公共建筑結構設計中的設備振動問題

梁繼忠

【摘要】公共建筑室內通常會設置各種設備機房，結構設計不僅要考慮常規設備的運行荷載，還須考慮設備在運行過程中產生的振動影響。本文提出了在公共建筑結構設計中，如何通過優化結構布置、選用合適的設備隔振措施以及調整合適的結構自振頻率等措施解決設備振動問題。

【關鍵詞】設備振動；結構設計；自振頻率；隔振

Equipment vibration problems in structure design of public buildings

Liang Jizhong

（CCCC Airport Investigation and Design Institute Co.， Ltd.，Guangzhou 510230，China）

【Abstract】Structure design should not only consider the running load of equipment， but also consider the vibration effects of equipment operation. In public buildings， in order to solve the problem of equipment vibration， structural design by optimizing the structure arrangement， choose the right equipment vibration isolation device and adjust the structure of the natural frequency of vibration.

【Keywords】Equipment vibration；structural design；natural frequency of vibration；vibration isolation

近年來，公共建筑基本沿著大跨度大柱距的方向發展，為了配合建筑功能及造型需要，結構設計也需要向著輕質、高強、高剛度的目標發展。然而，公共建筑通常需要涵蓋各類的設備使用功能，會在室內設置有各種的設備機房，設備機房內的動力設備運行荷載通常會較大，動力設備在運行過程將會產生明顯的振動響應，其中，動力設備主要有通排風電機、柴油發電機、消防水泵以及冷卻塔設備等。

面對公共建筑內的各種設備振動問題，如何有效確保建筑使用功能的正常使用以及結構的安全可靠就成了結構設計的關鍵。

1、 設備振動的影響

機房設備在運行過程中會通過設備支座將設備的振動效應傳遞到結構樓蓋，致使結構樓蓋產生較大的振動響應，局部的結構構件甚至會隨之發生異常振動。另外，由于設備的振動會使結構構件產生受迫振動，這種受迫振動將對公共建筑的使用功能、結構樓蓋性能以及結構設計產生以下影響：

1） 使用功能方面

設備的振動效應會通過結構樓蓋向周邊房間傳遞，劇烈的振動感覺會對處在設備機房周邊的活動人員產生不舒適感，特別對處在設備機房其中的工作人員產生明顯的不良感覺，進而會對人體產生較大的心理、生理影響，甚至危害人體健康。

2） 結構樓蓋性能方面

劇烈的設備振動會使結構樓蓋產生過大的振動響應，如若結構的自振頻率與設備運行產生的擾力頻率相近時將會引起共振，從而會影響結構樓蓋本身的性能，造成結構構件的材料性能下降，嚴重地甚至會引起結構構件的破壞。

3） 結構設計方面

根據相關規范要求，對承受動荷載的結構應進行振動分析。在結構設計時為了避免進行復雜的結構振動分析，針對承受動力荷載的結構，可參考《選煤廠建筑結構設計規范》[1]相關規定，當其固有自振頻率或振動位移滿足相關條件時，可不進行動內力計算，但應按動力系數法對結構進行靜力計算。

因此，在公共建筑結構設計時必須考慮機房內的設備振動影響，以確保建筑使用功能的正常使用以及結構的安全可靠。

2、 結構設計的原則

為了取得經濟合理的結構設計方案，在初步確定建筑平面功能布置時，應結合實際情況針對不同的設備提出具體的結構布置方案，在方案設計階段將設備振動對結構可能產生的負面影響控制在有限的范圍。

在設備用房的柱網、層高以及主要結構形式確定之后，面對機房內的設備振動問題，結構設計遵循的原則是：優化結構布置、選用合適的設備隔振措施以及調整合適的結構自振頻率。

1） 結構布置

在設備用房內采用合理的結構布置可有效地減少設備振動產生的負面影響，結構布置時可按以下原則進行：

（1） 在滿足建筑功能的前提下宜在機房周邊區域設置隔振縫或減振縫，將振動影響范圍減少；

（2） 承受動力荷載的樓蓋宜采用現澆鋼筋混凝土肋形樓蓋或裝配整體式樓蓋，支承梁和樓板的最小截面尺寸要求見表1；

（3） 有強烈振動的設備或對振動很敏感的設備宜布置在建筑物底層；

（4） 動力設備宜布置在樓蓋剛度較大的主要承重結構上，但不能放在懸臂結構上；

（5） 垂直擾力較大的設備宜布置在梁的支座附近，水平擾力較大的設備宜布置與梁的軸線方向一致。

表1：支承梁和樓板的最小截面尺寸[3]

肋形樓蓋 裝配整體式樓蓋 主梁高跨比

板高跨比 次梁高跨比 現澆面層厚度（mm） 板肋高跨比 板厚（mm）

1/18 1/15 60 1/20 30 1/10

2） 設備隔振措施

為了降低設備振動對結構樓蓋產生過大的振動響應，在設備支座設計時，通常會對設備支座進行隔振設計。設備隔振通常分為主動隔振和被動隔振，對建筑物周圍環境產生有害振動影響的動力設備應采用主動隔振設計，對周圍環境振動反應敏感而不能正常使用的設備應采用被動隔振設計。在公共建筑內的設備隔振方式主要有：支承式隔振、懸掛式隔振和懸掛兼支承式隔振，具體的隔振方式見圖一。

1-隔振對象；2-隔振器；3-剛性吊桿

圖一，隔振方式示意圖[2]

當設備支座采用隔振設計時，隔振方案的選用應經多方案比選后確定，并經隔振計算后選用合適的定型產品，設備支座隔振器應同時具備耐久性好、性能穩定、彈性好、剛度低、承載力大以及阻尼適當等性能特點。

3） 結構自振頻率計算

一般地說，結構的自振頻率若低于設備的強迫振動頻率，則有發生高頻共振的可能性，當設備在開、停時，會發生強迫振動頻率穿越自振頻率從而產生穿越共振；若結構的自振頻率高于設備的強迫振動頻率，則不可能發生共振[5]。因此，調整結構最低自振頻率并使其高于設備擾力頻率是避免共振的有效措施。

由于《混凝土結構設計規范》[4]沒有對混凝土結構樓蓋的豎向自振頻率計算做出明確要求，故在結構設計時可參考《選煤廠建筑結構設計規范》[1]所列出的梁最低自振頻率公式（6.3.11-1）以及最低自振頻率計算值公式（6.3.12-1），從公式來看：

式中的參數主要涉及梁抗彎剛度B（B=EI）、梁上單位長度的均布質量m和梁的計算跨度。在確定梁的自振頻率時，應根據實際的結構布置情況確定計算簡圖，從公式參數可知，梁的自振頻率將會隨其剛度的增大而提高，隨其均布質量和跨度的增大而降低。考慮到設備機房的結構自重以及設備重量是基本不變的，因此，在滿足建筑使用功能的前提下，調整梁自振頻率最直接有效的設計方法是調整梁剛度。在計算梁剛度時，只需調節梁的高度，便能得到合適的結構自振頻率；如果當梁的高度受到其它因素的限制時，亦可采用增加梁寬和提高混凝土彈性模量的方法以增大梁的剛度。

在公共建筑中，機房設備主要以中、低頻類的動力設備為主，在經過隔振設計后的設備擾力頻率一般在6～10Hz左右，設計時只需將支承梁的最低自振頻率計算值控制在10Hz以上，便可滿足《選煤廠建筑結構設計規范》[1]第6.3.16條所要求的條件“梁的第一頻率密集區內最低自振頻率計算值大于設備的擾力頻率”，結構設計時對支承梁可不必進行復雜的動內力計算，只需按動力系數法對支承梁進行靜力計算即可。

3、 工程實例

某隧道辦公樓為混凝土框架結構，橫向柱距最大為7.5m，縱向柱距為9m，為了滿足隧道排風功能要求，在辦公樓平面的中心位置設置了一個3層高的排風機房，并在二層機房樓面設置了多臺軸流風機設備，根據廠家提供的設備資料，軸流風機運行時的擾力頻率≈10Hz。

首先，為了有效地解決軸流風機設備的振動問題，在確定初步結構設計方案時，對排風機房內具有振動特性的軸流風機設備區域進行了仔細研究，考慮排風機房與周邊辦公用房的不同使用功能，設備機房區域的結構布置進行了兩方面的優化設計：一方面是在機房周邊設置了隔振縫（兼做結構抗震縫），將排風機房與周邊辦公用房進行了物理隔離，使設備振動輻射范圍控制在機房區域，盡可能地縮小設備振動的影響范圍；另一方面，為了加強結構樓蓋的整體剛度，軸流風機區域內采用了現澆混凝土井字梁板結構，并將軸流風機設備基礎放置在井字梁承重結構上，支承梁和樓板的截面尺寸均按照規范[3]的構造要求進行布置。具體布置見圖二。

圖二，二層樓面結構布置圖

其次，為了減輕設備振動對結構樓蓋產生過大的振動響應，在軸流風機設備產品招標后，對軸流風機設備支座采用了隔振設計，設備支座經多方案比較后選用了“隔而固”的主動隔振方案，并采用支承式隔振方式，設備隔振支座由專業的隔振設計單位按規范[2]進行深化設計。

最后，為了提高結構最低自振頻率計算值并使其高于軸流風機的擾力頻率，避免共振的發生，設計時把提高結構自振頻率作為主要的優化目標。參照《選煤廠建筑結構設計規范》[1]對支承梁的自振頻率進行估算，經過多次優化調整，支承梁的截面從300x600調整到500x950，相應的結構最低自振頻率計算值從7.4Hz提高到12.2Hz，結果見表2。根據估算結果判斷，當支承梁選用500x950截面時，梁的第一頻率密集區內最低自振頻率計算值已大于設備的擾力頻率10Hz，便可有效地避免了共振的發生，且支承梁也不必進行復雜的動內力計算，只需按動力系數法對結構支承梁進行靜力計算即可。

表2：樓蓋最低自振頻率表

支承梁截面 300x600 300x700 400x800 500x950

最低自振頻率計算值 7.4Hz 8.9Hz 10.2Hz 12.2Hz

另外，考慮到規范公式[1]并沒有考慮實際的結構布置對支承梁剛度計算的影響，故采用SAP2000有限元軟件對軸流風機區域補充了模態分析（僅選取了橫向2跨及縱向3跨區域），分析結果如圖三，當支承梁截面選用500x950時，軸流風機區域在第一模態的結構樓蓋自振頻率計算值約為12.8Hz，分析結果與規范公式的估算結果基本一致。

圖三：sap2000有限元軟件模態分析結果

至此，本辦公樓通過優化結構布置而有效地控制了設備振動的影響范圍，通過選用合適的設備隔振措施使得設備振動對支承結構的負面影響降到了最低，以及通過調整合適的結構自振頻率而有效地避免了共振的發生并簡化了支承結構的設計方法，最終達到了確保建筑使用功能的正常使用以及結構的安全可靠的預期目標。

4、 結語

面對公共建筑內的各種設備振動問題，結構設計的關鍵是通過優化結構布置、選用合適的設備隔振措施以及調整合適的結構自振頻率等一系列措施，減少設備振動產生的負面影響、確保建筑使用功能的正常使用以及結構的安全可靠。所以，在公共建筑結構設計時只有充分考慮到設備振動所帶來的負面影響，并采取適當、可靠的措施方可確保建筑使用功能的正常使用以及結構的安全可靠。

參考文獻：

[1] GB 50583-2010，《選煤廠建筑結構設計規范》[S]. 北京：中國計劃出版社，2010

[2] GB50463-2008，《隔振設計規范》[S]. 北京：中國計劃出版社，2009

[3] GB50190-93，《多層廠房樓蓋抗微振設計規范》[S]. 北京：中國計劃出版社，1994

[4] GB50010-2010，《混凝土結構設計規范》[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010

[5] 高紅珍.《選煤廠主廠房結構設計中的振動荷載問題》[J]. 煤炭工程， 2003（5）： 26-27