結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)分析

□□李成峰，田敬淼

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)分析

Foundation Analysis for Motive Power Machine in Structure Design

□□李成峰1，田敬淼2

動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是建筑工程中的一項(xiàng)復(fù)雜的問題，其特點(diǎn)是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大不平衡慣性力，根據(jù)機(jī)器對(duì)基礎(chǔ)的作用特征，所以稱為動(dòng)力機(jī)器。

1 動(dòng)力機(jī)器的分類

動(dòng)力機(jī)器常按對(duì)基礎(chǔ)的動(dòng)力作用形式分為以下兩類：

1.1 周期性作用的機(jī)器

（1）往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，例如活塞式壓縮機(jī)等，它們的特點(diǎn)是平衡性差，振幅大，而且由于轉(zhuǎn)速低，有可能引起附近建筑物或其中部分構(gòu)件的共振。

（2）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器：例如電機(jī)，汽輪機(jī)組及風(fēng)機(jī)等，汽輪機(jī)組的特征一般是工作頻率高，平衡性能好和振幅小。

1.2 間歇性作用或沖擊作用的機(jī)器

2 動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)類型

動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)類型主要有實(shí)體式、墻式及框架式三種:

（1）實(shí)體式基礎(chǔ)，通常作成剛度很大的鋼筋混凝土塊體，因而可按地基上的剛體進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算；

（2）墻式基礎(chǔ)則由承重的縱、橫向墻組成；

（3）框架式基礎(chǔ)一般用于平衡性較好的高頻機(jī)器，其上部結(jié)構(gòu)是由固定在一塊連續(xù)底板或可靠基巖上的立柱以及立柱上端剛性連接的縱、橫梁組成的彈性體系，因而可按框架結(jié)構(gòu)計(jì)算。

3 動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要求

動(dòng)力機(jī)器的動(dòng)荷載必然會(huì)引起地基及基礎(chǔ)的振動(dòng)，從而可能產(chǎn)生不良影響，如降低地基土的強(qiáng)度并增加基礎(chǔ)的沉降量，影響正常生產(chǎn)，機(jī)器零件易于磨損，因此動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列基本要求：

（1）地基和基礎(chǔ)不應(yīng)產(chǎn)生影響機(jī)器正常實(shí)用的變形；

（2）基礎(chǔ)本身應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐久性；

（3）基礎(chǔ)不產(chǎn)生影響工人身體健康及妨礙機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)和造成建筑物開裂和破壞的劇烈振動(dòng)；

（4）基礎(chǔ)的振動(dòng)不應(yīng)影響鄰近建筑物、構(gòu)筑物或儀器設(shè)備等的正常使用；基礎(chǔ)應(yīng)與廠房結(jié)構(gòu)或其他構(gòu)筑物基礎(chǔ)分開;當(dāng)基礎(chǔ)埋置深度相同時(shí)，其凈距不宜小于100mm；當(dāng)振動(dòng)管線擱置在建筑物上時(shí)，應(yīng)采取可靠的防振措施,防止廠房及平臺(tái)受壓縮機(jī)基礎(chǔ)的影響。

4 動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1 動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具備的工藝資料

（1）機(jī)器的型號(hào)、轉(zhuǎn)速、功率、規(guī)格及輪廓尺寸圖等；

（2）機(jī)器自重及中心的位置；

（3）機(jī)器底座外廓圖、輔助設(shè)備、管道位置和坑、溝、孔洞尺寸和灌漿層厚度、地腳螺栓和預(yù)埋件的位置等；

（4）機(jī)器的擾力和擾力矩及其方向；

（5）基礎(chǔ)的位置及其鄰近建筑物的基礎(chǔ)圖；

（6）建筑場(chǎng)地的地質(zhì)勘察資料及地基動(dòng)力試驗(yàn)資料;

（7）對(duì)于磨機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尚應(yīng)具備以下資料：

a磨機(jī)、電機(jī)和減速器的相互位置及傳動(dòng)的方式；

b磨機(jī)內(nèi)碾磨體及物料的總重；

c磨機(jī)筒體中心線距基礎(chǔ)面的距離（磨機(jī)的墻式和大塊式可不進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算）。

4.2 荷載取值

設(shè)計(jì)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的荷載取值應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）當(dāng)進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí)，荷載應(yīng)采用設(shè)計(jì)值；

（2）當(dāng)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算時(shí)，荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值。

4.3 基礎(chǔ)埋深

基礎(chǔ)的埋置深度及尺寸一般要根據(jù)地質(zhì)資料、廠方基礎(chǔ)及管溝埋深等條件綜合確定?；A(chǔ)的外形尺寸一般根據(jù)制造廠提供的機(jī)器輪廊尺寸及附件、管溝等的布置加以確定，同時(shí)還須滿足基礎(chǔ)整體剛度方面的構(gòu)造要求。

4.4 校核地基承載力

振動(dòng)作用下地基土的抗剪強(qiáng)度的降低幅度與振幅、頻率及振動(dòng)加速度有關(guān)。一般來說，振動(dòng)越強(qiáng)烈地基土的強(qiáng)度降低也就越多。由于地基土在動(dòng)荷作用下抗剪強(qiáng)度有所降低，并出現(xiàn)附加沉降，因而地基承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)予以折減。這樣，設(shè)計(jì)機(jī)器基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)滿足下列條件：

式中：αf——?jiǎng)恿φ蹨p系數(shù)

對(duì)曲柄連桿機(jī)器，其振幅雖較大，但頻率低，因此不須折減，即αf=1.0；

對(duì)汽輪機(jī)組與電機(jī)，因?yàn)樗鼈兙哂袑?duì)沉降敏感的轉(zhuǎn)動(dòng)長軸，故取αf=0.8；

鍛錘基礎(chǔ)一般有較大的附加沉降（因沖擊振動(dòng)大），須作較大的折減，其折減系數(shù)詳見具體規(guī)范規(guī)定；

對(duì)其他振動(dòng)加速度較小的機(jī)器基礎(chǔ)，一般可取αf=1.0。

4.5 基礎(chǔ)偏心計(jì)算

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求使基組（包括機(jī)器、基礎(chǔ)和基礎(chǔ)底板上的附屬設(shè)備及填土）重心與基礎(chǔ)底面形心位于同一垂直線上，當(dāng)不在同一垂直線上時(shí)，兩者之間的偏心距和平行偏心方向基底邊長的比值不應(yīng)超過下列限值：

（1）對(duì)汽輪機(jī)組和電機(jī)基礎(chǔ)為3%；

（2）對(duì)金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)以外的一般機(jī)器基礎(chǔ)：

當(dāng)?shù)鼗休d力標(biāo)準(zhǔn)值fk≤150kPa時(shí)為3%；

當(dāng)?shù)鼗休d力標(biāo)準(zhǔn)值fk＞150kPa時(shí)為5%。

4.6 動(dòng)力計(jì)算

進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，這個(gè)是動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其內(nèi)容為確定固有頻率（自振頻率）的振動(dòng)量（位移、速度或加速度的幅值等），并控制這些振動(dòng)量不超過一定的允許范圍。對(duì)大多數(shù)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)而言，主要是控制振幅值和速度值，而對(duì)振動(dòng)能量較大的動(dòng)力基礎(chǔ)，則還須控制加速度值。

對(duì)實(shí)體式基礎(chǔ)的振動(dòng)計(jì)算，目前主要的理論有兩種：（1）質(zhì)量-彈簧模型理論以及改善過的質(zhì)量-彈簧-阻尼器模型理論；（2）剛體-半空間模型理論（簡稱半空間理論）。

質(zhì)量-彈簧模型理論把實(shí)際的機(jī)器、基礎(chǔ)和地基體系的振動(dòng)問題簡化為放在無質(zhì)量的彈簧上的剛體的振動(dòng)問題，其中基組（包括基礎(chǔ)、基礎(chǔ)上的機(jī)器和附屬設(shè)備，以及基礎(chǔ)臺(tái)階上的土）假定為剛體，地基土的彈性作用以無質(zhì)量彈簧的反力表示，這種理論也稱為動(dòng)力機(jī)床系數(shù)法。后來為了考慮共振區(qū)的振動(dòng)特性，又在此基礎(chǔ)上加一新的元件——阻尼器，從而形成了質(zhì)量-彈簧-阻尼器模型，阻尼器所具有的粘滯阻力反映了振動(dòng)時(shí)體系所受的地基阻尼作用；質(zhì)量-彈簧-阻尼器模型中的質(zhì)量M通常取為基組的質(zhì)量m，但有時(shí)也包括了基礎(chǔ)下面一部分地基土的質(zhì)量，此種理論的關(guān)鍵是如何正確確定振動(dòng)體系的質(zhì)量m,剛度K及阻尼系數(shù)N。

剛體-半空間理論的計(jì)算模型是把地基視為半空間（半無限連續(xù)體）、基礎(chǔ)作為半空間上的剛體的一種模型。機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)就是以這個(gè)剛體的振動(dòng)表示。利用動(dòng)力彈性理論分析地基中波的傳播，由數(shù)學(xué)分析法或數(shù)值法求出基礎(chǔ)與基底上的動(dòng)應(yīng)力。利用這種動(dòng)應(yīng)力就可以確定剛體的運(yùn)動(dòng)方程，從而可以確定基礎(chǔ)的振動(dòng)狀態(tài)。

實(shí)體基礎(chǔ)的振動(dòng)可分解為相互獨(dú)立的三種運(yùn)動(dòng)：a沿OZ軸的豎向振動(dòng)；b在XZ及YZ平面內(nèi)的水平回轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)；c繞OZ軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。此三種振動(dòng)可以分開計(jì)算，然后疊加。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)算基礎(chǔ)與機(jī)器發(fā)生共振的可能性，使其滿足：

1.25＜基礎(chǔ)自振頻率/擾力頻率＜0.75的要求。

在設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格遵循《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50040-96）及相應(yīng)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)機(jī)器的布置、動(dòng)力特性、制造廠商提供的數(shù)據(jù)及要求、巖土工程條件、生產(chǎn)和工藝對(duì)壓縮機(jī)基礎(chǔ)的技術(shù)要求等因素，選擇有關(guān)動(dòng)力參數(shù)和基礎(chǔ)形式。

4.7 構(gòu)造規(guī)定

（1）邊緣至基礎(chǔ)邊緣的距離不宜小于100mm。除鍛錘基礎(chǔ)以外，在機(jī)器底座下應(yīng)預(yù)留二次灌漿層，基厚度不宜小于25mm。二次灌漿層應(yīng)在設(shè)備安裝就位并初調(diào)后，用微膨脹混凝土填充密實(shí)，且與混凝土基礎(chǔ)面結(jié)合。

（2）動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)底腳螺栓的設(shè)置應(yīng)符合下列規(guī)定：

a底腳螺栓的埋置深度不應(yīng)小于20倍螺栓直徑，帶錨板地腳螺栓的埋置深度不應(yīng)小于15位螺栓直徑。

b底腳螺栓軸線距基礎(chǔ)邊緣不應(yīng)小于4倍螺栓直徑，預(yù)留孔邊距基礎(chǔ)邊緣不應(yīng)小于100mm，當(dāng)不能滿足要求時(shí)，應(yīng)采取加強(qiáng)措施。

c預(yù)埋底腳螺栓底面小的混凝土凈厚度不應(yīng)小于50mm，當(dāng)為預(yù)留孔時(shí)，則孔底面下的混凝土凈厚度不應(yīng)小于100mm。

（3）動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C15，對(duì)按構(gòu)造要求設(shè)計(jì)的或不直接承受沖擊力的大塊式或墻式基礎(chǔ)，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)可采用C10。

（4）動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的鋼筋宜采用Ⅰ、Ⅱ級(jí)鋼筋，不宜采用冷軋鋼筋。受沖擊力較大的部位，宜采用熱軋變形鋼筋。鋼筋連接不宜采用焊接接頭。

（5）重要的或?qū)Τ两涤袊?yán)格要求的機(jī)器，應(yīng)在其基礎(chǔ)上設(shè)置永久的沉降觀測(cè)點(diǎn)，并應(yīng)在設(shè)計(jì)圖紙中注明要求。在基礎(chǔ)施工、機(jī)器安裝及運(yùn)行過程中應(yīng)定期觀測(cè)，作好記錄。

總之,對(duì)于動(dòng)力機(jī)器的設(shè)計(jì)主要是要減少振源的振動(dòng)，調(diào)整建筑物或構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)剛度，改變系統(tǒng)的固有頻率以避免共振；采用減振裝置和隔振措施，避免振動(dòng)對(duì)車間和設(shè)備的損壞，以保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

[1]中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國計(jì)劃出版社，1997.

[2]楊位洸.地基及基礎(chǔ)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988.

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A

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呂 光