支撐振動設(shè)備的框架為多跨結(jié)構(gòu)時，宜采用等跨結(jié)構(gòu)；
? ⑤ 振動篩不宜跨軸線，以免篩下留孔切斷框架梁；
? ⑥ 同時布置有較大振動設(shè)備或?qū)φ駝用舾械脑O(shè)備，宜分類集中，分區(qū)布置，減少相互影響；
??⑦ 動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)備動力荷載作用下，樓板次梁盡量布置成多跨連續(xù)梁，動力設(shè)備盡可能布置在中間跨，這樣可明顯地減少樓板的振動。?

工業(yè)廠房中振動設(shè)備的振動問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點和難點。本文通過理論分析和數(shù)值模擬，結(jié)合設(shè)計中的實際問題，對工業(yè)廠房的振動控制，從設(shè)備、結(jié)構(gòu)布置和計算方法等方面提出了具體的要求和措施，為多層工業(yè)廠房的振動問題的解決提供了參考依據(jù)，可用于指導設(shè)計工作。