俞 珊

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

在工藝（設(shè)備）平臺鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，經(jīng)常會遇到鼓風機、板框機、離心機、行車等帶有振動作用性質(zhì)的設(shè)備座落于平臺上，對于這類平臺設(shè)計時應(yīng)考慮設(shè)備的振動效應(yīng)，目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用的設(shè)計方法為等效靜力法和動力分析法。

等效靜力系數(shù)法，即將動力設(shè)備的作用乘以動力系數(shù)后，按照靜力設(shè)計的辦法進行結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的計算和設(shè)計。該方法計算簡單、快捷。但該方法并不適用所有動力設(shè)備的情況，也沒有考慮設(shè)備動力作用的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的動力響應(yīng)。由此可能產(chǎn)生以下的后果：

（1）結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及連接在振動下的發(fā)生破壞或者振動變形超過允許限值，從而影響工藝（設(shè)備）正常生產(chǎn)和使用。

（2）不必要地加大結(jié)構(gòu)的剛度、構(gòu)件的截面，從而造成浪費。

（3）結(jié)構(gòu)不正常的振動影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，造成設(shè)備故障，縮短設(shè)備壽命。

動力分析法，通過有限元分析軟件進行建模，將動力荷載施加于結(jié)構(gòu)上，對動力效應(yīng)進行分析計算。此類方法計算結(jié)果較為精確，但建模過程復(fù)雜，設(shè)計周期較長，對設(shè)計人員各方面要求較高，因此難以廣泛適用。

因此，有必要對兩種計算方法的適用條件進行分析，對鋼平臺防振動設(shè)計進行總結(jié)，提出合理而實用的設(shè)計對策，以幫助設(shè)計人員在遇到實際振動問題時理清設(shè)計思路，合理選用設(shè)計方法。同時，在進行振動平臺設(shè)計時，應(yīng)用概念設(shè)計，對設(shè)備進行合理布置，減少設(shè)備振動效應(yīng)，從而達到工程結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟合理的目的。

1 基本設(shè)計準則

在設(shè)計實踐中，對結(jié)構(gòu)振動效應(yīng)計算應(yīng)遵循以下準則：

1.1 基本假定

實際建模過程中，一般可采用以下假定對計算模型進行簡化：

（1）計算設(shè)備支撐梁時，將其視為單跨梁或者多跨連續(xù)梁。柱子的豎向剛度比梁的豎向剛度大很多，梁的動力計算可以忽略柱子豎向剛度的影響，當主梁的剛度比次梁的剛度大很多時，也可以忽略主梁的影響。對于單跨設(shè)備支撐梁，可以假定其為兩端鉸接。

（2）一般而言，對于振動支架平臺上的設(shè)備支撐梁可以只進行垂直方向的振動驗算，水平方向采用平面內(nèi)布置水平支撐桿件，減少設(shè)備支撐梁的計算長度，增加梁水平方向剛度，使其振動頻率控制在共振區(qū)域之外。

（3）振動計算中，計算振幅時采用設(shè)備標準擾力，當設(shè)備梁支撐在別的框架梁上，其有效位移等于設(shè)備梁與框架梁的位移疊加。對于有鋼蓋板的鋼梁，其截面慣性矩仍按照梁截面確定，不考慮鋼蓋板的作用。

（4）有振動設(shè)備的情況下，直接承載設(shè)備的次梁，框架梁均不應(yīng)考慮塑性內(nèi)力重分布，且一般僅作多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析。

（5）等效靜力系數(shù)法計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時，計算主梁時，應(yīng)考慮作用在次梁上的設(shè)備荷載和直接作用于主梁上的荷載，在柱和基礎(chǔ)計算中可不考慮上述荷載。

1.2 荷載確定

設(shè)備安裝使用后，一般情況下是不會改變位置的，設(shè)備荷載符合永久荷載的特性，所以設(shè)備自重可以作為永久荷載，但是設(shè)備中的物料應(yīng)作為活荷載。設(shè)備中的物料可變荷載分項系數(shù)一般取1.4，但在容積為定值時，物料可變荷載分項系數(shù)可取1.2。

1.3 方法選用

對于直接承受動力設(shè)備的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通常應(yīng)進行動力計算。只有滿足下列條件時，方可采用等效靜力系數(shù)法進行計算：

（1）梁第一頻率密集區(qū)內(nèi)最低自振頻率計算值大于設(shè)備的擾力頻率的掃頻值；

（2）梁和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。

1.4 動力分析法計算步驟

（1）確定設(shè)備作用在結(jié)構(gòu)的振動荷載；

（2）根據(jù)相應(yīng)規(guī)范要求明確結(jié)構(gòu)的允許振動標準，如撓度限值、允許振動速度等；

（3）計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動力特性，如自振頻率、振型等；

（4）利用有限元計算軟件進行動力分析，得出結(jié)構(gòu)動力特性，驗算是否符合設(shè)定的振動標準；

（5）確定結(jié)構(gòu)內(nèi)力的幅值（彎矩，剪力，軸力），并進行構(gòu)件承載力計算。

1.5 等效靜力系數(shù)法計算步驟

（1）確定不同工作狀態(tài)下荷載的等效靜力系數(shù)；

（2）采用等效荷載進行承載力計算。

2 設(shè)計流程

在進行設(shè)備鋼平臺設(shè)計時，可按以下步驟開展工作：

1、熟悉工藝設(shè)備資料，確認是否包括振動設(shè)備。如無振動設(shè)備即可按常規(guī)設(shè)計思路，進行靜力計算；若有振動設(shè)備，則應(yīng)根據(jù)設(shè)備類型、數(shù)量、布置要求確定基本設(shè)計方案。

2、進行鋼結(jié)構(gòu)布置，選擇截面尺寸，計算結(jié)構(gòu)自振頻率，判別采取動力分析法或者等效靜力系數(shù)法。如計算結(jié)果不滿足規(guī)范要求，則需通過調(diào)整整體剛度或者局部改變梁柱截面等措施改變結(jié)構(gòu)自振頻率，再進行計算分析。

3、反復(fù)試算直至設(shè)計結(jié)果符合規(guī)范要求。

3 一般設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

由于設(shè)備振動的復(fù)雜性，常用的計算分析模型得出的計算結(jié)果往往與實際情況存在差異，因此結(jié)構(gòu)振動性能的控制，不能完全依靠振動計算分析，概念設(shè)計更為重要。應(yīng)從結(jié)構(gòu)布置方案上采取措施，以減輕設(shè)備振動對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響。筆者結(jié)合設(shè)計工作經(jīng)驗，總結(jié)了如下振動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中概念設(shè)計準則，以減少動力設(shè)備對結(jié)構(gòu)的振動影響，可供參考。

（1）相對于加大構(gòu)件截面，提高結(jié)構(gòu)剛度，對設(shè)備采用減振、隔振等簡易措施改善豎向振動舒適度具有更好的經(jīng)濟性。

（2）若設(shè)備振動較強，或存在對振動敏感的儀器時，優(yōu)先將振源布置在靠近支架梁柱等局部剛度較大的位置；如工藝布置允許時，應(yīng)將振動設(shè)備基礎(chǔ)或支撐體系與主體結(jié)構(gòu)脫開，兩者同時存在時，宜分類集中，分區(qū)布置，減少相互影響。

（3）通過調(diào)整設(shè)備的運轉(zhuǎn)頻率，使其錯開結(jié)構(gòu)的自振頻率，可有效避免結(jié)構(gòu)與設(shè)備發(fā)生共振。當有多臺設(shè)備共同工作時，可使其運轉(zhuǎn)方向相互錯開，避免在同一方向產(chǎn)生共振。

（4）如設(shè)備無法調(diào)整，可調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，設(shè)法改變結(jié)構(gòu)的自振頻率，如增設(shè)支撐、改變梁柱的截面尺寸、改變結(jié)構(gòu)形式等實現(xiàn)對振動的控制。動力設(shè)備下應(yīng)布置梁，不宜直接布置在樓板上。當設(shè)備設(shè)置在單根梁上時，應(yīng)避免梁受扭，當設(shè)備由兩根梁共同承擔時，梁的軸線宜與設(shè)備和底座的總質(zhì)心對稱。兩根梁的動力特性宜相近。垂直振動為主的設(shè)備宜布置在梁的支座，剪力墻或者柱附近；水平振動為主的設(shè)備宜布置在梁的跨中部分，并且使擾力沿梁的軸線方向作用，梁的水平方向必要時可布置支撐，以增加其平面外的穩(wěn)定性。

（5）如設(shè)備無法調(diào)整，可調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，設(shè)法改變結(jié)構(gòu)的自振頻率，如增設(shè)支撐、改變梁柱的截面尺寸、改變結(jié)構(gòu)形式等實現(xiàn)對振動的控制。動力設(shè)備下應(yīng)布置梁，不宜直接布置在樓板上。當動力設(shè)備設(shè)置在單根梁上時，應(yīng)避免梁受扭，當設(shè)備由兩根梁共同承擔時，梁的軸線宜與設(shè)備和底座的總質(zhì)心對稱，兩根梁的動力特性宜相近。

（6）采用花紋鋼板或者格柵板的鋼結(jié)構(gòu)平臺，除了花紋鋼板或格柵板需與鋼梁采取可靠連接外，還應(yīng)增加水平支撐。當動力設(shè)備必須布置在樓板上，此樓面宜采用混凝土樓板。

（7）鋼平臺結(jié)構(gòu)的剛度中心和設(shè)備的質(zhì)心盡量重合。

（8）在振動設(shè)備上增加振子，設(shè)備啟動時振子對設(shè)備產(chǎn)生反向的激振力，從而減少設(shè)備產(chǎn)生的振動效應(yīng)。

（9）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的現(xiàn)場連接，優(yōu)先采用高強螺栓摩擦型連接，對于重要的連接與拼接，應(yīng)選用栓焊連接。

（10）平臺其余部分與振動局部的連接盡量避免使用剛接節(jié)點。

4 結(jié)論與展望

本文介紹了工藝鋼結(jié)構(gòu)平臺振動效應(yīng)的兩種計算方法，即動力分析法和等效靜力系數(shù)法，提出了兩種方法的適用條件，并給出了設(shè)備鋼平臺的設(shè)計準則和設(shè)計流程。通過對一般經(jīng)驗的總結(jié)，可以幫助設(shè)計人員在遇到實際振動問題時理清設(shè)計思路，提高工作效率，從而達到工程結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟合理的目的。