电子厂房环境振动测试及有限元分析

高广运,聂春晓，　李绍毅

(1.同济大学 地下建筑与工程系,上海　200092;2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室,上海　200092)



电子厂房环境振动测试及有限元分析

高广运1,2,聂春晓1，2，李绍毅1,2

(1.同济大学 地下建筑与工程系,上海200092;2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092)

摘要:文章采用现场实测和有限元动力分析研究电子厂房的微振动响应,采用加速度拾振器测试了电子厂房修建前环境振动大小,采用ANSYS软件建立了厂房有限元动力分析模型,模拟地脉动作用下厂房内地面振动大小。电子厂房施工完毕后再次测量厂房内地坪的微振动,通过厂房修建前后的实测振动数据分析厂房刚性地坪对地面微振动幅值和频率的影响,比较了有限元动力分析结果与实测结果的差异。结果发现:场地振动主要由小于10 Hz低频振动控制,厂房刚性地坪对低频振动的控制能力优于高频振动,可以减小厂房地面振动大小;厂房内部机械振源对地面振动幅值和频率有极大影响。

关键词:环境振动;电子厂房;有限元分析;加速度测试;频谱分析

随着电子工业高速发展,精密仪器、设备厂房对振动控制的要求也日益提高。但是厂房不可避免受到临近公路、铁路交通荷载的影响。如何有效控制厂房振动,保护仪器、设备的安全,保障正常生产成为一大难题。文献[1]根据实测厂房数据讨论了厂房振动频段分布特点和振动幅值的影响因素;文献[2]采用有限元分析了水电站厂房的动力响应,讨论了结构自振频率、振动位移反应和振动应力的大小;文献[3]现场测试了多层厂房的振动位移和加速度,讨论了振动对建筑结构的影响和减小振动的措施,认为增加主梁高度对减小振动有较大作用;文献[4]从厂房选址布局、建筑结构减振措施、振源的隔振方法和精密仪器的调整检修等多方面讨论了精密厂房的减振、隔振措施;文献[5]采用ANSYS有限元模型结合现场实测数据分析了厂房振动的频率、阻尼,研究了结构的安全性能和振动设备改造的影响;文献[6]采用ANSYS建立了铁路高架桥振动分析模型,研究了高架附近精密仪器的振动响应,讨论了隔振沟和限制列车速度等措施的隔振效果;文献[7]通过现场实测结合ANSYS有限元软件研究了环境振动对洁净厂房的影响,发现加密柱网能有效控制结构振动;文献[8]采用有限元方法,利用Caughey阻尼模型,讨论了阻尼对地铁引起地面振动计算结果的影响;文献[9]测试了某办公大楼的中央空调系统运行的振动和噪声,发现热泵和水泵机组及管道的振动可引起楼板较大振动。

电子厂房的减振、隔振措施随精密仪器对振动大小的要求和不同环境条件有差异,如何有效控制结构内微振动还有待进一步探索。本文根据某精密厂房的振动测试数据和有限元动力分析结果,讨论了厂房振动的影响因素,分析了刚性地坪对地面振动幅值和频率的影响,总结了有限元模型分析结构振动的可能问题。

1工程概况

精密厂房位于某出口加工区内，厂房周边场地环境为:厂房西侧为已建厂房,相距约20 m;南侧紧邻园区内交通要道,与临近厂房相距50 m;北测约150 m范围内为未开发用地,偶尔有小型挖掘机施工;较远处(约300 m)有东西走向的公路和铁路,车流量较大。工程场地环境复杂,需对该工程的微振动特性进行详细研究。厂房主体结构为轻钢结构(建筑面积8 860 m2),厂房平面图如图1所示。由于生产工艺要求,根据设计方提供的相关资料,成品仓库防微振要求较高,其控制标准为:2 Hz

场地环境振动及周边振动影响测试时布置4个测点,其中2个测点连续24 h测试环境振动,现场实测工程场地3个方向(1个竖向、2个水平方向)加速度时程曲线。场地环境振动实测典型振动时程曲线和对应频谱曲线如图2、图3所示。

图2　场地振动时程图

环境振动时程曲线中X、Y、Z 3个方向峰值加速度g分别为0.6、0.3、0.14 cm/s2,X向峰值加速度明显高于Y、Z向加速度。图3中X、Y、Z 3个方向峰值加速度分别为0.026、0.08、0.025 cm/s2。其中X方向20～50 Hz高频振动成分丰富;Y、Z方向振动频率集中在5～10 Hz。X方向振动时程峰值加速度较大,高频振动丰富,主要由于附近施工机械、车辆产生的振动干扰所致。Y、Z方向主要为10 Hz以下低频振动,反应了场地环境振动以低频振动为主的特点。

图3　场地振动频谱图

2厂房结构有限元模型及分析

采用ANSYS有限元分析软件建立厂房动力分析有限元模型,将现场实测得到的场地微振动时程数据输入有限元结构模型,研究厂房在环境振动下的动力响应。采用动力时程分析法计算环境振动下厂房地坪振动加速度的时程曲线和频谱曲线。本项目为1层钢结构厂房(局部2层),厂房内1层地面设计为刚性地坪,投入使用后精密仪器放置于1层刚性地坪上。因此有限元时程分析主要研究刚性地坪的微振动响应。

模型采用SHELL281模拟刚性地坪。刚性混凝土地坪和下垫层按照设计要求分别取0.5 m和0.8 m,由刚性地坪和垫层组成防微振平台,平台室内地面高出室外地面1.3 m。下垫层与地基嵌固端采用COMBIN40弹簧单元连接,COMBIN40单元一端与微振平台节点连接,一端假定为固定端。采用BEAM188单元建立厂房钢架结构和支撑杆系。有限元模型如图4所示。

图4　ANSYS有限元厂房模型

根据设计方提供的设计资料,参考建筑设计规范材料推荐值,有限元计算中采用的参数值如下:轻钢结构材料弹性模量E=2.06×105MPa,泊松比υ=0.25,密度ρ=7.8×103kg/m3。混凝土刚性地坪材料弹性模量E=3.0×104MPa,泊松比υ=0.20,密度ρ=2.5×103kg/m3。土层及桩基垫层材料弹性模量E=14 MPa,泊松比υ=0.30,密度ρ=1.8×103kg/m3。弹簧单元刚度水平方向为15 MN/m3,垂直方向为40 MN/m3。振动荷载采用加速度时间历程输入,计算时间13 s,共分3 390个荷载步。

图5、图6所示分别为有限元模型中刚性地坪中央的加速度时程曲线和对应的频谱曲线。可以发现厂房有限元模型中央地面上,X、Y、Z 3个方向的振动加速度峰值分别为0.023 6、0.041、0.15 cm/s2。厂房内部竖向振动加速度比水平向大。对比图2场地环境振动加速度时程曲线可以发现,厂房结构对X、Y方向振动加速度有较大程度的削减,相比环境振动分别减小了60%、86%;对Z方向(垂向)振动加速度的削减很小。

有限元模型分析得到X、Y、Z 方向加速度频谱峰值分别为0.004 8、0.008、0.003 3 cm/s2,均大幅小于场地环境振动加速度频谱峰值(图3)。同时可以发现,厂房结构和刚性地坪对地面振动频率有较大影响。厂房内部X、Y方向的振动成分主要为小于10 Hz振动,厂房结构过滤了X方向高于10 Hz由于施工机械振动产生的高频振动成分。厂房内部Z方向振动成分主要为10～50 Hz振动,而环境振动中垂向振动主要为低于10 Hz振动。厂房结构中的600 mm刚性地坪对Z向低频振动的隔振能力高于对高频振动的隔振能力,减小了低频振动分量,有利于控制地面振动中的低频振动。

图5　厂房模型地面振动时程图

图6　厂房模型地面振动频谱图

3厂房内振动实测和分析结果

厂房修建完成后采用三向加速度拾振器,在厂房内部刚性地坪上进行了微振动测试,研究厂房地坪实际振动大小和振动频率成分。为了反映厂房振动最不利工作状态,测试中厂房风机等振动扰源全部处于运行状态。

图7、图8所示为厂房中央地面振动测试时程和相应频谱曲线。

图7中,厂房中央地坪X、Y、Z 3个方向振动加速度峰值分别为0.15、0.2、0.46 cm/s2。与有限元计算结果一致,厂房内部竖向振动加速度高于水平振动加速度。厂房实测地面振动加速度峰值高于有限元计算结果,3个方向分别是有限元计算结果的6.35、4.88、3.06倍。可能的原因是厂房中风机全部处于运行状态,风机工作产生的振动干扰对地面振动有不可忽视的影响。

图7　实测厂房地面振动时程图

图8中,相应振动频谱曲线峰值分别为0.002 8、0.002 88、0.007 1 cm/s2,频谱峰值与有限元计算结果较为接近,分别为计算结果的0.58、0.357、2.16倍。实测频谱曲线中厂房刚性地坪振动由78 Hz高频振动控制。可能原因如下:① 厂房内风机等振源工作产生了丰富的高频振动;② 实际厂房地坪刚度远大于有限元计算中选用的地基弹簧系数,造成实测振动中X、Y向频谱幅值较小。

图8　实测厂房地面振动频谱图

4结论

对某精密电子厂房进行了场地环境微振动测试和室内微振动测试，采用ANSYS建立了厂房结构有限元分析模型,采用有限元动力分析方法模拟了厂房地面振动响应。研究了厂房振动加速度时程和频谱曲线,分析了振动加速度的幅值变化和频率变化特点。主要结论如下:

(1)场地振动加速度实测结果表明场地振动主要由10 Hz以下低频振动控制;在地面机械振动影响下,地面振动中20～60 Hz高频振动成分增加。

(2)采用刚性地坪处理后,厂房内振动以78 Hz左右高频振动为主,低频振动得到有效控制,频谱振动加速度峰值比环境振动频谱加速度峰值有较大程度减小。厂房内竖向振动加速度高于水平向振动加速度。

(3)有限元模型能够反应采用刚性地坪后,厂房内地面振动加速度大幅减小。同时可以发现有限元预测地面振动中,频谱峰值加速度与实测结果较为接近;时程瞬时加速度峰值与实测结果相差较多。主要原因为:① 厂房内部振动扰源增大了瞬时振动峰值;② 有限元模型中地坪下的弹簧刚度系数取值与实际情况有差异。

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(责任编辑张镅)

Test and finite element analysis of micro vibration of electronic warehouse

GAO Guang-yun1,2,NIE Chun-xiao1,2,LI Shao-yi1,2

(1.Dept.of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China)

Abstract:Field vibration test data and finite element dynamic analysis were used to study the micro ground vibration of electronic warehouse.The in-site environmental vibration tests were carried out before the construction of warehouse by accelerometers.The finite element model of electronic warehouse was built by ANSYS software to simulate floor vibration in the warehouse.The micro vibration of rigid ground floor was tested after the completion of warehouse construction.The influence of rigid ground floor on the micro vibration in time and frequency domain was analyzed by the tested vibration data.The differences between FE simulated ground vibration and the tested one were compared.The results show that the ambient vibration is dominated by low frequency vibration less than 10 Hz.The rigid floor screens more low frequency vibration than the high frequency vibration,and dramatically reduces the amplitude of ground vibration.The ventilating fans as vibration sources pose a great influence on the amplitude and frequency of floor vibration.

Key words:environmental vibration;electronic warehouse;finite element analysis;vibration acceleration test;frequency analysis

收稿日期：2015-08-04；修回日期：2015-09-10

作者简介：高广运(1961-),男,安徽阜阳人,博士,同济大学教授,博士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.018

中图分类号:TU375

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)04-0518-05