多層工業(yè)廠(chǎng)房的振動(dòng)問(wèn)題分析（上）

武漢京翼房屋檢測鑒定結合實(shí)際工程，對工業(yè)廠(chǎng)房結構設計中由振動(dòng)設備所產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題，從局部和整體分別進(jìn)行了討論和分析；對工業(yè)廠(chǎng)房的振動(dòng)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。

隨著(zhù)工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展及農業(yè)生產(chǎn)用地的日趨緊張，發(fā)展多高層工業(yè)廠(chǎng)房已成必然趨勢，各種振動(dòng)設備也隨之上樓。受設備振動(dòng)的影響，或者設備振動(dòng)之間相互影響，導致振動(dòng)放大，并傳播到結構上引起廠(chǎng)房結構振動(dòng)，輕者影響生產(chǎn)，使結構產(chǎn)生裂縫；重者導致結構破壞。

振動(dòng)問(wèn)題給我們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)很多危害。廠(chǎng)房?jì)鹊拇笮蛣?dòng)力設備在使用時(shí)，會(huì )產(chǎn)生巨大的反復變動(dòng)的荷載，這荷載引起樓蓋的垂直振動(dòng)，同時(shí)也有整體的水平振動(dòng)。結構的振動(dòng)過(guò)大，降低了機器的動(dòng)態(tài)精度和使用性能，同時(shí)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(dòng)力設備的廠(chǎng)房，結構振動(dòng)往往不能完全避免，故如何將振動(dòng)的影響控制在結構安全的范圍之內，控制在不影響廠(chǎng)房?jì)让舾性O備和操作人員正常運行的范圍之內，解決振動(dòng)問(wèn)題就成了廠(chǎng)房結構設計中的關(guān)鍵。

一、分析方法及計算模型

由動(dòng)力學(xué)理論可知，有兩個(gè)方面的因素控制著(zhù)結構的振動(dòng)：一個(gè)是對結構施加的激振力，即擾力源；另一個(gè)則是結構對特定激勵的響應，即結構自身的動(dòng)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(shí)將發(fā)生共振，從而形成較大振幅、高動(dòng)應力和高等級噪聲等。

平常我們采取的最簡(jiǎn)單的方法就是使其避開(kāi)共振。避開(kāi)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(jīng)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(shuō)，若結構的自振頻率低于設備的強迫振動(dòng)頻率，當設備在開(kāi)啟或停機時(shí)，隨著(zhù)設備機器轉速的變換，設備動(dòng)荷載工作頻率也隨之變化，會(huì )發(fā)生設備動(dòng)荷載工作頻率穿越結構自振頻率從而產(chǎn)生穿越共振；若結構的自振頻率高于設備的強迫振動(dòng)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“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(dòng)頻率”這一原則來(lái)進(jìn)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(dòng)力荷載的梁做振動(dòng)計算，也就是對梁的自振頻率進(jìn)行設計與調整。作為直接振動(dòng)梁支座的間接振動(dòng)梁，則不再做動(dòng)力計算。從《機器動(dòng)荷載作用下建筑物承重結構的振動(dòng)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(cháng)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(shí)，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(guò)試算，就使梁的自振頻率遠大于設備的振動(dòng)頻率。計算均布質(zhì)量m時(shí)，要考慮結構自重、固定設備重，以及那些長(cháng)期作用的荷載。

對于梁上或梁邊的臨時(shí)堆載、由設備產(chǎn)生的動(dòng)荷載以及人群出現時(shí)的短暫荷載等，采取周全的做法，即在計算梁的自振頻率時(shí)，對荷載的取值考慮兩種情況：一是只考慮結構自重和長(cháng)期作用的設備重；二是除考慮上述質(zhì)量外，再加上使用時(shí)的一些臨時(shí)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“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(dòng)頻率”這一原則，來(lái)進(jìn)行梁的截面的設計，滿(mǎn)足這一要求的振動(dòng)梁可以只需考慮設備的動(dòng)力系數后按一般的靜力計算即可。 

采用以上的簡(jiǎn)化方法一定程度上可以有效的控制結構局部的振動(dòng)問(wèn)題，但是無(wú)法提前預知工業(yè)廠(chǎng)房的振動(dòng)問(wèn)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(shí)際中的振動(dòng)往往表現為多根梁、板的組合振動(dòng)，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(gè)樓蓋甚至整個(gè)廠(chǎng)房的動(dòng)力特性進(jìn)行分析計算。 

在進(jìn)行廠(chǎng)房結構設計時(shí)，考慮到廠(chǎng)房的振動(dòng)不但有框架整體的水平振動(dòng)，而且還有樓蓋的垂直振動(dòng)。對于框架的水平振動(dòng)，需要對廠(chǎng)房整體結構進(jìn)行動(dòng)力特性分析，對結構的整體抗側剛度進(jìn)行加強來(lái)減少結構的振動(dòng)響應。

對于樓蓋的垂直振動(dòng)，從振動(dòng)現場(chǎng)的實(shí)測發(fā)現，產(chǎn)生共振反應的是包含梁系的一定區域，說(shuō)明樓蓋垂直振動(dòng)具有某種程度的整體性或局部整體性。

雖然可以通過(guò)建立整體有限元模型進(jìn)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(tài)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(jìn)行計算是比較科學(xué)的，其分析結果也能較好反映結構的實(shí)際模態(tài)。