某工業廠房樓蓋振動危害分析

秦 文

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

1 概述

動力設備普遍存在于工業廠房中，如果在設計時對動力荷載考慮欠缺，設備工作時就會導致廠房的不良振動，在影響生產的同時，還會使結構產生裂縫，甚至引起結構破壞。

某工業廠房二層樓面安裝有眾多動力設備，設備運行期間引起樓面振動，員工振感明顯，部分樓板出現裂縫，并影響機床加工精度。考慮到結構使用的安全性，對其結構進行了振動測試。通過對測試結果的分析，得出二樓樓蓋振動的主要原因。

2 振動測試工況、測試儀器及測點布置

2.1 測試工況

為準確獲得樓蓋結構的實際自振頻率、阻尼比、振動幅值等動力特性參數，本次測試分為環境激勵下的脈動測試和機器運行下的振動測試兩種工況。

2.2 測試儀器

中國地震局工程力學研究所研發的891型測振儀。

2.3 測點布置

該工業廠房東西分為Ⅰ,Ⅱ兩個區，根據結構平面布置圖和機床設備布置情況，測點布置遵循以下原則：1)在兩區域的中部都設置固定的參考點，其他測點可以移動；2)其他測點一般為每跨的樓板的中點；3)在板中部樓板(參考點所在區域)，可布置兩向1/4跨處的測點，用于檢測振動的衰減，并可用于獲得樓板的基本振型。

3 脈動測試

為獲得結構的自振頻率和阻尼，現場測試時分別進行了多次對于環境激勵下的結構響應測試以及自由衰減曲線的測試。對測試數據分析處理，可確定樓蓋結構的自振頻率和阻尼比特性參數。

3.1 頻率實測值

為了獲得該工業廠房樓蓋的自振頻率，現場分別在不同區域進行了多次不同環境的環境激勵下的結構響應測試，為達穩定測試要求，每次測試的時長取900 s，數據分析采用東方所的軟件INV3060v。根據Ⅰ區和Ⅱ區分別在X,Y兩個方向上進行脈動測試的譜分析結果可知，Ⅰ區和Ⅱ區各個測點處的自振頻率分別為Ⅰ區(X向測點頻率：8.586 Hz～11.074 Hz；Y向測點頻率：8.586 Hz～13.936 Hz)，Ⅱ區(X向測點頻率：8.337 Hz～10.820 Hz；Y向測點頻率：8.212 Hz～9.581 Hz)。

3.2 阻尼比實測值

為得到樓板的阻尼比，現場還測量了在外激勵作用下樓板自由衰減曲線，通過曲線擬合的方法可以對樓板的阻尼比進行識別。測試數據處理分析時，選取衰減曲線明顯的測點進行阻尼識別，Ⅰ區和Ⅱ區的阻尼比實測值分別為Ⅰ區(1.55%～1.83%)，Ⅱ區(1.29%～2.37%)。

3.3 模態參數實測值分析

分析Ⅰ區和Ⅱ區各測點的頻率實測值可知，由于各板跨機器布置數量及位置不同，地面堆載情況不同，各測點一階自振頻率有所不同。此外，由于“井”字型樓蓋所具有的振型頻率密集的特點，實測值在一定范圍內波動也是正常的。對于固定參考測點，X，Y兩次脈動測試結果是一致的，并且對于機床布置基本相同的Ⅰ區內的測點，一階頻率識別結果均為8.586 Hz，Ⅱ區測點的一階頻率識別結果為8.710 Hz。

分析Ⅰ區和Ⅱ區各測點的阻尼比實測值可知，Ⅰ區內各次測試結果較為穩定，Ⅱ區脈動測試時軸～軸機床設備處于通電待機狀態，對阻尼比識別影響較大，各次識別結果較為發散。根據Ⅰ區阻尼比測試結果綜合分析，建議用于后續動力分析的本樓蓋結構阻尼比取1.50%。

4 機器開動條件下的振動測試

4.1 機器振動頻率的分析

為獲得機器振動的頻率，現場測試時，集中在一臺運行正常數控機床上對機器自身的振動進行了多次測試。測點布置為：測點1，2，3設在機床剛性底座的三個支腳上，布置垂直方向拾振器；測點4設在機床剛性底座縱邊的中部，布置水平方向拾振器；測點5，6，7設在與測點1，2，3相對應的機床剛性底座支腳樓板上，布置垂直方向拾振器；測點8設在距測點6一定距離(1.2 m，1.5 m)處的樓板上，布置垂直方向拾振器。各測點布置平面見圖1。

從多次數控機床振動的時程分析結果可以發現，機器的振動頻率主要是在9.44 Hz。

4.2 樓板動力特性分析

為了確定該工業廠房二層樓蓋在機器設備運行狀態下的振動情況，現場模擬生產操作，開啟設備運行，同時測試不同位置樓板的振動參數。現場分別在Ⅰ區和Ⅱ區選取了能代表機器振動對樓板作用最不利情況的布置機器設備較多的樓板區域進行測試。

測試區域內的測試環境分五種：1)開啟一臺數控機床；2)開啟二臺數控機床；3)開啟三臺數控機床；4)開啟四臺數控機床；5)數控機床全部開啟。

由不同區域、不同環境下的振動測試結果可知：

1)樓板振動峰值加速度在測試環境5)的情況下，達到最大。即隨著機器開啟數量的增加，樓板振動峰值加速度逐漸增大，當開啟主測試板跨內的全部機器時樓板振動幅值最大，且出現在跨中位置。

Ⅰ區固定測點加速度峰值最大達到476.7 mm/s2，即4.86%g；Ⅱ區固定測點加速度峰值最大達到367.0 mm/s2，即3.74%g(現場檢測時，有兩臺機器運轉不正常)。

2)測試板跨內的樓板振動會向相鄰跨樓板傳遞。相鄰跨樓板的振動峰值加速度，隨著與振動機器距離的增大而逐漸減弱。

3)參考《建筑樓蓋結構振動舒適度技術規范》(2015年征求意見稿)中給出的車間峰值加速度限值為2.0%g(參考GB 50868—2013建筑工程容許振動標準的車間辦公室和生產操作區(暴露時間8 h)的舒適性降低界限的豎向容許加速度值推算而來)。

該工業廠房樓蓋振動峰值加速度已超過限值的2.43倍，振動問題較為嚴重，需要進行樓蓋結構的減振設計。

4)前述樓蓋振動最大幅值是在一個測試板跨內開啟機器所得結果，若是同時開啟多跨板內的機器，樓蓋振動有可能出現最不利的組合，振動峰值加速度將會更大。

5 樓蓋振動危害分析

該工業廠房的二層樓面密布機器設備，在單個柱間樓蓋網格內最多達12臺設備。單個機器設備運轉，就會引起樓蓋的振動；單個柱間樓蓋網格多臺機器設備同時運轉，對樓蓋的擾動振動有著疊加增大效應；整個樓層所有機器設備同時運轉時，考慮不利組合，對樓蓋的擾動振動更加顯著。

機器振動測試結果表明，在目前的生產工藝條件下，該工業廠房機器設備的振動主頻分布在9.44 Hz附近，對樓板的擾力主頻也集中在9.44 Hz附近。Ⅰ區樓蓋一階主頻約8.59 Hz，Ⅱ區樓蓋一階主頻約8.71 Hz。機器設備運轉時對樓蓋產生的擾力頻率與樓蓋本身的自振主頻非常接近，有共振效應。共振勢必導致樓蓋的振動(振動位移、振動速度、振動加速度)倍增或數倍增大。

鋼筋混凝土結構構件變形過大，特別是在振動荷載作用下，往復循環變形很容易導致裂縫產生。

對于鋼筋混凝土構件，隨著結構的振動，將會不斷的出現裂縫，裂縫的多少也與振動的強度(振幅)有直接關系。