微振動對高標準廠房的結構選型影響

鄒利明 （廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510670）

1 研究背景

隨著工業廠房的不斷發展，工業用地顯得越來越緊張，因此為深入貫徹落實黨中央關于著力振興實體經濟的決策部署，支持制造業企業盤活土地資源，推進土地資源集約節約利用，優化資源配置，提高土地利用率，積極拓展發展空間，優化生產力布局，促進產業集聚，降低制造業企業成本，推動企業規范化、園區化發展，改善生態環境，高標準廠房應運而生。高標準廠房具有層數高、通用性強、荷載大、污染性小、振動小的特點，其對應的服務對象不明，因此會根據入駐的廠家的情況，其荷載分布也會有一定的變化。因此對于有動力設備的高標準層廠房，其存在的結構微振動不能避免，故如何進行結構選型，將微振動的影響控制在結構承載力和的范圍之內，控制其受迫振動頻率不影響操作人員正常工作，成為廠房結構選型設計中的關鍵[1]。

2 原理分析

根據結構動力學的原理，結構的受迫振動由以下兩個因數決定：一個是外荷載，即擾力源；另一個是結構的自振周期，即結構自身的動力特性，其與外力無關。當結構自身的固有頻率與擾力源產生的頻率接近時將發生共振，從而形成較大振幅，對產品的加工精度、機器的使用壽命、工作人員的身體健康以及結構本身的安全均帶來十分不利的影響，對于某些精密儀器儀表因受其他機器的干擾而無法正常工作。

一般而言，在設計過程中需要使結構的自振頻率與外擾力的頻率相差較大，這樣就可以使整個結構不產生共振[2-4]。一般來說，若設備的強迫振動頻率高于結構的自振頻率，當設備在開啟或停機時，隨著設備機器轉速的降低，設備動荷載工作頻率也會變得越來越小，這樣就有可能使設備動荷載工作頻率與結構自振頻率接近，從而產生共振現象；若設備的強迫振動頻率低于結構的自振頻率，則基本不會在任何時候發生共振，這樣對整個結構是相對較為安全的。

要想實現上述目標，需要從以下兩個方面來處理：一是降低機器的振動頻率；二是降低結構的自振周期，提高結構自身的剛度。對于機器的振動頻率，可以通過在機械的角部增加橡膠墊塊等增加阻尼的辦法降低其振動頻率；對于結構的自振周期，需要通過合理選擇結構體系、結構布置等措施提高結構本身的自振周期。本文主要從合理選擇結構體系、結構布置等措施來對高標準廠房的微振動進行考慮。

3 結構選型對自振周期的影響分析

為進一步分析結構選型對自振周期的影響，本文采用盈建科軟件對以下4個方案的廠房框架結構進行模態分析，從而確定結構的自振頻率并確定最優的結構布置。現取柱網8.2m×9m為例，主梁截面采用300mm×700mm；次梁截面采用200mm×600mm；板厚均為120mm；混凝土等級為C30。通過調整次梁的布置：方案一采用設置單根次梁的單向板方案；方案二采用增加三根次梁的單向板方案；方案三采用增加水平和豎向次梁的雙向板方案；方案四采用豎向單根次梁，水平兩根次梁的雙向板方案。上述四個次梁布置方案的計算結果匯總如表1所示，各方案圖示如圖1～圖4所示。

圖1 方案一圖示

圖2 方案二圖示

圖3 方案三圖示

圖4 方案四圖示

四個次梁布置方案計算結果匯總表 表1

通過對比上述表格可以看出以下結論。

①通過對比方案一與方案二可以看出，隨著次梁的間距越小，單向板的跨厚比越小，整體樓板結構的剛度越大，自振頻率越高。方案一的跨厚比為1/34，方案二厚跨比為1/22.5，方案二的跨厚比約為方案一的1.5倍，自振頻率約為方案一的1.09倍；因此對于單向板，跨厚比越小，自振頻率越高，但其增長并非呈現線性關系，自振頻率的增長速率明顯低于厚跨比的提高速率，所以隨著跨厚比變小，自振頻率越高，但其增長幅度較小。

②通過對比方案二與方案三可以看出，雖然方案二次梁數量多于方案三，但由于方案二為單向板，方案三為雙向板，因此結構整體剛度明顯方案三優于方案二，自振頻率也較高。方案二厚跨比為1/22.5，方案三的板厚跨比為1/34，方案二的跨厚比約為方案三的1.5倍，自振頻率約為方案三的0.94倍；因此對于不同結構布置的單向板與雙向板來說，雙向板雖然跨厚比比方案二大較多，約1.5倍，但其整體剛度明顯比方案二高，其自振頻率比方案二高1.06倍，所以可以看出雙向板在整體剛度方面有著較明顯的剛度優勢。

③通過對比方案三與方案四可以看出，通過增加一道次梁后，方案三的板厚跨比為1/34；方案四的板厚跨比為1/25，方案四的厚跨比約為方案三的1.36倍，自振頻率約為方案三的1.07倍，因此，隨著雙向板結構的厚跨比變大，結構的自振頻率有一定的上升，但是增長幅度較小。

④通過對比方案二和方案四可以看出，雖然次梁的數量一樣；且厚跨比方案二為1/22.5；而方案四的板厚跨比為1/25，但是結構的自振頻率方案四是方案二的1.14倍。

通過上述分析可以看出，相同情況下結構的跨厚比越小，結構的自振頻率越高，在一定空間內增長明顯，但對于跨厚比較小時，其增長幅度較小；相同情況下雙向板的自振頻率比單向板高，且優勢明顯。這表明雙向板在空間上有更好的剛度，有更大的結構自振頻率，因此當有微振動設備時可以優先采用雙向板。

4 結語

對于有動力設備的高標準層廠房，其存在的結構微振動不能避免，設計時應通過合理的結構選型將微振動的影響控制在結構承載力和的范圍之內。本文采用盈建科軟件對廠房框架結構進行模態分析，得出以下結論：

①相同情況下結構的跨厚比越小，結構的自振頻率越高，在一定空間內增長明顯，但對于跨厚比較小時，其增長幅度較小。

②相同情況下雙向板的自振頻率比單向板高且優勢明顯。

③雙向板在空間上有更好的剛度，有更大的結構自振頻率，因此當有微振動設備時可以優先采用雙向板。