多層工業(yè)廠房的振動問題分析（上）
武漢京翼房屋檢測鑒定結(jié)合實際工程，對工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設計中由振動設備所產(chǎn)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(yè)廠房的振動控制，從設備、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。
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(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)的大型動力設備在使用時，會產(chǎn)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(jié)構(gòu)的振動過大，降低了機器的動態(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。
對于有動力設備的廠房，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)敏感設備和操作人員正常運行的范圍之內(nèi)，解決振動問題就成了廠房結(jié)構(gòu)設計中的關(guān)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(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，即結(jié)構(gòu)自身的動力特性。當結(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(diào)整機器的運轉(zhuǎn)頻率；二是改變結(jié)構(gòu)的自振頻率。對于定型設備，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?shù)慕Y(jié)構(gòu)自振頻率，使其遠離設備激振力頻率。
一般地說，若結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速的變換，設備動荷載工作頻率也隨之變化，會發(fā)生設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)的自振頻率高于設備的強迫振動頻率，則不可能發(fā)生共振，是比較安全的。故在具體設計中，我們根據(jù)“結(jié)構(gòu)的第一頻率密集區(qū)內(nèi)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(guān)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(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計規(guī)程》中梁的自振頻率計算公式看：
式中：φ j -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。
梁的自振頻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大于設備的振動頻率。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(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。
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(chǎn)生。然后根據(jù)“梁的第一頻率密集區(qū)內(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)局部的振動問題，但是無法提前預知工業(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確性差，區(qū)間范圍大，而且，即使單根梁的計算結(jié)果準確，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行動力特性分析，對結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度進行加強來減少結(jié)構(gòu)的振動響應。
對于樓蓋的垂直振動，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。
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(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)域進行計算是比較科學的，其分析結(jié)果也能較好反映結(jié)構(gòu)的實際模態(tài)。
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(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)的大型動力設備在使用時，會產(chǎn)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(jié)構(gòu)的振動過大，降低了機器的動態(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。
對于有動力設備的廠房，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)敏感設備和操作人員正常運行的范圍之內(nèi)，解決振動問題就成了廠房結(jié)構(gòu)設計中的關(guān)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(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，即結(jié)構(gòu)自身的動力特性。當結(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(diào)整機器的運轉(zhuǎn)頻率；二是改變結(jié)構(gòu)的自振頻率。對于定型設備，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?shù)慕Y(jié)構(gòu)自振頻率，使其遠離設備激振力頻率。
一般地說，若結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速的變換，設備動荷載工作頻率也隨之變化，會發(fā)生設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)的自振頻率高于設備的強迫振動頻率，則不可能發(fā)生共振，是比較安全的。故在具體設計中，我們根據(jù)“結(jié)構(gòu)的第一頻率密集區(qū)內(nèi)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(guān)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(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計規(guī)程》中梁的自振頻率計算公式看：
式中：φ j -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。
梁的自振頻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大于設備的振動頻率。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(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。
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(chǎn)生。然后根據(jù)“梁的第一頻率密集區(qū)內(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)局部的振動問題，但是無法提前預知工業(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確性差，區(qū)間范圍大，而且，即使單根梁的計算結(jié)果準確，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行動力特性分析，對結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度進行加強來減少結(jié)構(gòu)的振動響應。
對于樓蓋的垂直振動，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。
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(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)域進行計算是比較科學的，其分析結(jié)果也能較好反映結(jié)構(gòu)的實際模態(tài)。