某廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)原因分析及影響評(píng)估

蔣智勇 覃幫程 張?jiān)獫?/p>

(1.四川省建筑科學(xué)研究院，四川成都 610081;2.四川省建筑新技術(shù)工程公司，四川成都 610081;3.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，一些易產(chǎn)生動(dòng)力荷載的機(jī)器設(shè)備(如風(fēng)機(jī)、電機(jī)、鍛錘等)不可避免地需要設(shè)置在樓層上，如果設(shè)備隔振和結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)考慮不當(dāng)，動(dòng)力設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列振動(dòng)問題，將影響到機(jī)器的使用壽命，甚至直接影響到工廠的安全生產(chǎn)及作業(yè)人員的身心健康。在實(shí)際工程中主要通過振動(dòng)測(cè)試和振動(dòng)計(jì)算來分析此類振動(dòng)問題的原因，科學(xué)評(píng)估可能造成的后果，并采取相應(yīng)的對(duì)策。

1 工程概況

某廠房排風(fēng)樓為2層(局部3層)的單跨(兩側(cè)懸挑)框架結(jié)構(gòu)，縱向柱距為6.0 m，橫向柱距為9.0 m，懸挑長(zhǎng)度2.7 m。框架柱截面尺寸分別為400 mm×400 mm，500 mm×500 mm，2層樓蓋梁部分截面尺寸分別為250 mm×500 mm，250 mm×550 mm，250 mm×600 mm，300 mm×800 mm，2層樓蓋現(xiàn)澆板厚度均為100 mm。

該廠房排風(fēng)樓在其2層樓蓋布置有多臺(tái)排風(fēng)設(shè)備，因生產(chǎn)需要對(duì)排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了提速以后，2層樓蓋部分區(qū)域出現(xiàn)了較明顯的振動(dòng)。為了查明強(qiáng)迫振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)該廠房2層樓蓋的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率、振幅進(jìn)行了測(cè)試，因廠房風(fēng)機(jī)不允許停機(jī)，結(jié)合構(gòu)件自振頻率理論計(jì)算綜合分析，得出該廠房排風(fēng)樓2層樓蓋振動(dòng)的原因及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響評(píng)估。

2 測(cè)點(diǎn)布置及設(shè)備信息

3 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

振動(dòng)測(cè)試采用941B型超低頻測(cè)振儀，通過采集各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)來分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件及整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，數(shù)據(jù)的采集及處理系統(tǒng)如圖3所示。

圖1 2層樓蓋結(jié)構(gòu)平面及測(cè)點(diǎn)布置

圖2 2層樓蓋排風(fēng)設(shè)備

圖3 測(cè)試儀器及數(shù)據(jù)處理設(shè)備框圖

圖3 中941B型拾振器用于測(cè)試時(shí)的信號(hào)采集;941型多通道測(cè)振放大器用于放大拾振器檢測(cè)的各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)信號(hào);INV-306U智能信號(hào)采集處理分析系統(tǒng)用于對(duì)放大的脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和分析處理。

941B型超低頻測(cè)振儀是一種用于超低頻或低頻振動(dòng)測(cè)量的多功能儀器，它主要用于地面和結(jié)構(gòu)物的脈動(dòng)測(cè)量、一般結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)測(cè)量、高柔結(jié)構(gòu)物的超低頻大幅度測(cè)量和微弱振動(dòng)測(cè)量。本次測(cè)試采用941B型超低頻測(cè)振儀的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

1)941B拾振器。拾振器速度檔靈敏度(單位:mV/(mm·s)－1):測(cè)點(diǎn)1拾振器為21.14，測(cè)點(diǎn)2拾振器為20.07;分辨率:小速度檔:4 ×10－8m/s2;通頻帶:小速度檔:1.0 Hz～100 Hz。

2)941B放大器。通頻帶:0.025 Hz～35 Hz;低通濾波陡度:－40 dB/oct。

本次測(cè)試數(shù)據(jù)采用DASP2006專業(yè)版軟件進(jìn)行自功率譜分析。

4 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算

4.1 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

在設(shè)備運(yùn)行的工況下，采用脈動(dòng)法對(duì)各測(cè)點(diǎn)的速度反應(yīng)譜進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)采用INV多通道數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DASP2006專業(yè)版軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，主要進(jìn)行的是自功率譜分析和時(shí)域分析，得到各測(cè)點(diǎn)的豎向強(qiáng)迫振動(dòng)頻率和振幅最大值(見表1)。測(cè)點(diǎn)的自功率譜曲線見圖4，時(shí)域分析速度譜曲線見圖5(均以測(cè)點(diǎn)1為例)。

表1 各測(cè)點(diǎn)頻率及振幅最大值(絕對(duì)值)測(cè)試結(jié)果

圖4 測(cè)點(diǎn)1的自功率譜曲線（速度譜）

圖5 測(cè)點(diǎn)1的時(shí)域分析譜曲線（速度譜）

4.2 理論計(jì)算

因生產(chǎn)需要，該廠房的風(fēng)機(jī)不允許停機(jī)，無法直接測(cè)得相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的固有頻率，故根據(jù)結(jié)構(gòu)布置、設(shè)備信息、荷載信息等進(jìn)行了理論計(jì)算［1，2］，得到相關(guān)構(gòu)件的豎向固有頻率理論值以及強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與固有頻率理論值的比值，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各測(cè)點(diǎn)部分構(gòu)件的豎向固有頻率理論計(jì)算結(jié)果

5 振動(dòng)原因分析

結(jié)合振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析表明，該廠房在設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2處測(cè)得的豎向強(qiáng)迫振動(dòng)頻率均為16.25 Hz(見表1)，與設(shè)備運(yùn)行時(shí)的擾動(dòng)頻率16 Hz(960/60)比較接近。經(jīng)對(duì)測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域的梁、板構(gòu)件的固有頻率進(jìn)行理論計(jì)算(見表2)，該區(qū)域的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與固有頻率之比均在 0.75～1.25的共振區(qū)范圍，出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象。

6 振動(dòng)影響評(píng)估

經(jīng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，得到2層樓蓋測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2處的強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅速度最值分別為14.99 mm/s和11.47 mm/s(見表1)。

因現(xiàn)行規(guī)范GB 50190-93多層廠房樓蓋抗微振設(shè)計(jì)規(guī)范尚未對(duì)建筑物自身和人文使用環(huán)境的容許振動(dòng)指標(biāo)作出規(guī)定，故參考文獻(xiàn)［5］第三章相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行影響評(píng)估。表3為生產(chǎn)操作區(qū)連續(xù)穩(wěn)定振動(dòng)時(shí)對(duì)人的環(huán)境影響防振指標(biāo)，表4為部分國(guó)家及機(jī)構(gòu)的一般性建筑物的容許振動(dòng)速度指標(biāo)。

表3 生產(chǎn)操作區(qū)連續(xù)穩(wěn)定振動(dòng)對(duì)人的環(huán)境影響防振指標(biāo)

表4 部分國(guó)家及機(jī)構(gòu)一般性建筑物的容許振動(dòng)速度指標(biāo)

從表4可知，該廠房的設(shè)備強(qiáng)迫振動(dòng)對(duì)工人的身心健康會(huì)有一定影響，對(duì)該廠房部分區(qū)域結(jié)構(gòu)已造成了輕微損壞，進(jìn)而有可能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)明顯裂縫和損壞。

7 結(jié)論與建議

根據(jù)以上振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)、理論計(jì)算結(jié)果結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行綜合分析，得出如下結(jié)論及建議:

1)該廠房排風(fēng)樓2層樓蓋部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與固有頻率之比均在0.75～1.25的共振區(qū)范圍，出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象導(dǎo)致振動(dòng)異常。2)該廠房的設(shè)備強(qiáng)迫振動(dòng)對(duì)工人的身心健康會(huì)有一定影響，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)造成了輕微損壞，進(jìn)而有可能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)明顯裂縫和損壞。3)結(jié)合生產(chǎn)需要考慮降低排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或?qū)ε棚L(fēng)機(jī)設(shè)備采取更有效的隔振措施。4)對(duì)振動(dòng)較大部分區(qū)域的構(gòu)件的剛度進(jìn)行調(diào)整，改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件的固有頻率，避免在設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生共振。

［1］ 張榮山.工程振動(dòng)與控制［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

［2］ 中國(guó)工程標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)建筑振動(dòng)專業(yè)委員會(huì).建筑振動(dòng)工程手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［3］ 吳 體，肖承波，熊 峰.建筑結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)問題與對(duì)策［J］.四川建筑科學(xué)研究，2006(6):142-144.

［4］ 于建華，謝用九，魏詠濤.高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)［M］.成都:四川大學(xué)出版社，2001.

［5］ 茅玉泉.建筑結(jié)構(gòu)防振設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［6］ GB 50190-93，多層廠房樓蓋抗微震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.