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钢结构主厂房的防振动设计研究

发表时间：2020/9/25 来源：《基层建设》2020年第17期作者：金松

[导读] 摘要：钢结构主厂房内布置有各种振动设备，结构设计时不仅要考虑常规的静荷载，还必须考虑由于动力设备的动荷载引起的振动。

        中煤科工集团沈阳设计研究院辽宁省沈阳市 110015
        摘要：钢结构主厂房内布置有各种振动设备，结构设计时不仅要考虑常规的静荷载，还必须考虑由于动力设备的动荷载引起的振动。主厂房的振动问题由来已久，本文提出以防振动概念设计为基础，并结合动力计算设计，对传统设计的静力计算结果进行修正、调整，通过钢结构主厂房实例反馈，防振动设计效果良好，基本解决了振动问题。
        关键词：钢结构主厂房；传统设计；动力计算；防振动概念设计
        主厂房是选煤厂生产系统中的核心建筑，它承担着对原煤进行洗选加工和综合处理的生产任务，是煤矿生产系统的终端环节。主厂房一般常采用多层钢筋棍凝土框架结构或钢结构，随着煤炭行业的快速发展以及煤炭价格的上涨，选煤厂要求建设周期更短，尽快实现其经济价值，钢结构主厂房的应用更加普及。
        1、现状
        钢结构主厂房自重轻，集设计、生产、施工一体化，建设周期短。受工艺布置限制，柱距不均匀，层高较大，抗侧移刚度不均匀；楼面大面积开洞，多隔层错层现象，质量及刚度发生突变。同时，主厂房内有较多的大型动力设备，设备运转会产生巨大的反复变动的荷载，引起楼盖的垂直振动，同时也有整体的水平振动。
        结构的振动过大，降低了机器的动态精度和使用性能，同时使处在其中的工作人员有不舒服感，影响人员的身体健康。如何将振动的影响控制在结构安全的范围之内，控制在不影响厂房内敏感设备和操作人员正常运行的范围之内，就成了主厂房结构设计中的关键。
        2、防振动设计
        主厂房的防振动设计涉及设计、施工两阶段，以设计阶段为主，指导施工阶段，是不断改进发展的过程。
        2.1传统设计
        主厂房设备较多, 各台设备在同一时间振动频率、振幅不一, 在不同时间由于洗煤量的变化而使振动频率、振幅亦为变量, 所以很难进行精确的动力计算。
        目前结构计算多采用静力计算方法：将设备的静力荷载乘以动力系数后作为计算荷载，进行内力计算。采用中国建筑科学研究院研发的PKPM系列软件进行计算分析，并完成绘图，此种方式设计效率较高，满足承载能力极限状态设计要求。
        2.2动力计算设计
        由于振动设备有很大的扰力作用，使结构振幅及振动速度过大，结构未必能满足正常使用极限状态设计的要求。目前我国还没有厂房承重结构的动荷载计算规范，沿用苏联《动载荷机器作用下的建筑物承重结构设计与计算规范》，计算梁的质量时，只考虑梁和楼板的自重，不考虑楼板的临时堆载以及人群短暂荷载等活载。
        规范把梁的固有振动频率分为五个区：频率由0至n1为振前区，由n1至n2为第一振型共振区，由n2至n3为间歇区，由n3至n4为第二振型共振区，大于n4为超振区。

                               图1 振区示意
        如果设备动荷载的工作频率n0在振前区，不会引起共振；如果n0在第一振型共振区，引起共振，产生很大的振幅和内力；如果n0在间歇区，不会引起共振，但是当设备启动或停机时，随着设备机器转速的变化，设备动荷载工作频率也随之变化，当其频率n0通过第一振型共振区时，会引起瞬时共振。如果n0在第二振型共振区，也引起共振。
        根据《选煤厂建筑结构设计规范》6.3.16对于承受动力荷载的结构，当梁第一频率密集区内最低自振频率计算值大于设备扰力频率时，可不进行动力计算，但应按动力系数法对结构进行静力计算，即按传统方法进行设计。
        在具体设计中，以传统设计为基础，对直接承受动力荷载的梁作避振的动力计算，也就是对梁的自振频率进行设计与调整。作为直接振动梁支座的间接振动梁以及柱子，不需要考虑避振的动力计算。
        2.3防振动概念设计
        以防振动概念设计为基础，对静力计算结果进行修正、调整、定性分析，并辅以动力计算设计，具有较好的适用性、经济性、可靠性。防振动概念设计，分为两个方面：
        2.3.1减少振动影响的设备布置措施
        （1）振动设备尽量布置在底层，尽可能将设备基础或支撑体系与主厂房主体结构脱开；
        （2）在设备上加设振子，设备振动时振子对设备形成反方向的激振力，以达到减振的目的；
        （3）调整设备的振动频率或者转向，使设备的频率错开结构的自振频率，以免共振。当有多台设备共同工作时，调整设备运转方向，使其相互错开，避免在同一方向产生共振；
        （4）同时布置有较大振动设备或对振动敏感的设备时，宜分类集中、分区布置，减少相互影响；
        2.3.2减少振动影响的结构布置措施
        （1）动力设备布置在梁上，避免布置在悬臂梁上，同时使水平方向的惯性力沿着梁的纵向方向；
        （2）垂直扰力较大的设备，宜布置在承重墙、柱及梁支座附近；
        （3）水平扰力较大的设备布置时，其扰力方向宜与楼盖刚度较大的方向一致；
        （4）支撑振动设备的框架为多跨结构时，宜采用等跨结构；
        （5）振动筛不宜跨轴线布置，以免切断框架梁；
        （6）振动荷载作用下，多跨梁比单跨梁更有利，次梁尽量布置成多跨连续梁。在截面和刚度相同的情况下，多跨梁比单跨梁的振幅有一定程度的减小，动力设备尽可能布置在中间跨；
        （7）振动设备范围设置楼面水平支撑系统和竖向支撑系统；
        （8）振动设备范围内尽量避免布置钢梯，以免钢梯发生振动；
        3、防振动设计实例
        3.1山西省山阴县华夏煤业有限公司选煤厂主厂房，占地面积为1130.0㎡，建筑面积4874.1㎡，体积为27232.5m³，建筑高35.3米，局部高20.3米。主体结构形式为钢框架-中心支撑结构，轻钢维护结构，楼面采用钢格板，主要振动设备集中在标高10.000平面。
        3.2山西省怀仁县中能芦子沟煤业有限责任公司选煤厂主厂房，占地面积为741.0㎡，建筑面积3182.6㎡，体积为18820.38m³，建筑高30.1米，局部高16.3米。主体结构形式为钢框架-中心支撑结构，轻钢维护结构，楼面采用钢格板，主要振动设备集中在标高11.900、10.700、7.800平面。
        以上工程中的两个主厂房，均采用钢框架-中心支撑结构体系，钢格板楼面。柱距不均匀，层高较大，抗侧移刚度相对较弱并且不均匀；相对于钢筋混凝土楼板刚度大大降低，楼面大面积开洞，局部错层，质量刚度分布不均。设计过程中以防振动概念设计为基础，进行结构方案布置，按传统设计方式进行静力计算分析，对振动设备支撑钢梁辅以动力计算设计，修正调整静力计算结果，绘制施工图，完成结构设计工作。同时，协调指导设备安装调试，避免发生振动。
        以上两主厂房，于2017年、2018年先后建成投产，截至目前实际使用过程中，基本没有振动现象，取得了很好的效果，得到了建设单位的好评。
        4、结语
        钢结构主厂房设计过程中以防振动概念设计为基础，进行结构方案布置，按传统设计方式进行静力计算分析，对振动设备支撑钢梁辅以动力计算设计，修正调整静力计算结果，进行全过程的防振动设计，从而达到减轻厂房振动的效果，改善工人工作环境，提高厂房的耐久性。
        参考文献
        [1]《原苏联冶金及化工部，动荷载机器作用下的建筑物承重结构设计与计算规程》.
        [2] GB50583-2010, 《选煤场建筑结构设计规范》.
        [3]高红珍．选煤厂主厂房结构设计中的振动荷载问题．煤炭工程，2003 (5) : 26-27.
        [4]许涛,刘宏.选煤厂主厂房的防振动设计.工业建筑，2010 (40卷) : 217-218.