某多層工業廠房樓蓋減振方案設計

秦 文

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概況

某工廠金工車間為4層的鋼筋混凝土框架結構，采用井字形樓蓋，標準柱間距為12.0 m×12.8 m，次梁間距3.2 m，伸縮縫將該車間分為東、西兩個區，即Ⅰ區和Ⅱ區，Ⅰ區東西向6跨(①軸～⑦軸)、南北向6跨(軸～軸)，Ⅱ區東西向7跨(⑧軸～軸)、南北向6跨(軸～軸)。

車間內各層均布置了生產加工所用的數控機床，機床重量約2 200 kg，最大負荷300 kg，刀具重量為23 kg(33 kg)，主軸轉速150 min-1～24 000 min-1。該車間使用過程中樓蓋振動明顯，員工能明顯感到樓蓋的振動，且結構局部出現損傷，振動問題突出，已影響到正常使用和機床的加工精度。

2 樓蓋振動情況現場測試結果

為準確獲得樓蓋結構的實際自振頻率、阻尼比、振動峰值加速度等動力特性參數，現場分別在該車間的Ⅰ區和Ⅱ區進行了環境激勵下的脈動測試和機器運行下的振動測試，具體測試結果為：Ⅰ區內樓蓋的自振頻率識別結果為8.572 Hz，Ⅱ區內樓蓋的自振頻率識別結果為8.719 Hz；Ⅰ區和Ⅱ區內樓蓋結構阻尼比的識別結果為1.55%～1.83%；樓蓋上所有數控機床運行狀態下，Ⅰ區內樓蓋的峰值加速度為4.496%g，Ⅱ區內樓蓋的峰值加速度為3.151%g；數控機床運行時機床的振動頻率為9.44 Hz。

3 減振方案設計與分析

根據現場振動測試結果可知，廠房樓蓋振動峰值加速度4.496%g，已超出人長時間所處環境的可接受振動限值，需要對其進行振動控制設計。結合廠房結構布置及車間設備情況，提出以下三種減振設計方案。

3.1 增大次梁截面

增大次梁截面基本不改變結構的整體設計指標，可較為有效地提高構件的剛度，在此優先對本方法進行分析。

次梁截面增大后，采用有限元模態分析，Ⅰ區內樓蓋的一階自振頻率由原8.572 Hz提高到9.425 Hz，Ⅱ區內樓蓋的一階自振頻率由原8.719 Hz提高到9.595 Hz，增幅均約為10%。采用有限元動力時程分析，模擬Ⅰ區內單塊樓蓋板跨跨中一臺數控機床開啟時的振動測試工況，分析得出該樓蓋板跨跨中的振動峰值加速度由原2.232%g增大到3.366%g，該樓蓋的相鄰樓蓋板跨跨中的振動峰值加速度由原0.726%g增大到1.146%g，增幅50%～60%。

增大次梁截面，Ⅰ區和Ⅱ區樓蓋的一階自振頻率均接近于機床動力荷載的主頻9.44Hz，出現共振響應，同時樓蓋振動峰值加速度不減反而增大50%以上，并未起到減振效果。

3.2 增大框架梁和次梁截面

增大次梁截面使得樓蓋的一階自振頻率提高，但振幅也同時增大，故在此基礎上進一步增大框架梁截面，使樓蓋一階自振頻率繼續提高。根據GB 50190—93多層廠房樓蓋抗微振設計規范中關于框架梁最小高跨比1/10的規定，框架梁截面由原600 mm×900 mm增大為600 mm×1 250 mm，混凝土強度等級同原設計。

同樣采用有限元模態分析，Ⅰ區內樓蓋的一階自振頻率由原8.572 Hz提高到10.779 Hz，Ⅱ區內樓蓋的一階自振頻率由原8.719 Hz提高到10.955 Hz，增幅均約為26%。采用有限元動力時程分析，模擬Ⅰ區內單塊樓蓋板跨跨中一臺數控機床開啟時的振動測試工況，分析得出該樓蓋板跨跨中的振動峰值加速度由原2.232%g降低到0.867%g，該樓蓋相鄰樓蓋板跨跨中的振動峰值加速度由原0.726%g降低到0.215%g，降幅60%～70%。

同時增大框架梁和次梁截面，Ⅰ區和Ⅱ區樓蓋的一階自振頻率均滿足高頻樓蓋10.0 Hz以上的要求，樓蓋自身剛度和阻尼耗能可有效抵抗機床動力荷載，穩態振動峰值加速度降幅可達60%以上，減振效果明顯。

參考GB 50190—93多層廠房樓蓋抗微振設計規范6.4.9節給出多臺機器同時運轉時驗算點響應的計算公式如下：

(1)

其中，aj為一臺機器運轉時驗算點產生的振動加速度峰值；m為同時運轉的機器臺數。

進一步采用有限元動力時程分析模擬了Ⅰ區樓蓋上所有機器同步運轉時的最不利荷載工況，Ⅰ區內樓蓋的最大峰值加速度為3.551%g，超出峰值加速度限值2.0%g(值得注意的是，該廠房各臺機器是由單獨的控制臺進行操控的，整個樓蓋中所有機器同步運轉的情況是不可能出現的，本分析結果為最不利工況，其最大峰值加速度要大于一般正常使用工況)。

3.3 增加框架柱

從樓蓋一階振動模態可看出，樓蓋模態為整體振動，即框架梁柱兩側梁板振動位移呈反對稱，樓蓋標準柱間距為12.8 m×12.8 m，梁板跨度較大，僅增大水平構件(梁、板)，并不能有效地改變樓蓋的整體振動模態，故樓蓋自振頻率并未大幅提高，可對結構豎向構件(柱、墻)進行加強。

基于上述分析結果，加強結構豎向構件的可行方法是增加框架柱。考慮盡量不影響當前設備布置并能夠較為有效的提高樓蓋整體剛度，在軸～?軸/①軸～軸間樓蓋各板跨跨中位置增設框架柱。新增加框架柱截面為700 mm×700 mm，混凝土強度等級同原設計柱。

進一步采用有限元動力時程分析模擬了Ⅰ區內樓蓋上所有機器同步運轉時的最不利荷載工況，Ⅰ區內樓蓋的最大峰值加速度為1.189%g，小于峰值加速度限值2.0%g，減振效果明顯。

4 結語

增大次梁截面盡管提高了結構的剛度，但未能將結構頻率調出共振區，減振效果不佳，不宜單獨使用，應和其他減振措施合并使用。增大框架梁和次梁截面在提高樓蓋頻率和減振效果上都較為明顯，但由于實際樓蓋振動較大，減振的幅度很難達到規范要求。增加框架柱不但能將樓蓋頻率提高到15 Hz左右，而且減振效果明顯優于其他三種方案。