設備鋼平臺振動的設計對策

俞 珊

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

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

等效靜力系數法，即將動力設備的作用乘以動力系數后，按照靜力設計的辦法進行結構及構件的計算和設計。該方法計算簡單、快捷。但該方法并不適用所有動力設備的情況，也沒有考慮設備動力作用的性質和結構或構件的動力響應。由此可能產生以下的后果：

（1）結構、構件及連接在振動下的發生破壞或者振動變形超過允許限值，從而影響工藝（設備）正常生產和使用。

（2）不必要地加大結構的剛度、構件的截面，從而造成浪費。

（3）結構不正常的振動影響設備的正常運轉，造成設備故障，縮短設備壽命。

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構上，對動力效應進行分析計算。此類方法計算結果較為精確，但建模過程復雜，設計周期較長，對設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，對鋼平臺防振動設計進行總結，提出合理而實用的設計對策，以幫助設計人員在遇到實際振動問題時理清設計思路，合理選用設計方法。同時，在進行振動平臺設計時，應用概念設計，對設備進行合理布置，減少設備振動效應，從而達到工程結構安全可靠、經濟合理的目的。

1 基本設計準則

在設計實踐中，對結構振動效應計算應遵循以下準則：

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）計算設備支撐梁時，將其視為單跨梁或者多跨連續梁。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布置水平支撐桿件，減少設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域之外。

（3）振動計算中，計算振幅時采用設備標準擾力，當設備梁支撐在別的框架梁上，其有效位移等于設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）有振動設備的情況下，直接承載設備的次梁，框架梁均不應考慮塑性內力重分布，且一般僅作多遇地震作用下的內力和變形分析。

（5）等效靜力系數法計算結構內力時，計算主梁時，應考慮作用在次梁上的設備荷載和直接作用于主梁上的荷載，在柱和基礎計算中可不考慮上述荷載。

1.2 荷載確定

設備安裝使用后，一般情況下是不會改變位置的，設備荷載符合永久荷載的特性，所以設備自重可以作為永久荷載，但是設備中的物料應作為活荷載。設備中的物料可變荷載分項系數一般取1.4，但在容積為定值時，物料可變荷載分項系數可取1.2。

1.3 方法選用

對于直接承受動力設備的結構構件，通常應進行動力計算。只有滿足下列條件時，方可采用等效靜力系數法進行計算：

（1）梁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）確定設備作用在結構的振動荷載；

（2）根據相應規范要求明確結構的允許振動標準，如撓度限值、允許振動速度等；

（3）計算結構構件的動力特性，如自振頻率、振型等；

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

（5）確定結構內力的幅值（彎矩，剪力，軸力），并進行構件承載力計算。

1.5 等效靜力系數法計算步驟

（1）確定不同工作狀態下荷載的等效靜力系數；

（2）采用等效荷載進行承載力計算。

2 設計流程

在進行設備鋼平臺設計時，可按以下步驟開展工作：

1、熟悉工藝設備資料，確認是否包括振動設備。如無振動設備即可按常規設計思路，進行靜力計算；若有振動設備，則應根據設備類型、數量、布置要求確定基本設計方案。

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

3、反復試算直至設計結果符合規范要求。

3 一般設計經驗總結

由于設備振動的復雜性，常用的計算分析模型得出的計算結果往往與實際情況存在差異，因此結構振動性能的控制，不能完全依靠振動計算分析，概念設計更為重要。應從結構布置方案上采取措施，以減輕設備振動對結構可能產生的不利影響。筆者結合設計工作經驗，總結了如下振動平臺結構設計中概念設計準則，以減少動力設備對結構的振動影響，可供參考。

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

（2）若設備振動較強，或存在對振動敏感的儀器時，優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，應將振動設備基礎或支撐體系與主體結構脫開，兩者同時存在時，宜分類集中，分區布置，減少相互影響。

（3）通過調整設備的運轉頻率，使其錯開結構的自振頻率，可有效避免結構與設備發生共振。當有多臺設備共同工作時，可使其運轉方向相互錯開，避免在同一方向產生共振。

（4）如設備無法調整，可調整結構布置，設法改變結構的自振頻率，如增設支撐、改變梁柱的截面尺寸、改變結構形式等實現對振動的控制。動力設備下應布置梁，不宜直接布置在樓板上。當設備設置在單根梁上時，應避免梁受扭，當設備由兩根梁共同承擔時，梁的軸線宜與設備和底座的總質心對稱。兩根梁的動力特性宜相近。垂直振動為主的設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定性。

（5）如設備無法調整，可調整結構布置，設法改變結構的自振頻率，如增設支撐、改變梁柱的截面尺寸、改變結構形式等實現對振動的控制。動力設備下應布置梁，不宜直接布置在樓板上。當動力設備設置在單根梁上時，應避免梁受扭，當設備由兩根梁共同承擔時，梁的軸線宜與設備和底座的總質心對稱，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構平臺，除了花紋鋼板或格柵板需與鋼梁采取可靠連接外，還應增加水平支撐。當動力設備必須布置在樓板上，此樓面宜采用混凝土樓板。

（7）鋼平臺結構的剛度中心和設備的質心盡量重合。

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

（9）鋼結構構件的現場連接，優先采用高強螺栓摩擦型連接，對于重要的連接與拼接，應選用栓焊連接。

（10）平臺其余部分與振動局部的連接盡量避免使用剛接節點。

4 結論與展望

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