振動計算在工業建筑中的應用研究

韓 旭

振動計算在工業建筑中的應用研究

韓 旭

針對工業建筑樓層上動力機器所帶來的振動問題,結合實際工程背景,分析了結構振動計算的一些簡便方法,并對計算中所遇到的問題作以總結,以期為結構設計人員積累寶貴經驗。

振動計算,結構基頻,擾力,振動速度

伴隨我國國民經濟的快速發展,工業廠房建設迅猛增長,按照工藝要求并本著節約土地的原則,設置在樓層上的動力機器越來越多。如果沒有經過合理的抗振設計,使得振動超過了允許限值,不但影響了正常的生產活動,對生產人員的身心健康也造成嚴重威脅[1]。在傳統設計中,振動計算過于繁瑣,結構設計人員往往不清楚計算的力學模型,對于振動計算的方法模糊不清,甚至僅將荷載以靜力輸入,造成了計算結果的較大誤差。

針對上述問題,結合實際的工程背景,具體分析建筑結構工程中一些簡單實用的振動計算方法,并作以總結,對于解決樓層上動力機器所帶來的振動問題具有重要意義。

1 工程背景

山西某化工項目干燥工段,廠房主體總高 22.5m,共 3層,其中 1層高 6m,2層高 9.5m,3層高 7m。在第二層樓板上座三臺相同規格的離心機,機器轉速較高(2 000 r/min以上),機器質量較大(10 t/單臺以上),且離心機布置位置集中,布置區間梁跨度較大。為了滿足工藝管道專業對于樓板開洞及預埋件布置的要求,并盡量合理進行梁布置,以達到建立簡單的振動力學分析模型的效果,電機動、靜荷載作用于 8m跨度的框架梁上,離心機主機的動、靜荷載作用于一級次梁上,次梁鉸接于 9.3m跨度的框架梁上。

2 振動計算

2.1 計算參數

結構工程振動計算的主要目的在于反映工程振動的真實狀態,保障生產人員安全及設備、儀表的正常運轉,因此在計算中要比較準確地掌握相關計算資料,參數的取值要盡量符合實際情況,將計算結果和真實振動狀態的誤差降至最低。進行樓層上振動計算應取得如下資料：1)機器的轉速、功率及外輪廓;2)機器的質量及荷載分布;3)機器生產時的擾力及分布。

振動設備的擾力應由機器制造廠家提供,一般提供縱、橫和豎向三個方向上的擾力值[2]。結構的振動不允許超過限值,允許振動限值應由機器制造廠家提供,當制造廠不能提供時,主要是控制豎向和水平向振動速度,可參見文獻[2]附錄B確定。梁支座連接的假定對振動計算結果影響顯著。對于混凝土結構,梁與柱的連接設計為剛接,主、次梁的連接為半剛接半鉸接狀態。當結構基頻超過機器頻率趨于共振前時,采用鉸接對抗振有利;當結構基頻低于機器頻率趨于共振后時,采用剛接對抗振有利。振動計算時,廠房樓面活荷載取值一般難以確定。工藝、管道專業所定的活荷載值可用于結構承載力計算,用于振動計算則偏大。經驗設計時,當結構振動趨于共振前時,活荷載取 0.5 kN/m2;當結構振動趨于共振后時,活荷載取 1.0 kN/m2。

2.2 兩端剛接彈性支座均質梁振動計算

此方法可分析兩端支座相同的均質框架梁在擾力作用下的振動問題。

1)集中質量簡化均布質量。

計算均布質量時應仔細推敲計算參數,對于樓面恒荷、活荷、支撐梁承擔的樓面荷載寬度及梁自重等應計算準確。位于樓面上的梁考慮樓板的作用在計算剛度時應乘以放大系數,該系數隨板厚、梁尺寸及樓板開洞變化而調整。

2)自由振動計算。

第i陣型結構基頻：

就工程實際而言,應考慮前三個陣型跨中及 1/4點處的振動情況,但是通過經驗分析對于跨中點前三個陣型的振動速度累加和比第一陣型增大很少,而 1/4點處陣型累加和比第一陣型增大很多但仍比跨中要小,故簡便計算中可僅考慮第一陣型跨中處振動,第一陣型具有主導作用。

振動速度的限值可參見文獻[2]附錄B中確定。

由動力學理論可知,有兩個因素控制著結構的振動：一個是結構自身基頻;另一個是對結構施加的擾力源。對于遠離共振區有兩種情況,若結構基頻高于機器頻率則不可能發生共振,這是比較安全的;若結構基頻低于機器頻率則機器運轉過程中會穿越共振區,故設計中應盡量滿足趨于共振前這一原則[3]。

對于所涉及的工程,離心機的電機座于框架梁上,機器的轉速較高,機器頻率較大,若通過調節結構基頻達到趨于共振前,則梁斷面取值過大,不能滿足工藝管道對于結構凈空的要求,也不能滿足結構對于強柱弱梁的設計理念。此外,梁柱連接節點的轉角,也會嚴重影響計算的準確性。故對于該框架梁的設計使其趨于共振后,這樣既可以大幅度減小梁斷面,也可以盡量避免梁柱節點轉角的影響,因為考慮轉角因素會使得結構基頻進一步降低,更加遠離共振區。但是仍要注意在振動速度未超限的情況下需滿足盡量使結構基頻最大化的原則,以抵抗機器運轉過程中穿越共振區時所帶來的不利影響,同時需要考慮同層樓板上作用機器數量所帶來的振動速度的放大。

2.3 兩端簡支彈性支座均質梁振動計算

此方法可分析兩端支座相同的一級次梁在擾力作用下的振動問題,離心機主機座于一級次梁上。均布質量、自由振動、強迫振動的計算方法與兩端剛接彈性支座均質梁振動計算方法基本相同僅是計算陣型的方法不同,這里不再贅述。

對于所涉及的工程仍然遇到了前面兩端剛接彈性支座均質梁振動計算中所遇到的由于機器頻率大于結構基頻而導致趨于共振后的問題,為滿足盡量使結構基頻最大化的原則,一級次梁兩端增加支座負筋,并通過加大樓板鋼筋盡量限制主梁扭轉的方法增大結構基頻,提高抵抗振動的能力。

3 結語

1)對于簡支梁,僅增加梁支座負筋很難有效達到增加結構基頻的效果,應相應增加樓板支座鋼筋,有利于主梁抗扭轉。2)框架梁剛接于框架柱要適當考慮梁端轉角所帶來的結構基頻降低因素。3)對于鋼筋混凝土樓板來說,樓板和梁連接為整體,在橫向具有較大的剛度,一般情況下梁僅考慮豎向振動即可。4)工程設計中經常遇到先發基礎圖的情況,因此,在應用結構計算軟件建立模型時應預先考慮振動計算,加大梁柱截面。5)對于機器頻率大于結構基頻的情況,也應在滿足限值的條件下適當加大樓板及梁剛度,不要一味降低結構基頻。6)振動問題受理論、外專業條件、實際情況復雜等諸多因素影響,很難精確計算,所以要事先估計可能發生的破壞情況,研究預防措施,比如在柱側及梁底布置預埋鐵,一旦機器運行出現了振動超限問題,可以通過加設支撐來彌補。7)振動機器下的支撐梁布置應合理,便于建立簡化計算模型。8)當結構布局嚴重不利于抗振設計時,應主動向上游專業提出,更改布置方案。

[1]邱德修,樊開儒.多層工業廠房的振動問題分析[J].工業建筑,2010(S1)：4-9.

[2]張榮山,張震華,顧整蒙.建筑結構振動計算與抗振措施[M].北京：冶金工業出版社,2010.

[3]李廉錕.結構力學[M].北京：高等教育出版社,1996.

Research on app lication of vibration calculation in industrial buildings

HAN Xu

According to the vibration problems caused by the dynamicmachine in floors of the industrial buildings,the paper,combining with the engineering background,analyzes some briefmethods for the structural vibration calcu lation,and sums up the prob lems in the calcu lation process,so as to accumu late the precious experience for structural design personnel.

vibration calculation,structural basement,interrupting force,vibration speed

TU27

A

1009-6825(2011)03-0038-02

2010-10-09

韓 旭(1983-),男,工程師,中國天辰工程有限公司,天津 300400