多層工業廠房的振動問題分析

   日期：2017-08-10

本文結合實際工程，對工業廠房結構設計中由振動設備所產生的振動問題，從局部和整體分別進行了討論和分析；對工業廠房的振動控制，從設備、結構布置和計算方法等方面提出了具體的要求和措施。

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隨著工業技術的不斷發展及農業生產用地的日趨緊張，發展多高層工業廠房已成必然趨勢，各種振動設備也隨之上樓。受設備振動的影響，或者設備振動之間相互影響，導致振動放大，并傳播到結構上引起廠房結構振動，輕者影響生產，使結構產生裂縫；重者導致結構破壞。

振動問題給我們的生產和生活帶來很多危害。廠房內的大型動力設備在使用時，會產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。結構的振動過大，降低了機器的動態精度和使用性能，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。

對于有動力設備的廠房，結構振動往往不能完全避免，故如何將振動的影響控制在結構安全的范圍之內，控制在不影響廠房內敏感設備和操作人員正常運行的范圍之內，解決振動問題就成了廠房結構設計中的關鍵。

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構的振動：一個是對結構施加的激振力，即擾力源；另一個則是結構對特定激勵的響應，即結構自身的動力特性。當結構自身的某階固有頻率與擾力源頻率接近甚至吻合時將發生共振，從而形成較大振幅、高動應力和高等級噪聲等。

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：一是調整機器的運轉頻率；二是改變結構的自振頻率。對于定型設備，其頻率已經確定，從結構方面采取措施就是選擇適當的結構自振頻率，使其遠離設備激振力頻率。

一般地說，若結構的自振頻率低于設備的強迫振動頻率，當設備在開啟或停機時，隨著設備機器轉速的變換，設備動荷載工作頻率也隨之變化，會發生設備動荷載工作頻率穿越結構自振頻率從而產生穿越共振；若結構的自振頻率高于設備的強迫振動頻率，則不可能發生共振，是比較安全的。故在具體設計中，我們根據“結構的第一頻率密集區內最低自振頻率計算值大于設備的振動頻率”這一原則來進行。?

以前由于計算手段及相關條件的制約，設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計與調整。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構的振動計算和隔振設計規程》中梁的自振頻率計算公式看： ??

式中：φ j -固有頻率系數，D-梁的剛度, m-梁的單位長度質量，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備的振動頻率。計算均布質量m時，要考慮結構自重、固定設備重，以及那些長期作用的荷載。

對于梁上或梁邊的臨時堆載、由設備產生的動荷載以及人群出現時的短暫荷載等，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：一是只考慮結構自重和長期作用的設備重；二是除考慮上述質量外，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生。然后根據“梁的第一頻率密集區內最低自振頻率計算值大于設備的振動頻率”這一原則，來進行梁的截面的設計，滿足這一要求的振動梁可以只需考慮設備的動力系數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構局部的振動問題，但是無法提前預知工業廠房的振動問題，因為不僅單根結構梁固有頻率的計算方法準確性差，區間范圍大，而且，即使單根梁的計算結果準確，而工程實際中的振動往往表現為多根梁、板的組合振動，在設計上難以準確把握。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。?

在進行廠房結構設計時，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，需要對廠房整體結構進行動力特性分析，對結構的整體抗側剛度進行加強來減少結構的振動響應。

對于樓蓋的垂直振動，從振動現場的實測發現，產生共振反應的是包含梁系的一定區域，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，而且由于結構體系頻率密集很多，很難找到局部區域模態結果，這都不利于設計中快速的定性判斷及方案修改，所以選取一定樓板區域進行計算是比較科學的，其分析結果也能較好反映結構的實際模態。


二、實例分析

青海某造粒廠房，多層鋼框架結構，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。

?由于初步設計工藝定方案時，結構專業沒有參與，建筑物的面積和體積卡的比較緊，設備布置的非常局促，粒料篩分機的開洞切斷了框架梁，輥壓機的布置使樓層產生了抽柱，而且部分樓層只有局部樓板布置，其結構整體性較差。

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 局部樓面振動響應過大，人員明顯感覺不適。振動篩的設備參數如下:振動篩帶料后質量為30t,設備的轉速為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 樓板是否和設備共振，截取了包含整個振動篩在內的樓板結構進行模態分析，梁單元采用beam188模擬，板單元采用shell63模擬，振源設備采用三維質量單元MASS21模擬，模型及單元如下圖所示：


因設備的振動頻率比樓板的自振頻率要低，與設備可能發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。

從模態分析結果可以看出，第3、4階頻率和設備振動頻率相近，在這2個頻率范圍內樓板和設備發生共振，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備的振動頻率，避開共振。在此基礎上，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。?


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，則須建立包括設備在內的設備－結構整體三維有限元模型。首先進行模態分析，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。?


結合模態分析的結果，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構在設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備對廠房整體結構的影響量。

同時在整體分析中可以提取局部樓蓋的動力響應，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，可以提前預知工業廠房的振動情況，將振動的影響控制在結構安全、設備運行和及操作人員正常工作的范圍之內。?


三、結構方案及布置原則

由于設備振動的不確定性和復雜性、結構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”很難有效的控制結構的振動性能。更有效的減振措施是概念設計而不是計算，所以結構方案和布置顯得尤為重要。?

由結構的自振頻率計算公式看，結構的自振頻率主要取決于結構的剛度，而結構的剛度又取決于結構的布置方案。故首先我們應從結構布置方案上采取措施，從布置上減輕設備振動對結構可能產生的不利影響。

工業廠房的結構方案是和工藝的設備布置緊密相關的，受到工藝設備布置的制約。在進行初步設計確定工藝方案時，結構設計人員就應參與設備布置的討論，結合實際情況針對不同設備提出具體的結構布置方案，盡可能把動力設備置于對結構最有利的位置，盡可能從布置上減輕設備振動對結構可能產生的不利影響。?

通過以上的分析，結合設計中遇到的振動現象（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，對設備、結構布置采取以下措施來減少動力設備對結構的振動影響行：

01 振動設備盡量布置在底層，盡可能將設備基礎或支撐體系與主體結構脫開；

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

03 調整設備的振動頻率或者轉向，使其錯開結構的自振頻率，以免發生共振。當有多臺設備共同工作時，可使其運轉方向相互錯開，避免在同一方向產生共振；

04 在設備無法調整的情況下，設法調整結構的自振頻率。例如改變梁柱的截面，增設支撐，改變結構形式等，通過調整結構布置來實現振動的控制：

? ① 動力設備應布置在梁上，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 垂直擾力較大的設備宜布置在承重墻、柱及梁支座附近；
? ③ 水平擾力較大的設備布置時，其擾力方向宜與樓蓋剛度較大的方向一致；
? ④ 支撐振動設備的框架為多跨結構時，宜采用等跨結構；
? 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備或對振動敏感的設備，宜分類集中，分區布置，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，動力設備作用在中跨比在邊跨振幅要小23％，所以在設備動力荷載作用下，樓板次梁盡量布置成多跨連續梁，動力設備盡可能布置在中間跨，這樣可明顯地減少樓板的振動。?

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