振动计算在工业建筑中的应用研究

韩 旭

振动计算在工业建筑中的应用研究

韩 旭

针对工业建筑楼层上动力机器所带来的振动问题,结合实际工程背景,分析了结构振动计算的一些简便方法,并对计算中所遇到的问题作以总结,以期为结构设计人员积累宝贵经验。

振动计算,结构基频,扰力,振动速度

伴随我国国民经济的快速发展,工业厂房建设迅猛增长,按照工艺要求并本着节约土地的原则,设置在楼层上的动力机器越来越多。如果没有经过合理的抗振设计,使得振动超过了允许限值,不但影响了正常的生产活动,对生产人员的身心健康也造成严重威胁[1]。在传统设计中,振动计算过于繁琐,结构设计人员往往不清楚计算的力学模型,对于振动计算的方法模糊不清,甚至仅将荷载以静力输入,造成了计算结果的较大误差。

针对上述问题,结合实际的工程背景,具体分析建筑结构工程中一些简单实用的振动计算方法,并作以总结,对于解决楼层上动力机器所带来的振动问题具有重要意义。

1 工程背景

山西某化工项目干燥工段,厂房主体总高 22.5m,共 3层,其中 1层高 6m,2层高 9.5m,3层高 7m。在第二层楼板上座三台相同规格的离心机,机器转速较高(2 000 r/min以上),机器质量较大(10 t/单台以上),且离心机布置位置集中,布置区间梁跨度较大。为了满足工艺管道专业对于楼板开洞及预埋件布置的要求,并尽量合理进行梁布置,以达到建立简单的振动力学分析模型的效果,电机动、静荷载作用于 8m跨度的框架梁上,离心机主机的动、静荷载作用于一级次梁上,次梁铰接于 9.3m跨度的框架梁上。

2 振动计算

2.1 计算参数

结构工程振动计算的主要目的在于反映工程振动的真实状态,保障生产人员安全及设备、仪表的正常运转,因此在计算中要比较准确地掌握相关计算资料,参数的取值要尽量符合实际情况,将计算结果和真实振动状态的误差降至最低。进行楼层上振动计算应取得如下资料：1)机器的转速、功率及外轮廓;2)机器的质量及荷载分布;3)机器生产时的扰力及分布。

振动设备的扰力应由机器制造厂家提供,一般提供纵、横和竖向三个方向上的扰力值[2]。结构的振动不允许超过限值,允许振动限值应由机器制造厂家提供,当制造厂不能提供时,主要是控制竖向和水平向振动速度,可参见文献[2]附录B确定。梁支座连接的假定对振动计算结果影响显著。对于混凝土结构,梁与柱的连接设计为刚接,主、次梁的连接为半刚接半铰接状态。当结构基频超过机器频率趋于共振前时,采用铰接对抗振有利;当结构基频低于机器频率趋于共振后时,采用刚接对抗振有利。振动计算时,厂房楼面活荷载取值一般难以确定。工艺、管道专业所定的活荷载值可用于结构承载力计算,用于振动计算则偏大。经验设计时,当结构振动趋于共振前时,活荷载取 0.5 kN/m2;当结构振动趋于共振后时,活荷载取 1.0 kN/m2。

2.2 两端刚接弹性支座均质梁振动计算

此方法可分析两端支座相同的均质框架梁在扰力作用下的振动问题。

1)集中质量简化均布质量。

计算均布质量时应仔细推敲计算参数,对于楼面恒荷、活荷、支撑梁承担的楼面荷载宽度及梁自重等应计算准确。位于楼面上的梁考虑楼板的作用在计算刚度时应乘以放大系数,该系数随板厚、梁尺寸及楼板开洞变化而调整。

2)自由振动计算。

第i阵型结构基频：

就工程实际而言,应考虑前三个阵型跨中及 1/4点处的振动情况,但是通过经验分析对于跨中点前三个阵型的振动速度累加和比第一阵型增大很少,而 1/4点处阵型累加和比第一阵型增大很多但仍比跨中要小,故简便计算中可仅考虑第一阵型跨中处振动,第一阵型具有主导作用。

振动速度的限值可参见文献[2]附录B中确定。

由动力学理论可知,有两个因素控制着结构的振动：一个是结构自身基频;另一个是对结构施加的扰力源。对于远离共振区有两种情况,若结构基频高于机器频率则不可能发生共振,这是比较安全的;若结构基频低于机器频率则机器运转过程中会穿越共振区,故设计中应尽量满足趋于共振前这一原则[3]。

对于所涉及的工程,离心机的电机座于框架梁上,机器的转速较高,机器频率较大,若通过调节结构基频达到趋于共振前,则梁断面取值过大,不能满足工艺管道对于结构净空的要求,也不能满足结构对于强柱弱梁的设计理念。此外,梁柱连接节点的转角,也会严重影响计算的准确性。故对于该框架梁的设计使其趋于共振后,这样既可以大幅度减小梁断面,也可以尽量避免梁柱节点转角的影响,因为考虑转角因素会使得结构基频进一步降低,更加远离共振区。但是仍要注意在振动速度未超限的情况下需满足尽量使结构基频最大化的原则,以抵抗机器运转过程中穿越共振区时所带来的不利影响,同时需要考虑同层楼板上作用机器数量所带来的振动速度的放大。

2.3 两端简支弹性支座均质梁振动计算

此方法可分析两端支座相同的一级次梁在扰力作用下的振动问题,离心机主机座于一级次梁上。均布质量、自由振动、强迫振动的计算方法与两端刚接弹性支座均质梁振动计算方法基本相同仅是计算阵型的方法不同,这里不再赘述。

对于所涉及的工程仍然遇到了前面两端刚接弹性支座均质梁振动计算中所遇到的由于机器频率大于结构基频而导致趋于共振后的问题,为满足尽量使结构基频最大化的原则,一级次梁两端增加支座负筋,并通过加大楼板钢筋尽量限制主梁扭转的方法增大结构基频,提高抵抗振动的能力。

3 结语

1)对于简支梁,仅增加梁支座负筋很难有效达到增加结构基频的效果,应相应增加楼板支座钢筋,有利于主梁抗扭转。2)框架梁刚接于框架柱要适当考虑梁端转角所带来的结构基频降低因素。3)对于钢筋混凝土楼板来说,楼板和梁连接为整体,在横向具有较大的刚度,一般情况下梁仅考虑竖向振动即可。4)工程设计中经常遇到先发基础图的情况,因此,在应用结构计算软件建立模型时应预先考虑振动计算,加大梁柱截面。5)对于机器频率大于结构基频的情况,也应在满足限值的条件下适当加大楼板及梁刚度,不要一味降低结构基频。6)振动问题受理论、外专业条件、实际情况复杂等诸多因素影响,很难精确计算,所以要事先估计可能发生的破坏情况,研究预防措施,比如在柱侧及梁底布置预埋铁,一旦机器运行出现了振动超限问题,可以通过加设支撑来弥补。7)振动机器下的支撑梁布置应合理,便于建立简化计算模型。8)当结构布局严重不利于抗振设计时,应主动向上游专业提出,更改布置方案。

[1]邱德修,樊开儒.多层工业厂房的振动问题分析[J].工业建筑,2010(S1)：4-9.

[2]张荣山,张震华,顾整蒙.建筑结构振动计算与抗振措施[M].北京：冶金工业出版社,2010.

[3]李廉锟.结构力学[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

韩 旭(1983-),男,工程师,中国天辰工程有限公司,天津 300400