高层工业厂房异常振动测试与加固试验

谢开仲，王红伟，周剑希，岳 苗，罗 潇

(1. 广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004； 2. 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西南宁 530004； 3. 广西大学广西工程防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁 530004)

0 引 言

工业是国民经济的命脉，对经济建设的发展起着重要的推动作用。近些年来，随着土地资源的紧张和成本的控制，工业厂房的布置越来紧凑，越来越多的机器设备被放置在工业厂房的高层之中，随之而来的便是厂房的振动问题，振动成因与加固设计也成为现有高层工业厂房加固的关注焦点和首要考虑问题。目前对于工业厂房的振动成因和减振[1-6]加固已经开展了较多的研究，加固方法和理论也比较多，例如针对振动源采用干扰力反演算法[7]得到干扰力幅值进行减振设计；针对柱子和梁采用扩大截面，外包钢筋混凝土[8]或钢板等，针对厂房楼板层植入CA砂浆[9]达到减振效果，针对厂房结构采用增设阻尼装置[10-14]也是目前工业厂房减振研究的热点，取得的研究成果也比较多；此外还有增设立柱[15]，增设钢梁[16]或钢支撑[17]，采用预应力钢带[18]等方法。将异常振动厂房与附属建筑物相连[19]增加整体刚度达到减振效果，此种方法在无附属建筑物时，对场地的影响比较大。目前这些加固方法多应用于低层工业厂房中，高层工业厂房中应用较少。与低层工业厂房相比，高层工业厂房在受力特性方面有明显区别，尤其是振动问题，同时由于高层厂房加固空间受限、采光要求高等特点，为了保证加固效果，加固方法的选择往往受到限制，需要综合考虑，因此研究高层工业厂房的振动与加固具有重要的科研意义和工程价值。为此，以某高层工业厂房为工程背景，采用现场试验和有限元分析相结合的方法，针对其异常振动成因和加固前后开展试验研究，可为同类型高层厂房的异常振动问题解决提供借鉴和参考。

1 高层厂房结构概况

某厂房为框架结构，长138.8 m，宽21.8 m，高23.5 m，整体3层，局部4层，刚度主要由框架提供，3台机器设备位于二楼。在机器设备运行过程中，厂房内机器设备所在楼层振感明显，影响到作业工人的舒适感和生命健康，同时也威胁到厂房的结构安全性，急需找到异常振动的成因并采取相应的措施。厂房三维视图见图1，厂房纵断面布置图见图2。

2 异常振动测试分析

2.1 异常振动测试

测点布置既要能反映结构的振动特性，又要尽可能的精简，根据厂房的振动特性和类似工程的经验，该厂房振动测试共计选择5个测点，布置在厂房二层(机器设备所在层)，标高7.500 m，测点1至测点4为双向振动传感器(厂房长度方向为Y方向，厂房宽度方向为X方向)，测点5为三向振动传感器(厂房长度方向为Y方向，厂房宽度方向为X方向，厂房竖向为Z方向)，测点平面布置见图3。

基于厂房和机器设备的振动特性，针对运营中振动最明显的工况，为了更好诊断厂房振动与机器振动的关联性，考虑到厂房持续运营的要求，工况设计如下：工况1为1#机负荷100%，2#机负荷100%，3#机负荷0%；工况2为1#机负荷100%，2#机负荷100%，3#机负荷50%；工况3为1#机负荷100%，2#机负荷100%，3#机负荷100%；工况4为1#机负荷50%，2#机负荷100%，3#机负荷100%；工况5为1#机负荷50%，2#机负荷50%，3#机负荷100%；工况6为1#机负荷100%，2#机负荷50%，3#机负荷50%。

2.2 测试结果分析与讨论

对设计工况进行振动测试，并对5个测点的加速度和速度数据进行统计，各工况作用下Y方向和Z方向加速度峰值见图4，Y方向和Z方向速度峰值见图5，测点5的X方向加速度峰值与速度峰值见表1。

由图4，5和表1可知：

(1)厂房X方向和Y方向的最大加速度峰值分别为0.800 m·s-2和2.409 m·s-2，均位于工况4的测点5，Z方向最大加速度峰值为0.717 m·s-2，位于工况1的测点4；X方向的加速度峰值全部位于Ⅳ级；Y方向加速度峰值26.67%位于Ⅲ级，53.33%位于Ⅳ级，20%位于Ⅴ级；Z方向加速度峰值3.33%位于Ⅱ级，66.67%位于Ⅲ级，30.00%位于Ⅳ级。综上所述，厂房Y方向20%达到了不能忍受的程度，应成为加固的重点方向。

表1 不同工况下测点5的X方向加速度峰值与速度峰值Tab.1 Peak Acceleration and Peak Velocity of Measuring Point 5 in X Direction Under Different Working Conditions

(2)厂房X，Y，Z方向的最大速度峰值为4.09，6.302，1.014 mm·s-1，分别位于工况1，3，4的同一点测点5，根据规范[20]要求，3个方向的速度值均满足规范要求，但Y方向测试速度值为6.302 mm·s-1接近规范极限允许值6.4 mm·s-1。

与此同时对机器和厂房的振动测试曲线进行分析，机器和厂房自振特性见表2，可知3台机器设备和厂房在X方向和Y方向上的振动频率非常接近。

表2 机器和厂房自振特性测试结果Tab.2 Test Results of Self-vibration Characteristics of Machine and Industrial Building

由结构振动感觉程度标准可知，当振动加速度超过1.5 m·s-2时人体不能忍受。由表2可知， 3台机器设备和厂房在X方向和Y方向上的振动频率非常接近，处于共振区间。综上所述：基于厂房和设备的加速度、速度和自振特性分析结果可知，厂房异常振动是由于结构自振与设备振动频率比较接近引起，应重点关注厂房Y方向的振动特性。

3 厂房减振加固设计

加固方案选择不仅要考虑加固效果，还要尽可能减少对原结构的扰动，同时也要考虑经济效果等。目前厂房常用的加固方法主要由以下几种：增大截面法、碳纤维加固法、预应力加固法、消能减振法、外包钢法、增设支撑和卸载法等，这几种方法从本质上都是为了提高结构的强度和刚度，使厂房能够更好地适应振动，避开与机器的共振区间。

针对本工程的实际情况，由于厂房内管线布置错综复杂，机器设备较多，同时要考虑不能影响原结构采光的要求，尽可能降低对原结构的影响，综合考虑多种加固方法的优劣，最终决定采用短肢剪力墙加固的方法进行加固。根据加固短肢剪力墙的位置，共设计了3个加固方案，加固方案均是通过短肢剪力墙的方式进行加固，不同之处是短肢剪力墙的位置和数量不一样，由于厂房结构复杂，短肢剪力墙布置的数量和位置比较多，限于篇幅，不再列出短肢剪力墙的位置和数量。

为了更好地进行加固方案比选和加固效果验证，采用通用有限元软件ANSYS建立厂房加固前后的三维有限元模型，模型采用梁单元Beam189模拟框架结构，采用Shell63壳单元模拟剪力墙，采用质点单元Mass21模拟机器设备及附加质量。

对3个加固方案分别进行加固前后对比分析，由于机器设备在厂房宽度方向上的强迫振动频率约为2.96 Hz，与结构自振频率的比值处于共振区间，3个方案加固后厂房宽度方向的模态频率分别为4.56，4.57，4.36 Hz，与机器在厂房宽度方向的振动频率不在共振区间，均能满足加固要求，但考虑到厂房结构改动的大小，最终采用了对结构影响最小的短肢剪力墙布置方案。加固后有限元模型见图6，厂房角隅处增设短肢剪力墙，见图7。

4 减振加固后测试分析

4.1 减振加固测试结果

对厂房采用短肢剪力墙进行加固，工况划分与加固前相同，加固后各测点在不同工况作用下Y方向和Z方向的加速度峰值见图8，加固后各测点在不同工况作用下Y方向和Z方向的速度峰值见图9，测点5在不同工况下X方向加速度峰值和速度峰值见表3。

对加固后试验结果进行统计分析可知：

表3 加固后测点5在不同工况下X方向加速度峰值和 速度峰值Tab.3 Peak Acceleration and Peak Velocity of Measuring Point 5 at X Direction Under Different Working Conditions After Reinforcement

(1)厂房X，Y，Z方向的最大加速度峰值分别为0.765，1.162，1.536 m·s-2，分别位于工况3的测点2，3，5；厂房X方向加速度峰值16.67%位于Ⅲ级，83.33%位于Ⅳ级；厂房Y方向加速度峰值36.67%位于Ⅲ级，63.33%位于Ⅳ级；厂房Z方向加速度峰值33.33%位于Ⅲ级，63.34%位于Ⅳ级，3.33%位于Ⅴ级。综上所述，采用短肢剪力墙加固后，厂房3个方向加速度振动特性均得到改善。

(2)厂房X，Y，Z方向最大速度峰值分别为1.666，3.012，1.813 mm·s-1，分别位于工况4的测点5，工况2的测点3，4，根据规范要求，厂房3个方向的速度振动特性均得到明显提高，满足规范要求，尤其是厂房Y方向的振动速度。

(3)加固后厂房X，Y，Z方向的一阶固有频率分别为7.83，5.87，10.77 Hz，与加固前X，Y，Z方向一阶固有频率2.94，2.45，10.28 Hz相比，采用短肢剪力墙可以显著提升厂房的强度和刚度，是一种有效的加固方法。

4.2 加固前后对比分析

对加固前后厂房和3台机器设备在3个方向的振动频率进行对比，见表4。由表4可知，加固后厂房在X方向和Y方向的刚度均有明显提升，并且加固后结构在X方向和Y方向的自振频率与3台机器设备的自振频率不在共振区间，经现场测试和实地观察，加固效果良好。

表4 加固前、后厂房自振频率对比Tab.4 Comparison of Self-vibration Frequency Before and After Reinforcement

对加固前后厂房3个方向的振动加速度峰值和最大振动速度峰值进行对比，见表5，加固前后5号测点X方向的加速度峰值和速度峰值对比见表6。加固后厂房Y方向的速度峰值和加速度峰值均得到改善，厂房振动特性得到明显提升。

表5 加固前、后加速度峰值与速度峰值对比Tab.5 Comparison of Peak Acceleration and Peak Velocity Before and After Reinforcement

根据加固前后的加速度峰值、速度峰值和自振特性测试结果可知，采用短肢剪力墙是科学合理的，能显著提升厂房的刚度，改善厂房的振动特性，解决机器与厂房共振的问题。

5 结 语

(1)机器设备进入厂房高层之后，机器与厂房的共振是造成厂房异常振动的主要原因。在高层厂房的早期设计中，应重视机器设备进入高层厂房的问题以及机器设备与厂房的共振问题。

表6 测点5在不同工况下X方向加速度峰值和 速度峰值对比Tab.6 Comparison of Peak Acceleration and Peak Velocity of Measuring Point 5 in X Direction Under Different Working Conditions

(2)采用短肢剪力墙对厂房进行加固是科学合理的，厂房的强度和刚度提高效果明显。厂房Y方向固有频率由2.45 Hz提高至5.87 Hz，厂房X方向固有频率由2.94 Hz提高至7.83 Hz，与机器沿厂房宽度方向固有频率2.94 Hz不在共振区间，厂房的加速度和速度振动特性得到了不同程度的改善，取得了预期的加固效果。

(3)采用短肢剪力墙对高层厂房的异常振动进行加固是科学合理的，同时具有良好的效果，可为解决同类型高层工业厂房的异常振动加固问题提供借鉴和参考。