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多层工业厂房的振动问题分析    日期:2017-08-10

本文结合实际工程,对工业厂房结构设计中由振动设备所产生的振动问题,从局部和整体分别进行了讨论和分析;对工业厂房的振动控制,从设备、结构布置和计算方法等方面提出了具体的要求和措施。

随着工业技术的不断发展及农业生产用地的日趋紧张,发展多高层工业厂房已成必然趋势,各种振动设备也随之上楼。受设备振动的影响,或者设备振动之间相互影响,导致振动放大,并传播到结构上引起厂房结构振动,轻者影响生产,使结构产生裂缝;重者导致结构破坏。

振动问题给我们的生产和生活带来很多危害。厂房内的大型动力设备在使用时,会产生巨大的反复变动的荷载,这荷载引起楼盖的垂直振动,同时也有整体的水平振动。结构的振动过大,降低了机器的动态精度和使用性能,同时使处在其中的工作人员有不舒服感,影响人员的身体健康。

对于有动力设备的厂房,结构振动往往不能完全避免,故如何将振动的影响控制在结构安全的范围之内,控制在不影响厂房内敏感设备和操作人员正常运行的范围之内,解决振动问题就成了厂房结构设计中的关键。

一、分析方法及计算模型

由动力学理论可知,有两个方面的因素控制着结构的振动:一个是对结构施加的激振力,即扰力源;另一个则是结构对特定激励的响应,即结构自身的动力特性。当结构自身的某阶固有频率与扰力源频率接近甚至吻合时将发生共振,从而形成较大振幅、高动应力和高等级噪声等。

平常我们采取的最简单的方法就是使其避开共振。避开共振有二种途径:一是调整机器的运转频率;二是改变结构的自振频率。对于定型设备,其频率已经确定,从结构方面采取措施就是选择适当的结构自振频率,使其远离设备激振力频率。

一般地说,若结构的自振频率低于设备的强迫振动频率,当设备在开启或停机时,随着设备机器转速的变换,设备动荷载工作频率也随之变化,会发生设备动荷载工作频率穿越结构自振频率从而产生穿越共振;若结构的自振频率高于设备的强迫振动频率,则不可能发生共振,是比较安全的。故在具体设计中,我们根据“结构的第一频率密集区内最低自振频率计算值大于设备的振动频率”这一原则来进行。 

以前由于计算手段及相关条件的制约,设计中一般只对直接承受动力荷载的梁做振动计算,也就是对梁的自振频率进行设计与调整。作为直接振动梁支座的间接振动梁,则不再做动力计算。从《机器动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规程》中梁的自振频率计算公式看:   

自振频率计算公式
式中:φ j -固有频率系数,D-梁的刚度, m-梁的单位长度质量,l-梁的跨度。

梁的自振频率随其刚度的增加而提高,随其均布质量的增加而降低。计算刚度D时,其中梁的高度和跨度起到关键作只要变化梁高和跨度,通过试算,就使梁的自振频率远大于设备的振动频率。计算均布质量m时,要考虑结构自重、固定设备重,以及那些长期作用的荷载。

对于梁上或梁边的临时堆载、由设备产生的动荷载以及人群出现时的短暂荷载等,采取周全的做法,即在计算梁的自振频率时,对荷载的取值考虑两种情况:一是只考虑结构自重和长期作用的设备重;二是除考虑上述质量外,再加上使用时的一些临时荷载。

取这两种情况下梁的自振频率的较小值,从而能比较全面地考虑最不利情况的产生。然后根据“梁的第一频率密集区内最低自振频率计算值大于设备的振动频率”这一原则,来进行梁的截面的设计,满足这一要求的振动梁可以只需考虑设备的动力系数后按一般的静力计算即可。 

采用以上的简化方法一定程度上可以有效的控制结构局部的振动问题,但是无法提前预知工业厂房的振动问题,因为不仅单根结构梁固有频率的计算方法准确性差,区间范围大,而且,即使单根梁的计算结果准确,而工程实际中的振动往往表现为多根梁、板的组合振动,在设计上难以准确把握。故比较准确的方法是采用较复杂的有限元对包括主梁、次梁和楼板为一体的整个楼盖甚至整个厂房的动力特性进行分析计算。 

在进行厂房结构设计时,考虑到厂房的振动不但有框架整体的水平振动,而且还有楼盖的垂直振动。对于框架的水平振动,需要对厂房整体结构进行动力特性分析,对结构的整体抗侧刚度进行加强来减少结构的振动响应。

对于楼盖的垂直振动,从振动现场的实测发现,产生共振反应的是包含梁系的一定区域,说明楼盖垂直振动具有某种程度的整体性或局部整体性。

虽然可以通过建立整体有限元模型进行计算,但建模和计算都太复杂,而且由于结构体系频率密集很多,很难找到局部区域模态结果,这都不利于设计中快速的定性判断及方案修改,所以选取一定楼板区域进行计算是比较科学的,其分析结果也能较好反映结构的实际模态。

二、实例分析

青海某造粒厂房,多层钢框架结构,组合楼面,横向3跨(6m、4m、8m),纵向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等层,建筑高度40m,建筑面积4029.4m2。

 由于初步设计工艺定方案时,结构专业没有参与,建筑物的面积和体积卡的比较紧,设备布置的非常局促,粒料筛分机的开洞切断了框架梁,辊压机的布置使楼层产生了抽柱,而且部分楼层只有局部楼板布置,其结构整体性较差。

当厂房投入使用后,▽30. 550平台上的振动筛运行时,支撑这平台的▽29. 450 局部楼面振动响应过大,人员明显感觉不适。振动筛的设备参数如下:振动筛带料后质量为30t,设备的转速为730 r/m。采用有限元软件ANSYS进行建模分析。 

01 局部分析 

为了定性地判断▽29. 450 楼板是否和设备共振,截取了包含整个振动筛在内的楼板结构进行模态分析,梁单元采用beam188模拟,板单元采用shell63模拟,振源设备采用三维质量单元MASS21模拟,模型及单元如下图所示:

因设备的振动频率比楼板的自振频率要低,与设备可能发生共振的只能是楼板的较低的自振频率,取模型的前5个自振频率来分析,这5个自振频率分别为:  8.23HZ,10.85HZ,11.68HZ, 11.85HZ, 15.37HZ。

从模态分析结果可以看出,第3、4阶频率和设备振动频率相近,在这2个频率范围内楼板和设备发生共振,楼板振动厉害。可以通过改变楼面梁的布置来改变楼面刚度,使楼面的自振频率远离设备的振动频率,避开共振。在此基础上,还可以通过动力时程分析,对整个楼盖进行精确的动力响应分析,得出楼盖的最大竖向振动值,判断是否在竖向振动允许值内。 
 
02 整体分析 

通过对楼盖的局部分析,可以解决楼盖的竖向振动问题。对于厂房的整体水平振动,则须建立包括设备在内的设备-结构整体三维有限元模型。首先进行模态分析,采用Block Lanczos方法提取前十阶频率:1.79HZ、1.86HZ、2.64HZ、3.01HZ、3.11HZ、3.17HZ、3.23HZ、4.72HZ、5.94HZ、6.28HZ,第一、二阶振型为整体的水平振动,第三阶振型为整体的转动,第四至七阶振型为屋面水平支撑的振动,第八、九阶振型为顶层的水平振动,第十阶振型为楼板的局部振动。限于篇幅,仅给出前3阶振型。 
 
结合模态分析的结果,可以对厂房整体的水平振动做出快速的定性判断,然后进一步对整体结构在设备动力作用下进行动力时程分析, 从而可以比较精确的确定动力设备对厂房整体结构的影响量。

同时在整体分析中可以提取局部楼盖的动力响应,对楼盖的竖向振动可以从整体上把握。 通过局部和整体两阶段的分析,可以提前预知工业厂房的振动情况,将振动的影响控制在结构安全、设备运行和及操作人员正常工作的范围之内。 

三、结构方案及布置原则

由于设备振动的不确定性和复杂性、结构计算分析模型的误差以及与实际情况的差异,使得所谓“精确的振动分析”很难有效的控制结构的振动性能。更有效的减振措施是概念设计而不是计算,所以结构方案和布置显得尤为重要。 

由结构的自振频率计算公式看,结构的自振频率主要取决于结构的刚度,而结构的刚度又取决于结构的布置方案。故首先我们应从结构布置方案上采取措施,从布置上减轻设备振动对结构可能产生的不利影响。

工业厂房的结构方案是和工艺的设备布置紧密相关的,受到工艺设备布置的制约。在进行初步设计确定工艺方案时,结构设计人员就应参与设备布置的讨论,结合实际情况针对不同设备提出具体的结构布置方案,尽可能把动力设备置于对结构最有利的位置,尽可能从布置上减轻设备振动对结构可能产生的不利影响。 

通过以上的分析,结合设计中遇到的振动现象(楼盖的垂直振动和框架整体的水平振动),从控制振动的两个因素出发,对设备、结构布置采取以下措施来减少动力设备对结构的振动影响行:

1)振动设备尽量布置在底层,尽可能将设备基础或支撑体系与主体结构脱开;

2)在设备上加设振子,设备振动时振子对设备形成反方向的激振力,达到减振目的;

3)调整设备的振动频率或者转向,使其错开结构的自振频率,以免发生共振。当有多台设备共同工作时,可使其运转方向相互错开,避免在同一方向产生共振;

4)在设备无法调整的情况下,设法调整结构的自振频率。例如改变梁柱的截面,增设支撑,改变结构形式等,通过调整结构布置来实现振动的控制:

①动力设备应布置在梁上,但不能放在悬臂梁上,且使水平方向的惯性力沿着梁的纵向方向;
②垂直扰力较大的设备宜布置在承重墙、柱及梁支座附近;
③水平扰力较大的设备布置时,其扰力方向宜与楼盖刚度较大的方向一致;

④支撑振动设备的框架为多跨结构时,宜采用等跨结构;
⑤振动筛不宜跨轴线,以免筛下留孔切断框架梁;
⑥同时布置有较大振动设备或对振动敏感的设备,宜分类集中,分区布置,减少相互影响;

⑦动荷载作用下多跨梁比单跨梁好,在断面、刚度相同的情况下,两跨梁的振幅比单跨梁要小44%,三跨梁的振幅比单跨梁要小49%,而在三跨梁的情况下,动力设备作用在中跨比在边跨振幅要小23%,所以在设备动力荷载作用下,楼板次梁尽量布置成多跨连续梁,动力设备尽可能布置在中间跨,这样可明显地减少楼板的振动。 

工业厂房中振动设备的振动问题是结构设计的重点和难点。本文通过理论分析和数值模拟,结合设计中的实际问题,对工业厂房的振动控制,从设备、结构布置和计算方法等方面提出了具体的要求和措施,为多层工业厂房的振动问题的解决提供了参考依据,可用于指导设计工作。