多層鋼結構廠房振動探討

高金鎖

(中煤天津設計工程有限公司，天津 300120)

摘 要：針對選煤廠主廠房設備多，結構布置復雜，大型設備(篩子，離心機等)運行中常常有動荷載和其引起的振動問題，結合工程實例，對由設備引起的廠房振動的問題，采用傳統(tǒng)的簡化計算(單根梁)和有限元方法進行了對比，分析發(fā)現(xiàn)設備振動的原因。結果表明：設備入料端與出料端支座高差較大時，采用整體計算的有限元方法能夠較為真實的反應結構的固有頻率；另外從減小設備對廠房振動的角度，設備的布置宜布置在廠房的低端。

關鍵詞：多層鋼結構；主廠房；設備振動；振動頻率

伴隨我國煤炭產業(yè)黃金十年的發(fā)展，我國煤炭工程得到了長足發(fā)展，礦井選煤廠主廠房的建設也越來越多，主廠房結構形式多以多層鋼結構廠房為主，廠房內振動設備(篩子，離心機等)多，結構布置復雜。設備的振動表現(xiàn)兩個方面：一是設備自身的振動；二是設備之間的互相振動疊加，疊加使設備的振動被放大，設備振動引起廠房結構的振動，甚至是共振，對廠房結構帶來不利的影響。受設備振動的影響降低了廠房內機器的動態(tài)精度和使用性能，振動過大使工作人員感覺不舒適。但設備運行的過程中，廠房的振動往往是不可避免的，如何將振動的影響降低到安全范圍內或最低，是結構設計人員廠房設計的關鍵。

1 設計原則和結構布置

依據(jù)動力學理論，結構的振動控制因素主要包括以下兩方面：一是結構承受的激振力，即外來擾力源；二是結構自身的動力特性(跨度，剛度等)。當結構的固有頻率和外來擾力源的頻率完全吻合時，即發(fā)生共振。共振是能量聚集的一個過程，共振導致結構振幅變得很大，結構振動明顯，對結構本身和人員工作環(huán)境不利。減弱受動荷載機器作用的方法包括以下方法：

1)機器本身的防振，振動設備的支座下增加隔振墊，達到減弱樓板振動的效果，此方法適用于轉速不低于500r/min的機器。

2)改變結構的剛度，結構自振頻率和設備工作頻率應該避開合理的范圍。設備選型完畢后，其工作頻率已確定，防止共振就得從結構本身調整。結構本身調整主要是加強結構的剛度，包括：增大橫截面積尺寸，縮短梁的跨度，在機器的底下設置剛而輕的機座以保證機座與結構本身的連接強度。在設計時縮短梁的跨度方法有：①合理布置柱網，盡量減少梁的跨度；②在承受動荷載的鋼梁下增設斜向支撐，作為梁的支點，減小梁的計算跨度；③在承受動荷載的梁下(設備支座附近)設置柱子，達到減小梁的跨度效果。以上方法都可以明顯減小梁的振幅。

3)改變樓板上機器的排列布置。應該根據(jù)振動設備的運動方式布置設備的位置。

4)改變設備的轉數(shù)和平衡慣性力。若設備的轉數(shù)在一定范圍內可以調整，可以通過合理的調整設備的轉速避開結構的固有頻率。平衡設備的慣性力，減弱因某些反復運動的設備或具有較大偏心距的旋轉體所產生的振動。

5)共振分為共振前區(qū)、共振后區(qū)。結構處在共振前區(qū)，可以采取增加梁的截面或者減少梁的跨度等剛性方案；處在共振后區(qū)在滿足承載力的要求下，可以考慮減少結構的剛度，使其共振頻率處在共振后區(qū)，這樣也可以達到減振的效果。

結構方案與設備選型緊密相關，工藝設計應與結構的布置緊密結合，結構設計人員應在設計之初盡早參與設備布置的研究，合理的布置能夠減輕設備振動對結構可能產生的不利影響，結構方案布置應遵循以下兩個原則：一是垂直振動為主的設備布置在梁支座處和柱子附近；二是水平振動為主的布置在梁的跨中部位，設備的擾力與梁的軸線方向盡量重合[1，2]；從方便計算的角度可以考慮振動梁布置成單跨梁。礦井選煤廠主廠房設計涉及選煤、機制、建筑結構、水暖電、總圖等相關專業(yè)，是一個多專業(yè)共同合作的工程，選煤和機制專業(yè)一般作為牽頭專業(yè)，負責各個專業(yè)的協(xié)調工作，工藝專業(yè)設備布置時應及時與結構設計人員溝通，結構專業(yè)人員按工藝的布置設計，這樣在設計之初可以很好的預防共振的發(fā)生。結構的自振頻率主要取決于結構本身的剛度，在梁的布置時應盡量采取增強梁的剛度，同時減小梁的跨度。

2 計算方法

目前，對于振動計算一般采用靜力計算方法，將動力荷載放大乘以一個1.3～2.0的動力系數(shù)，將放大后的荷載作用在結構上[3]。在靜力計算的基礎上，通常采用動力計算進行修正和調整，我國的動力計算方法基本沿用的原蘇聯(lián)規(guī)范，1957年原冶金工業(yè)出版社的《動荷載機器作用下的建筑物承重結構設計與計算規(guī)范》[4]是我國最早的動荷載計算規(guī)范，2010年出版的《選煤廠建筑結構設計規(guī)范》[5]是對原規(guī)范的修正和沿用，其中規(guī)定：①梁第一頻率密集區(qū)內最低自振頻率計算值大于設備的擾力頻率；②梁與柱的最大振動位移扣除支座位移后不超過自身長度的1/40000。滿足上述條件可不進行動力計算，但按動力系數(shù)方法對結構進行靜力計算。結構設計通常只計算直接承受動力荷載的梁，作為直接振動梁支座的間接振動梁，一般不考慮避振。參照《選煤廠建筑結構設計規(guī)范》[5]，梁的自振頻率，應按下列公式計算：

式中：i為頻率密集區(qū)的順序，i=1，2，…；fil為梁第i頻率密集區(qū)內最低自振頻率，Hz；fih為梁第i頻率密集區(qū)內最高自振頻率，Hz；為梁上單位長度的均布質量，kg/m；l0梁的計算跨度，m；φil、φih為第i頻率密集區(qū)的自振頻率系數(shù)。

梁的自振頻率與其剛度成正比，與均布質量和跨度成反比。均布質量要考慮結構自重、固定設備重，以及那些長期作用的荷載。均布質量主要由靜荷載和動荷載引起，在計算過程中，應保證承受靜載荷和動荷載的結構的承載力滿足要求，并滿足結構在動載荷下的位移限制，同時在此范圍內，設備的振動對結構和人員是無害的。在結構設計中，盡量保證結構的自振頻率高于設備的擾力頻率。如果結構的自振頻率低于設備的擾力頻率，當設備在開機或停機時，會發(fā)生設備擾力頻率穿越結構自振頻率，在短時間內產生穿越共振。

上述方法作為簡化方法，一定程度的控制了局部振動的問題。單根梁的結構自振頻率計算準確性差，在設有眾多不同類型的大型動力設備的多層鋼結構廠房，結構振動是十分復雜的，一方面是設備的振動源；另一方面是結構本身，振動往往表現(xiàn)為多根梁、板的組合振動，設計很難準確把握。故比較準確的方法是采用較復雜的有限元方法對結構進行整體動力特性分析計算。而在實際設計中往往選取一定樓板區(qū)域進行計算，這樣可以快速的定性判斷，也可以較好反映結構實際動力特性。

3 工程實例分析

山西段王煤業(yè)選煤廠為多層鋼框架結構，樓板為鋼格板，基礎為鋼筋混凝土獨立基礎，主要建筑為三層，局部五層。由于工藝專業(yè)從投資方面考慮，且結構專業(yè)未參與前期布置，建筑物的面積和體積卡的比較緊，設備布置的比較局促，結構層的概念不是很清晰，整體性較差。在調試期間，標高31.400m弛張篩運行時，廠房振動明顯。弛張篩的參數(shù)見表1，入料端和出料端支座高差4.5m，支座下端為跨度8.5m的鋼梁，如圖1所示，梁截面為HN750×300×13×24。

表1 弛張篩技術參數(shù)

項目靜載荷/kN垂向動載荷/kN垂向縱向橫向入料端845261804排料端644211503驅動處55030301

注：轉速800r/min，電機功率55kW。

圖1 支座布置圖(mm)

依據(jù)文獻[5]，梁上均布荷載=203kg/m，梁的最低自振頻率(考慮0.3折減系數(shù))fil=19.7Hz，大于設備的擾力頻率800/60=13.3Hz，計算簡圖如圖2所示，Q1、Q2、Q3代表集中力大小，x1、x2、x3代表集中力作用點。滿足動力計算設計要求，但設備在運行過程中出現(xiàn)了明顯的振動現(xiàn)象。

圖2 計算簡圖

簡化方法只是考慮單根梁的振動問題，但是無法提前預知整個框架在設備擾力激勵下的振動情況，在本次設計中采用有限元對包括主梁、次梁、支撐、鋼柱為一體的動力特性進行分析計算。采用Sap2000對篩下結構在擾力作用下的動響應分析，建立的局部模型如圖3所示，采用諧響應分析法，計算結構在0Hz至20Hz范圍內結構的動力響應，計算結果如圖4所示。

圖3 Sap2000計算模型

圖4 Sap2000計算模型結果

根據(jù)計算結果，結構在擾力頻率10.2Hz時出現(xiàn)共振峰值，設備工作頻率13.3Hz在共振密集區(qū)范圍內。單根梁簡化計算方法與有限元分析出現(xiàn)了較明顯的差異，差異原因如前所述。

綜合分析，出現(xiàn)振動的原因可能包括以下因素：

1)振動設備布置在頂層，設備基礎未與主體脫開。

2)設備入料端與出料端支座高差大，達到4.5m，由于設計經驗和水平問題，未沿支座方向設置支撐，導致此方向振動明顯。

3)多臺設備同時運行，易引起同一方向共振。

4)工藝布置過于緊湊，結構布局不完全合理，結構層的概念不清晰。

5)結構樓板采用的是鋼格板，設備振動引起鋼格板跨中振動明顯，有放大效果，不能作為結構安全儲備考慮。

6)單根梁簡化計算方法雖理論計算清晰，但未考慮設備之間的振動影響和結構本身的布置。可利用有限元方法進行校核比對。

4 結 論

廠房振動問題是結構設計的重點與難點，本文結合工程實際遇到的問題，通過采用傳統(tǒng)的簡化計算(單根梁)和有限元分析方法，對工業(yè)廠房的振動進行了分析。分析結果表明：

1)設備入料端與出料端支座高差較大時，采用整體計算的有限元方法能夠較為真實的反應結構的固有頻率。

2)振動設備盡量布置在廠房的低端。

3)對于支座高差較大時，設備啟動時產生沿支座方向的縱向力，設計時應加以重視。同時廠房的振動和設備之間振動的傳遞規(guī)律仍有待進一步研究。

參考文獻：

[1] GB 50017—2003，鋼結構設計規(guī)范[S].

[2] 丁文濤.臨渙選煤廠煤泥重介工藝分組粗煤泥的應用研究[D].淮南：安徽理工大學，2014.

[3] GB 50009—2012，建筑結構荷載規(guī)范[S].

[4] H-200-54 MCHMXH，動荷載機器作用下的建筑物承重結構設計與計算規(guī)范[S].

[5] GB 50583—2010，選煤廠建筑結構設計規(guī)范[S].

(責任編輯 楊蛟洋)

Discussion on vibration of multi-story industrial building

GAO Jin-suo

(Tianjin Design Engineering Chinacoal Co.，Ltd.，Tianjin 300120，China)

Abstract：Aiming at the dynamic load and vibration caused by large equipment (sieve，centrifuges，etc.)，as there are many equipment in main workshop of coal preparation plant，and the structure arrangement is complex，the cause of equipment vibration was studied，with the comparison of the traditional simplified calculation (single beam) and finite element method.Results show that，when the elevation difference between the supports of material inlet and outlet，the overall finite element calculation result is close to natural frequency of the structure；and from the perspective of reducing structure vibration caused by equipment operation，equipment shall be arranged on lower level of the building.

Keywords：multi-story steel structure；main workshop；equipment vibration；vibration frequency

doi：10.11799/ce201705008

收稿日期：2016-11-29

作者簡介：高金鎖(1983—)，男，吉林長春人，碩士，工程師，從事結構設計工作，E-mail：155119088@qq.com。

引用格式：高金鎖.多層鋼結構廠房振動探討[J].煤炭工程，2017，49(5)：24-26.

中圖分類號：TD948；TU393

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0959(2017)05-0024-03