某工業(yè)建筑防共振設(shè)計

呂 琳 （煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041)

1 引言

工業(yè)廠房中由于動力設(shè)備和相連的樓蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振從而對整體建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，需要考慮增加適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)造措施解決，也可以在工業(yè)廠房中調(diào)整設(shè)備布置要求，避免樓蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，但是考慮工業(yè)設(shè)備與結(jié)構(gòu)的自振頻率使其盡可能不相同，可以更好解決結(jié)構(gòu)共振動問題。

動力設(shè)備普遍存在于工業(yè)廠房中，如果在設(shè)計時對動力荷載考慮欠缺，設(shè)備工作時就會導(dǎo)致廠房的不良振動，在影響生產(chǎn)的同時，還會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，甚至引起結(jié)構(gòu)破壞。對于有動力設(shè)備的廠房結(jié)構(gòu)，發(fā)生振動往往無法完全避免，關(guān)鍵要把不必要的振動減少，使結(jié)構(gòu)的振動達到規(guī)范限值[1]。工業(yè)生產(chǎn)廠房內(nèi)常配備大型動力設(shè)備，往往由于工藝變更或設(shè)備的更新，致使原結(jié)構(gòu)剛度和強度不能滿足要求[2]。在現(xiàn)場調(diào)查、動力測試的基礎(chǔ)上,圍繞著如何避免廠房結(jié)構(gòu)共振、斜支撐截面變化對振幅的影響[3]。而本文以工業(yè)廠房吊車梁為例，采用數(shù)值模擬進行分析，從吊車梁的整體剛度和構(gòu)造措施進行設(shè)計，使吊車梁的布置滿足生產(chǎn)、舒適度要求，為其它工業(yè)廠房防振動設(shè)計提供參考。

2 工程概況

本工程位于安徽省潁上縣，為單層門式剛架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為6度,房屋呈矩形，建筑面積2500m2，房屋主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為6度，場地類別為Ⅱ類。其設(shè)計基本加速度為0.05g，分組為第一組，屬于抗震有利地段。采用柱下獨立基礎(chǔ)。屋面外板采用上板0.6mm厚彩鋼壓型板，下板0.5mm厚彩鋼壓型板，外面覆蓋100mm厚巖棉保溫層。該廠房墻面采用單層0.400mm鍍鋅彩墻面外鋼板。廠房的剛架梁、鋼柱、主次梁、梁柱端頭板及連接板件均采用Q345B級鋼。該廠房搭載25t橋式起重機,軌道采用43kg/m鋼軌，軌道聯(lián)接采用GDGL-1標(biāo)準(zhǔn)。由于設(shè)備運行荷載大需考慮共振設(shè)計。廠房上部結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1。

圖1 廠房上部結(jié)構(gòu)剖面圖

3 設(shè)計方法

3.1 共振原因

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2012）中第六章中指出吊車荷載需考慮縱向和橫向水平荷載，并考慮吊車荷載的動力系數(shù)取1.05，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）中重級工作制吊車梁的變幅疲勞取應(yīng)力循環(huán)中最大的應(yīng)力幅。

工業(yè)廠房中設(shè)備的振動荷載，樓蓋結(jié)構(gòu)跟著設(shè)備振動產(chǎn)生振動波，而如果當(dāng)其設(shè)備振動波的頻率與樓蓋部分自振頻率相重合，就會產(chǎn)生整體共振或者局部共振。由于工業(yè)設(shè)備的振動頻率很高，考慮動力產(chǎn)生的荷載放大效應(yīng)取其等效荷載。設(shè)計之初就通過合理布置結(jié)構(gòu)及細(xì)部構(gòu)造，避免其自振頻率一致。

3.2 力學(xué)分析

按《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）規(guī)定門式剛架按彈性方法計算，其地震作用阻尼比封閉式房屋取0.05，考慮吊車梁承受動力荷載，吊車梁豎向撓度限值l/600[5]，在設(shè)計時需考慮承重構(gòu)件吊車梁約束為簡支約束，設(shè)計吊車梁跨長為6m。樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動加速度應(yīng)采用時程分析方法進行計算[4]。

3.3 計算方法

通過振動觀測以及對建筑結(jié)構(gòu)振動時的強度計算，可以采用《人民防空地下室設(shè)計規(guī)范規(guī)范》（GB 50038-2005）中附錄C里的單跨和等跨的等截面梁撓曲型自振圓頻率公式計算：

式中：fω——自振頻率，單位是1/s。

ω——梁的自振圓頻率，單位為rad/s；

B——梁的抗彎剛度，B=ΨEdbh3/12；

Ed——材料彈性模量；

Ψ——剛度折減系數(shù)，均質(zhì)彈性材料鋼材取1.0；

h——梁高；

b——梁寬；

γ——材料容重；

g——重力加速度；

本工程中選擇吊車梁材料為Q345每跨長6m，采用 28a工字鋼，B為 7110cm4，吊車梁 Ed為 206×103N/mm2，為 43.492Kg/m，得到吊車梁的自振頻率 fω為0.18。

從撓度上控制l/600即0.010m，滿足自振頻率要求同時滿足其振幅要求即第一振型對應(yīng)的最大振幅，減小吊車梁豎向變形，因此考慮調(diào)整吊車梁高度，提高吊車梁整體的剛度。在進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件豎向自振頻率計算后，經(jīng)吊車梁截面由28a調(diào)整至32a，經(jīng)廠家提供數(shù)據(jù)吊車的加速度介于0.05～0.098之間，振動位移位于0.0085～0.0082mm之間，而梁的自振頻率區(qū)間由0.088～1.052變化為0.095～0.156，可見在這種情況下一定程度上能夠改變梁的自振頻率避免共振發(fā)生。但是調(diào)整梁截面時要考慮設(shè)備的要求，因此調(diào)整區(qū)間范圍有限。所以通過調(diào)整梁截面尺寸使梁的自振頻率與設(shè)備運行頻率不一致或者不接近，可以避免在設(shè)備運行時發(fā)生共振從而造成結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。

3.4 構(gòu)造措施

現(xiàn)在工業(yè)廠房中，設(shè)置構(gòu)造措施首先需要保證承重結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，采取有效的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施可以起到隔振和減震的作用，比如說在工業(yè)設(shè)備或者在結(jié)構(gòu)部分設(shè)置阻尼器等，可以減少設(shè)備運行產(chǎn)生的振動量和振動頻率，還可以通過設(shè)置隔振墻，增設(shè)斜支撐和采用柔性連接等措施，保證吊車梁的整體穩(wěn)定性，這樣相當(dāng)于在設(shè)備與承重結(jié)構(gòu)之間改變了約束條件、自振頻率，避免共振的產(chǎn)生。

3.4.1 螺栓連接

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）中規(guī)定直接承受動力荷載重復(fù)作用的高強度螺栓連接，其疲勞計算應(yīng)符合抗剪摩擦型連接計算，但計算連接處開孔主體金屬，栓焊部分連接應(yīng)力其全部剪力由焊縫承擔(dān)。本工程剛架構(gòu)件現(xiàn)場連接采用10.9級摩擦型高強螺栓，采用噴砂處理法,摩擦面抗滑移系數(shù)μ≥0.50，高強螺栓孔為Ⅰ類鉆孔。其中各主要受力構(gòu)件如檁條、檁托、隅撐之間的連接采用高強螺栓連接。而隅撐、斜梁、系桿、梁柱等次要受力部位連接采用普通螺栓連接，普通螺栓孔為Ⅱ類鉆孔。其基礎(chǔ)錨栓、焊釘采用Q235級。

3.4.2 焊接方式

本工程中組合H型鋼的腹板與翼緣的焊接應(yīng)采用自動埋弧焊機焊,且四道連接焊縫均應(yīng)雙面滿焊。而Q345與Q345鋼材之間焊接選擇采用E50型焊條，Q235與Q235鋼材之間及Q345與Q235鋼材之間焊接選擇采用E43型焊條。對接焊縫要求全焊透，其焊縫等級為二級，當(dāng)鋼板厚度大于或等于8mm時，需做超聲波探傷檢測，如若板厚度小于8mm時，則按照二級焊縫標(biāo)準(zhǔn)做外觀檢查，端板與柱、梁翼緣和腹板的連接焊縫為全熔透剖口焊，質(zhì)量等級為二級。8.3米處吊車梁詳圖見圖2。

圖2 8.3m處吊車梁詳圖

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值分析

采用ANSYS軟件，對吊車梁采用beam梁單位進行模擬，先進行特征值分析即自振頻率的計算，再定義時程荷載工況考慮為線性時程分析計算，需通過時程分析計算豎向振動加速度限制，而時程荷載函數(shù)考慮靜力荷載及吊車梁運行時工況，定義振型阻尼，節(jié)點動力荷載，最后進行時程分析。對于不同結(jié)構(gòu)形式比如工業(yè)建筑，其建筑物開始損壞時的振動速度值基礎(chǔ)頻率范圍在20～50mms-1之間，本例考慮較大值40。

圖3 吊車梁初始振動圖

圖4 吊車梁第一階振型圖

4.2 計算結(jié)果

吊車梁模型的各階模態(tài)頻率 表1

利用ANSYS軟件對振動模態(tài)進行分析，得到各級模態(tài)振型，得出其自振周期和前5階固有頻率，其分布如表1，這個結(jié)果可以滿足結(jié)構(gòu)自振要求，在梁的整體剛度滿足要求的情況下，設(shè)計注意結(jié)構(gòu)自振的薄弱構(gòu)件的加強。當(dāng)?shù)踯嚵涸O(shè)備采用高階頻率，可能在運行過程中起較大作用，其頻率對應(yīng)的周期與設(shè)備周期接近會發(fā)生共振，位移會突變，進而破壞吊車梁。

5 結(jié)語

由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響，盡管不一定會直接造成結(jié)構(gòu)破壞，但是長期會使結(jié)構(gòu)變得不安全，得出以下結(jié)論：

①首先需要在結(jié)構(gòu)體系的選擇上優(yōu)先采取盡量規(guī)則的結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計承重構(gòu)件考慮振動荷載的動力系數(shù)、撓度范圍。

②增大承重結(jié)構(gòu)的整體剛度，考慮吊車梁抗彎模量EI，即增大吊車梁高度以增大EI從而有效減少設(shè)備振動的影響。

③鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房考慮鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施、焊接方式可以改變其約束條件，可以在有效地減少吊車梁自振頻率的同時減少共振現(xiàn)象。