多層工業(yè)廠房的振動問題分析

時間：2020-08-05作者：湖北阮鼎工程技術(shù)檢測有限公司瀏覽：118

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的日趨緊張，發(fā)展多高層工業(yè)廠房已成必然趨勢，各種振動設(shè)備也隨之上樓。受設(shè)備振動的影響，或者設(shè)備振動之間相互影響，導(dǎo)致振動放大，并傳播到結(jié)構(gòu)上引起廠房結(jié)構(gòu)振動，輕者影響生產(chǎn)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫；重者導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。　　振動問題給我們的生產(chǎn)和生活帶來很多危害。廠房內(nèi)的大型動力設(shè)備在使用時，會產(chǎn)生巨大的反復(fù)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(jié)構(gòu)的振動過大，降低了機(jī)器的動態(tài)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?！　τ谟袆恿υO(shè)備的廠房，結(jié)構(gòu)振動往往不能完全避免，故如何將振動的影響控制在結(jié)構(gòu)安全的范圍之內(nèi)，控制在不影響廠房內(nèi)敏感設(shè)備和操作人員正常運(yùn)行的范圍之內(nèi)，解決振動問題就成了廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵。　　一、分析方法及計算模型　　由動力學(xué)理論可知，有兩個方面的因素控制著結(jié)構(gòu)的振動：一個是對結(jié)構(gòu)施加的激振力，即擾力源；另一個則是結(jié)構(gòu)對特定激勵的響應(yīng)，即結(jié)構(gòu)自身的動力特性。當(dāng)結(jié)構(gòu)自身的某階固有頻率與擾力源頻率接近甚至吻合時將發(fā)生共振，從而形成較大振幅、高動應(yīng)力和高等級噪聲等?！　∑匠Ｎ覀儾扇〉妮^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(diào)整機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率；二是改變結(jié)構(gòu)的自振頻率。對于定型設(shè)備，其頻率已經(jīng)確定，從結(jié)構(gòu)方面采取措施就是選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)自振頻率，使其遠(yuǎn)離設(shè)備激振力頻率?！　∫话愕卣f，若結(jié)構(gòu)的自振頻率**設(shè)備的強(qiáng)迫振動頻率，當(dāng)設(shè)備在開啟或停機(jī)時，隨著設(shè)備機(jī)器轉(zhuǎn)速的變換，設(shè)備動荷載工作頻率也隨之變化，會發(fā)生設(shè)備動荷載工作頻率穿越結(jié)構(gòu)自振頻率從而產(chǎn)生穿越共振；若結(jié)構(gòu)的自振頻率**設(shè)備的強(qiáng)迫振動頻率，則不可能發(fā)生共振，是比較安全的。故在具體設(shè)計中，我們根據(jù)結(jié)構(gòu)的**頻率密集區(qū)內(nèi)較低自振頻率計算值大于設(shè)備的振動頻率這一原則來進(jìn)行。　　以前由于計算手段及相關(guān)條件的制約，設(shè)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(jìn)行設(shè)計與調(diào)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(jī)器動荷載作用下建筑物承重結(jié)構(gòu)的振動計算和隔振設(shè)計規(guī)程》中梁的自振頻率計算公式看：　　式中：φj-固有頻率系數(shù)，D-梁的剛度,m-梁的單位長度質(zhì)量，l-梁的跨度?！　×旱淖哉耦l率隨其剛度的增加而提高，隨其均布質(zhì)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(guān)鍵作只要變化梁高和跨度，通過試算，就使梁的自振頻率遠(yuǎn)大于設(shè)備的振動頻率。計算均布質(zhì)量m時，要考慮結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備重，以及那些長期作用的荷載?！　τ诹荷匣蛄哼叺呐R時堆載、由設(shè)備產(chǎn)生的動荷載以及人群出現(xiàn)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(jié)構(gòu)自重和長期作用的設(shè)備重；二是除考慮上述質(zhì)量外，再加上使用時的一些臨時荷載?！　∪∵@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較不利情況的產(chǎn)生。然后根據(jù)梁的**頻率密集區(qū)內(nèi)較低自振頻率計算值大于設(shè)備的振動頻率這一原則，來進(jìn)行梁的截面的設(shè)計，滿足這一要求的振動梁可以只需考慮設(shè)備的動力系數(shù)后按一般的靜力計算即可?！　〔捎靡陨系暮喕椒ㄒ欢ǔ潭壬峡梢杂行У目刂平Y(jié)構(gòu)局部的振動問題，但是無法提前預(yù)知工業(yè)廠房的振動問題，因為不僅單根結(jié)構(gòu)梁固有頻率的計算方法準(zhǔn)確性差，區(qū)間范圍大，而且，即使單根梁的計算結(jié)果準(zhǔn)確，而工程實際中的振動往往表現(xiàn)為多根梁、板的組合振動，在設(shè)計上難以準(zhǔn)確把握。故比較準(zhǔn)確的方法是采用較復(fù)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(jìn)行分析計算?！　≡谶M(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性分析，對結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度進(jìn)行加強(qiáng)來減少結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)?！　τ跇巧w的垂直振動，從振動現(xiàn)場的實測發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生共振反應(yīng)的是包含梁系的一定區(qū)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?！　‰m然可以通過建立整體有限元模型進(jìn)行計算，但建模和計算都太復(fù)雜，而且由于結(jié)構(gòu)體系頻率密集很多，很難找到局部區(qū)域模態(tài)結(jié)果，這都不利于設(shè)計中快速的定性判斷及方案修改，所以選取一定樓板區(qū)域進(jìn)行計算是比較科學(xué)的，其分析結(jié)果也能較好反映結(jié)構(gòu)的實際模態(tài)?！　《嵗治觥　∏嗪Ｄ吃炝S房，多層鋼框架結(jié)構(gòu)，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，▽*0，▽5.750，▽12.050，▽17.550，▽26.450，▽29.450等層，建筑高度40m，建筑面積4029.4m2?！　∮捎诔醪皆O(shè)計工藝定方案時，結(jié)構(gòu)專業(yè)沒有參與，建筑物的面積和體積卡的比較緊，設(shè)備布置的非常局促，粒料篩分機(jī)的開洞切斷了框架梁，輥壓機(jī)的布置使樓層產(chǎn)生了抽柱，而且部分樓層只有局部樓板布置，其結(jié)構(gòu)整體性較差?！　‘?dāng)廠房投入使用后，▽30.550平臺上的振動篩運(yùn)行時，支撐這平臺的▽29.450局部樓面振動響應(yīng)過大，人員明顯感覺不適。振動篩的設(shè)備參數(shù)如下:振動篩帶料后質(zhì)量為30t,設(shè)備的轉(zhuǎn)速為730r/m。采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模分析?！　?、局部分析　　為了定性地判斷▽29.450樓板是否和設(shè)備共振，截取了包含整個振動篩在內(nèi)的樓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，梁單元采用beam188模擬，板單元采用shell63模擬，振源設(shè)備采用三維質(zhì)量單元MASS21模擬，模型及單元如下圖所示：　　因設(shè)備的振動頻率比樓板的自振頻率要低，與設(shè)備可能發(fā)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?！　哪B(tài)分析結(jié)果可以看出，第3、4階頻率和設(shè)備振動頻率相近，在這2個頻率范圍內(nèi)樓板和設(shè)備發(fā)生共振，樓板振動厲害?？梢酝ㄟ^改變樓面梁的布置來改變樓面剛度，使樓面的自振頻率遠(yuǎn)離設(shè)備的振動頻率，避開共振。在此基礎(chǔ)上，還可以通過動力時程分析，對整個樓蓋進(jìn)行精確的動力響應(yīng)分析，得出樓蓋的較大豎向振動值，判斷是否在豎向振動允許值內(nèi)?！　?、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(shè)備在內(nèi)的設(shè)備－結(jié)構(gòu)整體三維有限元模型。首**行模態(tài)分析，采用BlockLanczos方法提取**階頻率：1.79HZ、1.86HZ、2.64HZ、3.01HZ、3.11HZ、3.17HZ、3.23HZ、4.72HZ、5.94HZ、6.28HZ，**、二階振型為整體的水平振動，*三階振型為整體的轉(zhuǎn)動，*四至七階振型為屋面水平支撐的振動，第八、九階振型為**層的水平振動，*十階振型為樓板的局部振動。限于篇幅，僅給出前3階振型?！　〗Y(jié)合模態(tài)分析的結(jié)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(jìn)一步對整體結(jié)構(gòu)在設(shè)備動力作用下進(jìn)行動力時程分析，從而可以比較精確的確定動力設(shè)備對廠房整體結(jié)構(gòu)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(yīng)，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(yù)知工業(yè)廠房的振動情況，將振動的影響控制在結(jié)構(gòu)安全、設(shè)備運(yùn)行和及操作人員正常工作的范圍之內(nèi)?！　∪?、結(jié)構(gòu)方案及布置原則　　由于設(shè)備振動的不確定性和復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的振動性能。較有效的減振措施是概念設(shè)計而不是計算，所以結(jié)構(gòu)方案和布置顯得尤為重要?！　∮山Y(jié)構(gòu)的自振頻率計算公式看，結(jié)構(gòu)的自振頻率主要取決于結(jié)構(gòu)的剛度，而結(jié)構(gòu)的剛度又取決于結(jié)構(gòu)的布置方案。故首先我們應(yīng)從結(jié)構(gòu)布置方案上采取措施，從布置上減輕設(shè)備振動對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響?！　」I(yè)廠房的結(jié)構(gòu)方案是和工藝的設(shè)備布置緊密相關(guān)的，受到工藝設(shè)備布置的制約。在進(jìn)行初步設(shè)計確定工藝方案時，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員就應(yīng)參與設(shè)備布置的討論，結(jié)合實際情況針對不同設(shè)備提出具體的結(jié)構(gòu)布置方案，盡可能把動力設(shè)備置于對結(jié)構(gòu)較有利的位置，盡可能從布置上減輕設(shè)備振動對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響?！　⊥ㄟ^以上的分析，結(jié)合設(shè)計中遇到的振動現(xiàn)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(fā)，對設(shè)備、結(jié)構(gòu)布置采取以下措施來減少動力設(shè)備對結(jié)構(gòu)的振動影響行：　　1、振動設(shè)備盡量布置在底層，盡可能將設(shè)備基礎(chǔ)或支撐體系與主體結(jié)構(gòu)脫開；　　2、在設(shè)備上加設(shè)振子，設(shè)備振動時振子對設(shè)備形成反方向的激振力，達(dá)到減振目的；　　3、調(diào)整設(shè)備的振動頻率或者轉(zhuǎn)向，使其錯開結(jié)構(gòu)的自振頻率，以免發(fā)生共振。當(dāng)有多臺設(shè)備共同工作時，可使其運(yùn)轉(zhuǎn)方向相互錯開，避免在同一方向產(chǎn)生共振；　　4、在設(shè)備無法調(diào)整的情況下，設(shè)法調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率。例如改變梁柱的截面，增設(shè)支撐，改變結(jié)構(gòu)形式等，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置來實現(xiàn)振動的控制：　?、賱恿υO(shè)備應(yīng)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(shè)備宜布置在承重墻、柱及梁支座附近；　?、鬯綌_力較大的設(shè)備布置時，其擾力方向宜與樓蓋剛度較大的方向一致；　?、苤握駝釉O(shè)備的框架為多跨結(jié)構(gòu)時，宜采用等跨結(jié)構(gòu)；　　⑤振動篩不宜跨軸線，以免篩下留孔切斷框架梁；　?、尥瑫r布置有較大振動設(shè)備或?qū)φ駝用舾械脑O(shè)備，宜分類集中，分區(qū)布置，減少相互影響；　?、邉雍奢d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(shè)備作用在中跨比在邊跨振幅要小23％，所以在設(shè)備動力荷載作用下，樓板次梁盡量布置成多跨連續(xù)梁，動力設(shè)備盡可能布置在中間跨，這樣可明顯地減少樓板的振動?！　」I(yè)廠房中振動設(shè)備的振動問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點和難點。本文通過理論分析和數(shù)值模擬，結(jié)合設(shè)計中的實際問題，對工業(yè)廠房的振動控制，從設(shè)備、結(jié)構(gòu)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(yè)廠房的振動問題的解決提供了參考依據(jù)，可用于指導(dǎo)設(shè)計工作。
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