某大型工業(yè)廠房振動檢測與減振分析

張宜聰，張紀(jì)剛，程 赟，時成龍，張夢琳

（1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033；2.軍事科學(xué)院國防工程研究院，北京 100036）

隨工業(yè)技術(shù)的革新以及工業(yè)需求的快速增長，越來越多的大型動力設(shè)備被安裝于廠房內(nèi)部，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時會產(chǎn)生較大的多變載荷，引起廠房結(jié)構(gòu)不良振動。這種振動輕則降低廠房內(nèi)部操作人員的舒適度，降低生產(chǎn)設(shè)備的精度，減小設(shè)備儀器的使用壽命，影響企業(yè)的生產(chǎn)效率；當(dāng)振動超過一定限值時，廠房整體振動或者扭轉(zhuǎn)，引起裝飾裝修、屋面防水等附屬結(jié)構(gòu)損壞，甚至?xí)斐蓮S房結(jié)構(gòu)破壞或者倒塌。針對工業(yè)廠房的振動問題，我國編制《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB50868-2013）、《多層廠房樓蓋抗微振設(shè)計規(guī)范》（GB50190-1993）等多部設(shè)計規(guī)范，廠房振動設(shè)計采用動力系數(shù)放大的方法[1—2]，雖提高了結(jié)構(gòu)的承載力，但無法對結(jié)構(gòu)共振及受迫振動全面考慮。

針對既有工業(yè)廠房異常振動，沈朝勇等[3]基于現(xiàn)場檢測分析，提出外包鋼板增大結(jié)構(gòu)剛度的方法，很好地解決了廠房設(shè)備擾動過大的問題；曾新發(fā)等[4]通過對某框架廠房進(jìn)行動力檢測及有限元建模分析，為避免結(jié)構(gòu)振動變形較大，提出設(shè)備應(yīng)盡可能布置在結(jié)構(gòu)剛心，且設(shè)備運(yùn)行頻率遠(yuǎn)離廠房第一階振動頻率，為工業(yè)廠房減振設(shè)計提供了參考。江志昊等[5]針對某面粉廠打麩機(jī)擾動過大的問題，提出在廠房頂部安裝多臺調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）控制系統(tǒng)，并取得顯著減振效果；飛機(jī)、動車等對建筑結(jié)構(gòu)的擾動是熱點話題之一，針對西安北站大跨度樓蓋振動，陳興等[6]等設(shè)計提出多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)，并通過對比分析，該系統(tǒng)減振率高達(dá)89.2%，有效提升了候車廳乘客的舒適度。

為解決工業(yè)廠房復(fù)雜的振動問題，本文通過對某大型工業(yè)廠房主體結(jié)構(gòu)異常振動進(jìn)行研究分析，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實際及廠房結(jié)構(gòu)提出合理的減振措施，并利用有限元對減振系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 廠房振動測試

某大型工業(yè)廠房區(qū)由主廠房及多個副廠房組成，為更好地對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)進(jìn)行分析，將廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行向量化，以主廠房短軸方向作為坐標(biāo)軸X向，主廠房長軸方向為Y向，廠房高度方向為Z向，其建筑平面布置如圖1所示，主廠房為地上一層，建筑高度14 米，跨度24 米，副廠房高度7 米。工程設(shè)計于2013年3月，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，使用年限為50年。主廠房結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，屋面采用鋼屋架上鋪輕質(zhì)預(yù)制板，副廠房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

圖1 工業(yè)廠房平面布置圖

因企業(yè)生產(chǎn)需求，主廠房內(nèi)部裝有多臺大型動力設(shè)備，副廠房內(nèi)部無生產(chǎn)設(shè)備，動力設(shè)備布置如圖2所示。設(shè)備生產(chǎn)線沿廠房中心對稱分布，為減小動力設(shè)備運(yùn)行對主廠房結(jié)構(gòu)的擾動，動力設(shè)備安裝完全脫離廠房建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)備基礎(chǔ)與地基剛性連接，在生產(chǎn)設(shè)備與主廠房結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之間設(shè)置隔振溝，主廠房結(jié)構(gòu)未采用隔振措施。由前期調(diào)研可知，當(dāng)動力設(shè)備運(yùn)行時，設(shè)備基座處產(chǎn)生劇烈振動，嚴(yán)重影響工作人員的正常工作，同時，長期的振動導(dǎo)致主廠房屋面防水系統(tǒng)過早失效，屋面多處出現(xiàn)滲水、漏水等現(xiàn)象。

圖2 主廠房內(nèi)部設(shè)備分布圖

引起工業(yè)廠房異常振動的原因具有多樣性，開展現(xiàn)場動力檢測是分析結(jié)構(gòu)振動原因最直接的手段，對廠房結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)開展分析，以判斷引起結(jié)構(gòu)異常振動的原因。

1.1 測點布置

根據(jù)現(xiàn)場勘測，機(jī)械設(shè)備均布設(shè)于主廠房內(nèi)部，且主、副廠房結(jié)構(gòu)相對獨立，因測量儀器數(shù)量有限，僅對主廠房振動響應(yīng)進(jìn)行檢測。為得到科學(xué)合理的檢測數(shù)據(jù)，加速度傳感器布設(shè)需要考慮以下幾點[7—8]：

1）在結(jié)構(gòu)的中心位置和接近機(jī)器設(shè)備的位置安放加速度傳感器；

2）把加速度傳感器安放在振感強(qiáng)烈的位置；

3）加速度傳感器布設(shè)位置要考慮結(jié)構(gòu)動力特性；

4）安放的加速度傳感器應(yīng)考慮動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)和信號接收導(dǎo)線的實際情況，在不隨意移動加速度傳感器的狀況下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性測試。

遵循測點布設(shè)原則，在主廠房角柱柱底、3 號軸線中柱柱底、動力設(shè)備基座等處布設(shè)1#、2#、3#、4#測點；在角柱柱頂、3號軸中柱柱頂、屋架中心布設(shè)5#、6#、7#測點；在屋面板角、板面中心、板邊緣中心布設(shè)8#、9#、10#測點。

1.2 結(jié)構(gòu)自振頻率測試

工況1無動力設(shè)備運(yùn)行，利用車輛經(jīng)過、氣流運(yùn)動等外界環(huán)境對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵，通過對環(huán)境激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行計算分析，確定廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率及振動特征[9—10]。脈動法具有無損傷、無需人工激勵等優(yōu)點，更適合大型結(jié)構(gòu)動力特性的檢測。環(huán)境激勵下5#測點幅值譜曲線如圖3所示。

由圖3 中5#測點幅值譜曲線可知，主廠房結(jié)構(gòu)第1階振動頻率為3.91 Hz，結(jié)構(gòu)振型特征X向平動；主廠房結(jié)構(gòu)第2 階振動頻率為5.10 Hz，結(jié)構(gòu)振型特征Y向平動。根據(jù)現(xiàn)象動力特性檢測結(jié)果，主廠房結(jié)構(gòu)Y向振動頻率高于X向振動頻率，與排架結(jié)構(gòu)Y向剛度較高相吻合。

圖3 5#測點幅值譜曲線

1.3 設(shè)備激勵結(jié)構(gòu)響應(yīng)

工況2 有動力設(shè)備運(yùn)行，通過對動力設(shè)備激勵下主廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)記錄分析，得到引起主廠房結(jié)構(gòu)異常振動的原因及結(jié)構(gòu)振動形式，進(jìn)一步為減振設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。根據(jù)工作人員的操作手冊，動力設(shè)備將由靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)行，前5 分鐘轉(zhuǎn)速為30 rad，低頻率的運(yùn)行對生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱，避免轉(zhuǎn)速劇增造成儀器損壞；隨后5 分鐘動力設(shè)備轉(zhuǎn)速均勻增大，直至達(dá)到最高轉(zhuǎn)速3 300 rad，保持最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行15分鐘。其中5#、9#測點加速度時程曲線如圖4所示。高頻動載激勵下主廠房5#測點加速度幅值譜曲線如圖5所示。

根據(jù)圖4 中柱頂（5#）、屋面（9#）等測點加速度時程曲線可知，在外界荷載擾動下，主廠房結(jié)構(gòu)處于一種簡諧振動狀態(tài)，隨著動力設(shè)備轉(zhuǎn)速的不斷提升，受到擾動不斷增大，當(dāng)動力設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)后，主廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)趨于穩(wěn)定；由5#測點可知，在機(jī)械設(shè)備快速提高運(yùn)轉(zhuǎn)功率的過程中，某一時刻擾動頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近，造成振動響應(yīng)突然增大，此現(xiàn)象隨轉(zhuǎn)速的再次變化而消失。根據(jù)各測點振動響應(yīng)分析，當(dāng)動力設(shè)備達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時，主廠房結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

圖4 設(shè)備激勵下結(jié)構(gòu)加速度時程曲線

由圖5可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)3 300 rad時，主廠房結(jié)構(gòu)振動頻率為54 Hz，與動力設(shè)備運(yùn)行頻率相近，設(shè)備擾動頻率遠(yuǎn)離主廠房固有頻率，引起主廠房異常振動原因主要是自身剛度不足，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備激勵下時，結(jié)構(gòu)主要承受高頻受迫振動。在設(shè)備擾動下，結(jié)構(gòu)各測點加速度峰值如表1所示。

圖5 設(shè)備3 300 rad時結(jié)構(gòu)振動頻譜曲線

表1 試驗廠房各點加速度峰值表/（m·s-2）

根據(jù)表1可知，當(dāng)動力設(shè)備運(yùn)行時，設(shè)備基座處產(chǎn)生較大的振動響應(yīng)，并引起主廠房結(jié)構(gòu)多向振動，隨著建筑高度的增加，振動響應(yīng)逐漸衰弱，因廠房屋架跨度大、剛度低等因素，相同高度情況下，鋼屋架振動響應(yīng)相對較大。

2 現(xiàn)場振動測試評價

依據(jù)日本煙中元弘[11]對建筑振動允許值的總結(jié)研究，為保證廠房結(jié)構(gòu)安全，結(jié)構(gòu)振動加速度應(yīng)小于0.102 g（0.996 m/s2）；在高頻設(shè)備擾動下，主廠房屋面結(jié)構(gòu)最大水平加速度為0.194 m/s2，屋架最大加速度為0.837 m/s2，遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)安全允許值，振動不會引起結(jié)構(gòu)較大變形，但長期的振動易造成構(gòu)件疲勞損傷，為保障廠房結(jié)構(gòu)安全，需定期對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全健康檢測。

根據(jù)《機(jī)械振動與沖擊建筑物的振動振動測量及其對建筑物影響的評價指南》GB/T14124-2009中對各類振源激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)范圍進(jìn)行總結(jié)，對于安裝大型機(jī)械且機(jī)械與建筑無直接連接的廠房結(jié)構(gòu)，振動主要沿地面?zhèn)鬟f，結(jié)構(gòu)振動加速度響應(yīng)不得高于1 m/s2。根據(jù)現(xiàn)場檢測，在動力設(shè)備擾動下，主廠房結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)振動允許值，振動不會對廠房結(jié)構(gòu)造成損壞，結(jié)構(gòu)處于安全限值內(nèi)。

根據(jù)表1 各測點加速度峰值可知，地面加速度峰值為0.264 m/s2，遠(yuǎn)低于《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定人員舒適加速度上限值2.016 m/s2，振動不會引起操作人員的不適。

3 工業(yè)廠房有限元分析

因企業(yè)生產(chǎn)需求的不同，動力設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)功率不同，對主廠房結(jié)構(gòu)擾動也不相同，當(dāng)動力設(shè)備振動頻率與主廠房結(jié)構(gòu)固有頻率相近時，引起結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，對主廠房結(jié)構(gòu)造成損傷，影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。因檢測時間、檢測儀器的限制，現(xiàn)場無法對動力設(shè)備所有運(yùn)轉(zhuǎn)工況進(jìn)行檢測，為更好地對主廠房進(jìn)行減振設(shè)計，基于有限元軟件對不同頻率擾動下主廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)進(jìn)行計算。根據(jù)相關(guān)圖紙、圖集建立有限元模型，主廠房有限元模型如圖6所示。

圖6 工業(yè)廠房有限元模型

3.1 有限元模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)固有屬性，表現(xiàn)于振動頻率、振型特征等多個方面，通過有限元計算與現(xiàn)場檢測的對比，驗證有限元模型的準(zhǔn)確性。本文基于有限元頻率提取分析步，采用Lanczos求解器對無阻尼狀態(tài)下振動模態(tài)進(jìn)行計算，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。

表2 有限元計算與現(xiàn)場檢測對比

根據(jù)有限元計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)第一振動頻率為2.16 Hz，上部結(jié)構(gòu)屋架層整體Y向平動；結(jié)構(gòu)第二振動頻率為3.99 Hz，結(jié)構(gòu)振型特征為整體X向平動；結(jié)構(gòu)第三振動頻率為5.03 Hz，振型為整體Y向平動，其中短軸處柱變形較大。廠房屋架、廠房X向剛度相對較低，在外界荷載的激勵下易產(chǎn)生較大變形。通過有限元計算與現(xiàn)場檢測對比，有限元計算第二、第三振型特征與現(xiàn)場檢測第一階、第二階振型一致，計算結(jié)果誤差較小，證明有限元模型能夠反映主廠房結(jié)構(gòu)真實狀態(tài)。

3.2 工業(yè)廠房諧響應(yīng)分析

為避免動力設(shè)備激勵引起主廠房結(jié)構(gòu)共振，同時為減振設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考，利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)的共振頻率進(jìn)行計算。根據(jù)現(xiàn)場檢測，動力設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)頻率最高為55 Hz，對主廠房有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)計算，掃頻范圍為0～60 Hz，三軸中柱柱頂、L軸中柱柱頂、屋面板板角、屋面板中心等結(jié)點位移-頻譜曲線如圖7所示。

圖7 模型節(jié)點頻率-位移曲線

根據(jù)有限元頻譜-位移曲線可以看出，當(dāng)動力設(shè)備運(yùn)行頻率為2.17 Hz、3.97 Hz、5.0 Hz時，主廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大振動，主要原因為外界激勵與主結(jié)構(gòu)振動頻率接近，引起結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)。根據(jù)有限元計算結(jié)果，主廠房結(jié)構(gòu)Y向平動為主要陣型，參振質(zhì)量最高，同時結(jié)合廠房實際生產(chǎn)需求，確定結(jié)構(gòu)最易產(chǎn)生共振的頻率為5.0 Hz，其中3 號軸中柱柱頂、L 軸中心柱頂、屋面板板角、屋面板中心處變形分別為1.10 mm、3.64 mm、1.07 mm、1.15 mm，廠房短軸結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)最大。

4 減振設(shè)計及優(yōu)化

基于現(xiàn)場結(jié)構(gòu)檢測、有限元模態(tài)分析，試驗廠房短軸結(jié)構(gòu)剛度較低，易受外界荷載擾動。結(jié)合工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)形式，提出在軸3～4號短軸柱間布設(shè)兩組斜支撐，每組支撐選用兩根截面尺寸為L90×10的角鋼交叉連接，利用有限元對加支撐后模型進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

由表3 分析可得，增設(shè)柱間支撐能夠提高結(jié)構(gòu)剛度，降低結(jié)構(gòu)振動變形，減小動力設(shè)備運(yùn)行的擾動，由有限元對比分析得出，增設(shè)柱間支撐能夠減小下部結(jié)構(gòu)49.2%的變形，同時能夠降低屋面層振動響應(yīng)。

表3 主廠房結(jié)構(gòu)加固前后變形對比

對于結(jié)構(gòu)共振等復(fù)雜狀況，增大結(jié)構(gòu)剛度減振效果較差，常規(guī)做法是改變設(shè)備振動頻率使其遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)固有頻率，對于無法改變共振頻率的特殊工業(yè)廠房，安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器為其振動控制提供了解決方案。TMD 控制系統(tǒng)是由廠房結(jié)構(gòu)及子結(jié)構(gòu)組成，通過改變子結(jié)構(gòu)質(zhì)量或剛度改變其自振頻率，使子結(jié)構(gòu)自振頻率接近廠房結(jié)構(gòu)的基本頻率或者激勵頻率，當(dāng)廠房結(jié)構(gòu)受設(shè)備激勵而振動時，子結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生一個與廠房結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力，并將慣性力作用于廠房結(jié)構(gòu)，使廠房結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)不斷衰減并受到控制[12-14]。本廠房基于TMD調(diào)頻、減振的優(yōu)勢，通過控制調(diào)頻質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)的開關(guān)，使廠房能夠承受各種頻段下的擾動，滿足企業(yè)不同生產(chǎn)需求。

在TMD系統(tǒng)的設(shè)計中，需根據(jù)工程實際狀況設(shè)計合理的質(zhì)量比、頻率比，阻尼比。根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)形式，為減小附加質(zhì)量對主體結(jié)構(gòu)擾動過大，擬定在屋架處均布三臺TMD 減振控制系統(tǒng)，安裝位置如圖8（a）所示，TMD裝置質(zhì)量塊選用實心鐵塊疊加，通過彈簧與底板連接，控制質(zhì)量塊的變形，為增加系統(tǒng)耗能能力，增設(shè)小孔徑阻尼器。TMD控制系統(tǒng)調(diào)控頻率設(shè)定為5.0 Hz，阻尼比恒定2%，總質(zhì)量比由1%增加至3%，利用有限元分析安裝TMD系統(tǒng)廠房的減振效果，分析結(jié)果如表4所示。

表4 TMD控制系統(tǒng)減振分析

圖8 TMD裝置安裝圖

根據(jù)有限元分析結(jié)果顯示，在廠房屋架層安裝TMD 控制系統(tǒng)具有較好的振動控制效果，TMD 控制系統(tǒng)在阻尼比、頻率比等參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)的振動控制效果隨設(shè)計質(zhì)量的增加而增大，當(dāng)質(zhì)量比由2%增加至3%，減振效果變化較小。綜合廠房安裝空間及經(jīng)濟(jì)性，質(zhì)量比為2%時系統(tǒng)控制效果最佳，最高減振率達(dá)到68.4%，同時，由于控制系統(tǒng)的作用，結(jié)構(gòu)振動頻率避開設(shè)備運(yùn)行頻率，有效避免設(shè)備激勵引起結(jié)構(gòu)共振。

5 結(jié)語

當(dāng)動力設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大振動，振動由基礎(chǔ)傳遞到結(jié)構(gòu)，引起廠房結(jié)構(gòu)整體振動。基于結(jié)構(gòu)安全及人體舒適度等方面對廠房振動響應(yīng)進(jìn)行檢測，結(jié)合有限元計算分析，得出廠房異常振動原因及振動特征，并根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及現(xiàn)場檢測分析結(jié)果提出加強(qiáng)局部剛度和安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等多種減振方案，通過對某工業(yè)廠房的振動響應(yīng)分析研究，得到結(jié)論如下。

（1）當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)速達(dá)到3 300 rad 時，結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)振動是因為自身剛度不足；根據(jù)各測點加速度峰值得到，結(jié)構(gòu)最大加速度（峰值為0.194 m/s2）位于剛度較弱的鋼屋架，遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)振動加速度限值0.996 m/s2，振動不會對結(jié)構(gòu)造成損壞。

（2）設(shè)備運(yùn)行對結(jié)構(gòu)造成一定擾動，振動不會引起場區(qū)內(nèi)工作人員的不適。

（3）安裝柱間支撐能夠增加結(jié)構(gòu)剛度，減小主廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)。

（4）安裝多臺調(diào)諧質(zhì)量阻尼器具有較好的振動控制效果，通過TMD 控制系統(tǒng)的作用，改變主廠房結(jié)構(gòu)振動頻率，避免設(shè)備擾動引起廠房結(jié)構(gòu)共振。