多層篩分樓動力測試及振動評價方法研究

江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計院，江西 南昌 330001

篩分樓是大型采礦、冶煉等工業(yè)廠區(qū)中不可或缺的建筑物，對工業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟效益的提高發(fā)揮著巨大的作用。進入二十一世紀以來，我國工業(yè)飛速發(fā)展，生產(chǎn)效率大幅度提高，篩分樓不斷引進國外的一些大型、重型及強振動的設(shè)備，且這些設(shè)備往往分布于不同樓層，在提高生產(chǎn)力的同時，對結(jié)構(gòu)的擾力也急劇增大［1-2］。因此，如何快速、準(zhǔn)確的獲取結(jié)構(gòu)的振動情況及準(zhǔn)確評估振動對結(jié)構(gòu)物的影響大小具有很重要的實際意義。

1 工程概況

某多層篩分樓為4 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，縱向為五榀平面框架，每榀框架的柱距為7m、7.5m。篩分樓標(biāo)高±0.000m處布置一臺輸送皮帶機機尾設(shè)備，標(biāo)高+4.200m 處布置2 臺刮板機設(shè)備，標(biāo)高+9.000m處布置兩臺篩分機，標(biāo)高+12.600m處有一臺輸送皮帶機機頭設(shè)備。投入使用二年后出現(xiàn)強烈振動問題，主要為設(shè)備啟動和制動時結(jié)構(gòu)水平方向振動強烈及振源附近豎向振動強烈，嚴重影響現(xiàn)場工作人員的身體健康和工作效率以及結(jié)構(gòu)的安全。為了準(zhǔn)確評估振動對篩分樓的影響及確保結(jié)構(gòu)的安全使用，應(yīng)對該廠房結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場動力測試。

2 振動參數(shù)現(xiàn)場測試

2.1 測試設(shè)備

各種試驗儀器設(shè)備的連接關(guān)系如圖1 所示。

圖1 振動測試設(shè)備連接關(guān)系

2.2 測點布置與測試內(nèi)容

在設(shè)備運行工況下對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)進行測試，測點主要布置在各層振源附近的梁、板、柱上，以獲取振動設(shè)備的工作頻率和結(jié)構(gòu)上各測點的三向振動響應(yīng)參數(shù)（位移、速度、加速度）；振動特性主要在設(shè)備制動工況下進行測試，以獲取結(jié)構(gòu)的自振頻率。各測點布置如圖2、3 所示。

圖2 標(biāo)高+9.000m 振動測點布置

圖3 標(biāo)高+12.600m 振動測點布置

3 動力測試結(jié)果與分析

3.1 振動特性測試結(jié)果

由于篩分廠房的結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)場條件的復(fù)雜性，本次測試采用自由振動衰減法（振動設(shè)備的制動）獲取廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率和結(jié)構(gòu)阻尼比，通過設(shè)備制動工況下各測點的自由衰減時程曲線，計算出各測點的自振頻率，然后取平均值。按此方法計算的結(jié)構(gòu)第一階自振頻率為f=1.258Hz，沿橫向，第二階為1.324，沿縱向。

3.2 動力響應(yīng)測試結(jié)果

對各測點的響應(yīng)數(shù)據(jù)進行時域分析和頻域分析，限于篇幅原因，只給出具有代表性的測點時程曲線和頻譜曲線，如下圖4、5 所示：

圖4 測點1 Z 向加速度時程曲線及功率譜

圖5 測點3 Z 向加速度時程曲線及功率譜

3.3 振動原因分析

多層工業(yè)廠房異常振動的主要原因有兩種：一是動力設(shè)備的擾頻與廠房整體或局部構(gòu)件的主要自振頻率接近，從而引發(fā)共振；二是結(jié)構(gòu)因自身剛度不足，在動力設(shè)備擾力作用下發(fā)生劇烈受迫振動［3］。

采用SAP2000 有限元軟件建立標(biāo)高+9.000 m 樓板模型，進行模態(tài)分析，計算得出樓蓋的各階頻率如下表1 所示，振型如圖6、7 所示。

圖6 一階振型

圖7 三階振型

表1 樓板模型前十階頻率參數(shù) Hz

通過對測試數(shù)據(jù)進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)受迫頻率為13.8Hz左右，這與振動篩的工作頻率13.2Hz 接近，具有受迫振動的特性。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，標(biāo)高+9.000m 樓板的前幾階頻率在10.2～15.8Hz之間；通過分析樓蓋各階振型，發(fā)現(xiàn)前幾階振型主要出現(xiàn)在振源附近區(qū)域，說明振源區(qū)域的梁板剛度偏弱，振動容易被激發(fā)，這主要是因為布置設(shè)備的樓層往往會有較大開洞，削弱樓板的剛度；樓板厚度設(shè)計不足，僅為100mm 不符合“樓板厚度宜采用板跨度的1/15～1/18，且不宜小于120mm”［4］的規(guī)定。當(dāng)振動設(shè)備工作時振源頻率與樓蓋的頻率會出現(xiàn)接近的情況，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)樓板的豎向共振，產(chǎn)生較大的響應(yīng)。

對于結(jié)構(gòu)水平方向的振動，由于水平方向的頻率與振源頻率相差較遠，較好的避開了共振禁區(qū)，因而未出現(xiàn)明顯的連續(xù)性振動。當(dāng)振動設(shè)備啟動或制動時，振源頻率為0～13.2Hz，會跨越結(jié)構(gòu)自振頻率，勢必發(fā)生共振，這是引起結(jié)構(gòu)水平方向短時間強烈振動主要原因。由于高速轉(zhuǎn)動的偏心輪在共振區(qū)持續(xù)時間很短，混凝土結(jié)構(gòu)本身是有阻尼的，且振動設(shè)備每天開啟與關(guān)閉的次數(shù)很少，因此，該振動對結(jié)構(gòu)的影響可不考慮。

4 振動評價

異常的結(jié)構(gòu)振動不僅會降低作業(yè)人員的舒適度、損害人體健康，還會影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性［5］。因此振動的評價主要從對人體的影響和對結(jié)構(gòu)的影響展開。

4.1 振動對人的影響

長期處于振動環(huán)境中的人體，對振動作用會表現(xiàn)出不舒服、煩躁、惡心、頭暈和疲勞等，影響人的工作效率和熟練程度，并可能對身體健康造成危害［6］。

主要依據(jù)《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》［7］進行評價，振動對操作人員的響評價時間根據(jù)車間工作時間制度取8h 進行。對各測點的實測加速度值進行倍頻程分析，獲取各測點的計權(quán)加速度級幅值。如下表2 所示。

表2 各測點實測振動計權(quán)加速度級幅值

4.2 振動對結(jié)構(gòu)的影響

振動對建筑物的影響有大有小，其表現(xiàn)形式為墻皮剝落、墻皮龜裂、地板裂縫、基礎(chǔ)變形或下沉、建筑物變形扭曲等，極嚴重者以至于倒塌［8］。

主要依據(jù)《日本煙中元弘歸納的建筑物振動限值》標(biāo)準(zhǔn)進行評價，取建筑物振動位移最大幅值為0.406mm，振動速度最大幅值為10mm/s，振動加速度最大幅值0.102g=1.0 m/s2作為振動大小的判斷界限。正常運行工況下超限測點響應(yīng)值如下表3 所示。

表3 超過振動允許限值測點統(tǒng)計

由以上數(shù)據(jù)分析可知，各測點豎向加速度均超限，且部分測點加速度值很大。負載運行時標(biāo)高+9.000m 的樓板、梁的豎向振動強烈，這與現(xiàn)場檢測的結(jié)果比較吻合。過大的振動會對建筑結(jié)構(gòu)的安全性和使用性造成嚴重影響。

總而言之，該車間的振動無論是對結(jié)構(gòu)的安全還是人體的健康，都已經(jīng)造成了嚴重的影響，有必要對該車間進行加固，使振動對結(jié)構(gòu)、人體的影響降低到合理范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論與建議

（1）布置中頻振動設(shè)備的篩分樓，振源層樓蓋容易出現(xiàn)強烈的豎向振動，且該振動具有受迫振動和局部高階共振的特性。

（2）布置中頻振動設(shè)備的篩分樓，振動設(shè)備工作時，結(jié)構(gòu)水平向的持續(xù)性振動一般很小。當(dāng)振動篩啟動或制動時振源頻率會跨越結(jié)構(gòu)水平方向的頻率而引發(fā)共振，出現(xiàn)短暫的強烈振動。由于共振發(fā)生的時間很短，因此該振動結(jié)構(gòu)和人體的影響可忽略不計。

（3）采用“兩參數(shù)法”（振動對人體的影響、振動對結(jié)構(gòu)的影響）評價振動對結(jié)構(gòu)物的影響，可以更直觀、準(zhǔn)確的了解振動對結(jié)構(gòu)物的影響程度。此法對于我國工業(yè)廠房振動問題的評估，具有很重要的指導(dǎo)意義。

（4）對結(jié)構(gòu)物進行現(xiàn)場動力測試，能夠快速、準(zhǔn)確的了解結(jié)構(gòu)物的振動狀態(tài)，可以為后續(xù)的評估和振動控制提供依據(jù)。