多层钢结构厂房振动探讨

多层钢结构厂房振动探讨

高金锁

(中煤天津设计工程有限公司，天津 300120)

摘 要：针对选煤厂主厂房设备多，结构布置复杂，大型设备(筛子，离心机等)运行中常常有动荷载和其引起的振动问题，结合工程实例，对由设备引起的厂房振动的问题，采用传统的简化计算(单根梁)和有限元方法进行了对比，分析发现设备振动的原因。结果表明：设备入料端与出料端支座高差较大时，采用整体计算的有限元方法能够较为真实的反应结构的固有频率；另外从减小设备对厂房振动的角度，设备的布置宜布置在厂房的低端。

关键词：多层钢结构；主厂房；设备振动；振动频率

伴随我国煤炭产业黄金十年的发展，我国煤炭工程得到了长足发展，矿井选煤厂主厂房的建设也越来越多，主厂房结构形式多以多层钢结构厂房为主，厂房内振动设备(筛子，离心机等)多，结构布置复杂。设备的振动表现两个方面：一是设备自身的振动；二是设备之间的互相振动叠加，叠加使设备的振动被放大，设备振动引起厂房结构的振动，甚至是共振，对厂房结构带来不利的影响。受设备振动的影响降低了厂房内机器的动态精度和使用性能，振动过大使工作人员感觉不舒适。但设备运行的过程中，厂房的振动往往是不可避免的，如何将振动的影响降低到安全范围内或最低，是结构设计人员厂房设计的关键。

1 设计原则和结构布置

依据动力学理论，结构的振动控制因素主要包括以下两方面：一是结构承受的激振力，即外来扰力源；二是结构自身的动力特性(跨度，刚度等)。当结构的固有频率和外来扰力源的频率完全吻合时，即发生共振。共振是能量聚集的一个过程，共振导致结构振幅变得很大，结构振动明显，对结构本身和人员工作环境不利。减弱受动荷载机器作用的方法包括以下方法：

1)机器本身的防振，振动设备的支座下增加隔振垫，达到减弱楼板振动的效果，此方法适用于转速不低于500r/min的机器。

2)改变结构的刚度，结构自振频率和设备工作频率应该避开合理的范围。设备选型完毕后，其工作频率已确定，防止共振就得从结构本身调整。结构本身调整主要是加强结构的刚度，包括：增大横截面积尺寸，缩短梁的跨度，在机器的底下设置刚而轻的机座以保证机座与结构本身的连接强度。在设计时缩短梁的跨度方法有：①合理布置柱网，尽量减少梁的跨度；②在承受动荷载的钢梁下增设斜向支撑，作为梁的支点，减小梁的计算跨度；③在承受动荷载的梁下(设备支座附近)设置柱子，达到减小梁的跨度效果。以上方法都可以明显减小梁的振幅。

3)改变楼板上机器的排列布置。应该根据振动设备的运动方式布置设备的位置。

4)改变设备的转数和平衡惯性力。若设备的转数在一定范围内可以调整，可以通过合理的调整设备的转速避开结构的固有频率。平衡设备的惯性力，减弱因某些反复运动的设备或具有较大偏心距的旋转体所产生的振动。

5)共振分为共振前区、共振后区。结构处在共振前区，可以采取增加梁的截面或者减少梁的跨度等刚性方案；处在共振后区在满足承载力的要求下，可以考虑减少结构的刚度，使其共振频率处在共振后区，这样也可以达到减振的效果。

结构方案与设备选型紧密相关，工艺设计应与结构的布置紧密结合，结构设计人员应在设计之初尽早参与设备布置的研究，合理的布置能够减轻设备振动对结构可能产生的不利影响，结构方案布置应遵循以下两个原则：一是垂直振动为主的设备布置在梁支座处和柱子附近；二是水平振动为主的布置在梁的跨中部位，设备的扰力与梁的轴线方向尽量重合[1，2]；从方便计算的角度可以考虑振动梁布置成单跨梁。矿井选煤厂主厂房设计涉及选煤、机制、建筑结构、水暖电、总图等相关专业，是一个多专业共同合作的工程，选煤和机制专业一般作为牵头专业，负责各个专业的协调工作，工艺专业设备布置时应及时与结构设计人员沟通，结构专业人员按工艺的布置设计，这样在设计之初可以很好的预防共振的发生。结构的自振频率主要取决于结构本身的刚度，在梁的布置时应尽量采取增强梁的刚度，同时减小梁的跨度。

2 计算方法

目前，对于振动计算一般采用静力计算方法，将动力荷载放大乘以一个1.3～2.0的动力系数，将放大后的荷载作用在结构上[3]。在静力计算的基础上，通常采用动力计算进行修正和调整，我国的动力计算方法基本沿用的原苏联规范，1957年原冶金工业出版社的《动荷载机器作用下的建筑物承重结构设计与计算规范》[4]是我国最早的动荷载计算规范，2010年出版的《选煤厂建筑结构设计规范》[5]是对原规范的修正和沿用，其中规定：①梁第一频率密集区内最低自振频率计算值大于设备的扰力频率；②梁与柱的最大振动位移扣除支座位移后不超过自身长度的1/40000。满足上述条件可不进行动力计算，但按动力系数方法对结构进行静力计算。结构设计通常只计算直接承受动力荷载的梁，作为直接振动梁支座的间接振动梁，一般不考虑避振。参照《选煤厂建筑结构设计规范》[5]，梁的自振频率，应按下列公式计算：

式中：i为频率密集区的顺序，i=1，2，…；fil为梁第i频率密集区内最低自振频率，Hz；fih为梁第i频率密集区内最高自振频率，Hz；为梁上单位长度的均布质量，kg/m；l0梁的计算跨度，m；φil、φih为第i频率密集区的自振频率系数。

梁的自振频率与其刚度成正比，与均布质量和跨度成反比。均布质量要考虑结构自重、固定设备重，以及那些长期作用的荷载。均布质量主要由静荷载和动荷载引起，在计算过程中，应保证承受静载荷和动荷载的结构的承载力满足要求，并满足结构在动载荷下的位移限制，同时在此范围内，设备的振动对结构和人员是无害的。在结构设计中，尽量保证结构的自振频率高于设备的扰力频率。如果结构的自振频率低于设备的扰力频率，当设备在开机或停机时，会发生设备扰力频率穿越结构自振频率，在短时间内产生穿越共振。

上述方法作为简化方法，一定程度的控制了局部振动的问题。单根梁的结构自振频率计算准确性差，在设有众多不同类型的大型动力设备的多层钢结构厂房，结构振动是十分复杂的，一方面是设备的振动源；另一方面是结构本身，振动往往表现为多根梁、板的组合振动，设计很难准确把握。故比较准确的方法是采用较复杂的有限元方法对结构进行整体动力特性分析计算。而在实际设计中往往选取一定楼板区域进行计算，这样可以快速的定性判断，也可以较好反映结构实际动力特性。

3 工程实例分析

山西段王煤业选煤厂为多层钢框架结构，楼板为钢格板，基础为钢筋混凝土独立基础，主要建筑为三层，局部五层。由于工艺专业从投资方面考虑，且结构专业未参与前期布置，建筑物的面积和体积卡的比较紧，设备布置的比较局促，结构层的概念不是很清晰，整体性较差。在调试期间，标高31.400m弛张筛运行时，厂房振动明显。弛张筛的参数见表1，入料端和出料端支座高差4.5m，支座下端为跨度8.5m的钢梁，如图1所示，梁截面为HN750×300×13×24。

表1 弛张筛技术参数

项目静载荷/kN垂向动载荷/kN垂向纵向横向入料端845261804排料端644211503驱动处55030301

注：转速800r/min，电机功率55kW。

图1 支座布置图(mm)

依据文献[5]，梁上均布荷载=203kg/m，梁的最低自振频率(考虑0.3折减系数)fil=19.7Hz，大于设备的扰力频率800/60=13.3Hz，计算简图如图2所示，Q1、Q2、Q3代表集中力大小，x1、x2、x3代表集中力作用点。满足动力计算设计要求，但设备在运行过程中出现了明显的振动现象。

图2 计算简图

简化方法只是考虑单根梁的振动问题，但是无法提前预知整个框架在设备扰力激励下的振动情况，在本次设计中采用有限元对包括主梁、次梁、支撑、钢柱为一体的动力特性进行分析计算。采用Sap2000对筛下结构在扰力作用下的动响应分析，建立的局部模型如图3所示，采用谐响应分析法，计算结构在0Hz至20Hz范围内结构的动力响应，计算结果如图4所示。

图3 Sap2000计算模型

图4 Sap2000计算模型结果

根据计算结果，结构在扰力频率10.2Hz时出现共振峰值，设备工作频率13.3Hz在共振密集区范围内。单根梁简化计算方法与有限元分析出现了较明显的差异，差异原因如前所述。

综合分析，出现振动的原因可能包括以下因素：

1)振动设备布置在顶层，设备基础未与主体脱开。

2)设备入料端与出料端支座高差大，达到4.5m，由于设计经验和水平问题，未沿支座方向设置支撑，导致此方向振动明显。

3)多台设备同时运行，易引起同一方向共振。

4)工艺布置过于紧凑，结构布局不完全合理，结构层的概念不清晰。

5)结构楼板采用的是钢格板，设备振动引起钢格板跨中振动明显，有放大效果，不能作为结构安全储备考虑。

6)单根梁简化计算方法虽理论计算清晰，但未考虑设备之间的振动影响和结构本身的布置。可利用有限元方法进行校核比对。

4 结 论

厂房振动问题是结构设计的重点与难点，本文结合工程实际遇到的问题，通过采用传统的简化计算(单根梁)和有限元分析方法，对工业厂房的振动进行了分析。分析结果表明：

1)设备入料端与出料端支座高差较大时，采用整体计算的有限元方法能够较为真实的反应结构的固有频率。

2)振动设备尽量布置在厂房的低端。

3)对于支座高差较大时，设备启动时产生沿支座方向的纵向力，设计时应加以重视。同时厂房的振动和设备之间振动的传递规律仍有待进一步研究。

参考文献：

[1] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[2] 丁文涛.临涣选煤厂煤泥重介工艺分组粗煤泥的应用研究[D].淮南：安徽理工大学，2014.

[3] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[4] H-200-54 MCHMXH，动荷载机器作用下的建筑物承重结构设计与计算规范[S].

[5] GB 50583—2010，选煤厂建筑结构设计规范[S].

(责任编辑 杨蛟洋)

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

作者简介：高金锁(1983—)，男，吉林长春人，硕士，工程师，从事结构设计工作，E-mail：[e-mail]。

引用格式：高金锁.多层钢结构厂房振动探讨[J].煤炭工程，2017，49(5)：24-26.

中图分类号：TD948；TU393

文献标识码：A

文章编号：1671-0959(2017)05-0024-03