公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的設(shè)備振動問題

梁繼忠

【摘要】公共建筑室內(nèi)通常會設(shè)置各種設(shè)備機(jī)房，結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要考慮常規(guī)設(shè)備的運(yùn)行荷載，還須考慮設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動影響。本文提出了在公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如何通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、選用合適的設(shè)備隔振措施以及調(diào)整合適的結(jié)構(gòu)自振頻率等措施解決設(shè)備振動問題。

【關(guān)鍵詞】設(shè)備振動；結(jié)構(gòu)設(shè)計；自振頻率；隔振

Equipment vibration problems in structure design of public buildings

Liang Jizhong

（CCCC Airport Investigation and Design Institute Co.， Ltd.，Guangzhou 510230，China）

【Abstract】Structure design should not only consider the running load of equipment， but also consider the vibration effects of equipment operation. In public buildings， in order to solve the problem of equipment vibration， structural design by optimizing the structure arrangement， choose the right equipment vibration isolation device and adjust the structure of the natural frequency of vibration.

【Keywords】Equipment vibration；structural design；natural frequency of vibration；vibration isolation

近年來，公共建筑基本沿著大跨度大柱距的方向發(fā)展，為了配合建筑功能及造型需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計也需要向著輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛度的目標(biāo)發(fā)展。然而，公共建筑通常需要涵蓋各類的設(shè)備使用功能，會在室內(nèi)設(shè)置有各種的設(shè)備機(jī)房，設(shè)備機(jī)房內(nèi)的動力設(shè)備運(yùn)行荷載通常會較大，動力設(shè)備在運(yùn)行過程將會產(chǎn)生明顯的振動響應(yīng)，其中，動力設(shè)備主要有通排風(fēng)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、消防水泵以及冷卻塔設(shè)備等。

面對公共建筑內(nèi)的各種設(shè)備振動問題，如何有效確保建筑使用功能的正常使用以及結(jié)構(gòu)的安全可靠就成了結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

1、 設(shè)備振動的影響

機(jī)房設(shè)備在運(yùn)行過程中會通過設(shè)備支座將設(shè)備的振動效應(yīng)傳遞到結(jié)構(gòu)樓蓋，致使結(jié)構(gòu)樓蓋產(chǎn)生較大的振動響應(yīng)，局部的結(jié)構(gòu)構(gòu)件甚至?xí)S之發(fā)生異常振動。另外，由于設(shè)備的振動會使結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生受迫振動，這種受迫振動將對公共建筑的使用功能、結(jié)構(gòu)樓蓋性能以及結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生以下影響：

1） 使用功能方面

設(shè)備的振動效應(yīng)會通過結(jié)構(gòu)樓蓋向周邊房間傳遞，劇烈的振動感覺會對處在設(shè)備機(jī)房周邊的活動人員產(chǎn)生不舒適感，特別對處在設(shè)備機(jī)房其中的工作人員產(chǎn)生明顯的不良感覺，進(jìn)而會對人體產(chǎn)生較大的心理、生理影響，甚至危害人體健康。

2） 結(jié)構(gòu)樓蓋性能方面

劇烈的設(shè)備振動會使結(jié)構(gòu)樓蓋產(chǎn)生過大的振動響應(yīng)，如若結(jié)構(gòu)的自振頻率與設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的擾力頻率相近時將會引起共振，從而會影響結(jié)構(gòu)樓蓋本身的性能，造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料性能下降，嚴(yán)重地甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。

3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對承受動荷載的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行振動分析。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時為了避免進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)振動分析，針對承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，可參考《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]相關(guān)規(guī)定，當(dāng)其固有自振頻率或振動位移滿足相關(guān)條件時，可不進(jìn)行動內(nèi)力計算，但應(yīng)按動力系數(shù)法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計算。

因此，在公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮機(jī)房內(nèi)的設(shè)備振動影響，以確保建筑使用功能的正常使用以及結(jié)構(gòu)的安全可靠。

2、 結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

為了取得經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在初步確定建筑平面功能布置時，應(yīng)結(jié)合實際情況針對不同的設(shè)備提出具體的結(jié)構(gòu)布置方案，在方案設(shè)計階段將設(shè)備振動對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的負(fù)面影響控制在有限的范圍。

在設(shè)備用房的柱網(wǎng)、層高以及主要結(jié)構(gòu)形式確定之后，面對機(jī)房內(nèi)的設(shè)備振動問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循的原則是：優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、選用合適的設(shè)備隔振措施以及調(diào)整合適的結(jié)構(gòu)自振頻率。

1） 結(jié)構(gòu)布置

在設(shè)備用房內(nèi)采用合理的結(jié)構(gòu)布置可有效地減少設(shè)備振動產(chǎn)生的負(fù)面影響，結(jié)構(gòu)布置時可按以下原則進(jìn)行：

（1） 在滿足建筑功能的前提下宜在機(jī)房周邊區(qū)域設(shè)置隔振縫或減振縫，將振動影響范圍減少；

（2） 承受動力荷載的樓蓋宜采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土肋形樓蓋或裝配整體式樓蓋，支承梁和樓板的最小截面尺寸要求見表1；

（3） 有強(qiáng)烈振動的設(shè)備或?qū)φ駝雍苊舾械脑O(shè)備宜布置在建筑物底層；

（4） 動力設(shè)備宜布置在樓蓋剛度較大的主要承重結(jié)構(gòu)上，但不能放在懸臂結(jié)構(gòu)上；

（5） 垂直擾力較大的設(shè)備宜布置在梁的支座附近，水平擾力較大的設(shè)備宜布置與梁的軸線方向一致。

表1：支承梁和樓板的最小截面尺寸[3]

肋形樓蓋 裝配整體式樓蓋 主梁高跨比

板高跨比 次梁高跨比 現(xiàn)澆面層厚度（mm） 板肋高跨比 板厚（mm）

1/18 1/15 60 1/20 30 1/10

2） 設(shè)備隔振措施

為了降低設(shè)備振動對結(jié)構(gòu)樓蓋產(chǎn)生過大的振動響應(yīng)，在設(shè)備支座設(shè)計時，通常會對設(shè)備支座進(jìn)行隔振設(shè)計。設(shè)備隔振通常分為主動隔振和被動隔振，對建筑物周圍環(huán)境產(chǎn)生有害振動影響的動力設(shè)備應(yīng)采用主動隔振設(shè)計，對周圍環(huán)境振動反應(yīng)敏感而不能正常使用的設(shè)備應(yīng)采用被動隔振設(shè)計。在公共建筑內(nèi)的設(shè)備隔振方式主要有：支承式隔振、懸掛式隔振和懸掛兼支承式隔振，具體的隔振方式見圖一。

1-隔振對象；2-隔振器；3-剛性吊桿

圖一，隔振方式示意圖[2]

當(dāng)設(shè)備支座采用隔振設(shè)計時，隔振方案的選用應(yīng)經(jīng)多方案比選后確定，并經(jīng)隔振計算后選用合適的定型產(chǎn)品，設(shè)備支座隔振器應(yīng)同時具備耐久性好、性能穩(wěn)定、彈性好、剛度低、承載力大以及阻尼適當(dāng)?shù)刃阅芴攸c(diǎn)。

3） 結(jié)構(gòu)自振頻率計算

一般地說，結(jié)構(gòu)的自振頻率若低于設(shè)備的強(qiáng)迫振動頻率，則有發(fā)生高頻共振的可能性，當(dāng)設(shè)備在開、停時，會發(fā)生強(qiáng)迫振動頻率穿越自振頻率從而產(chǎn)生穿越共振；若結(jié)構(gòu)的自振頻率高于設(shè)備的強(qiáng)迫振動頻率，則不可能發(fā)生共振[5]。因此，調(diào)整結(jié)構(gòu)最低自振頻率并使其高于設(shè)備擾力頻率是避免共振的有效措施。

由于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]沒有對混凝土結(jié)構(gòu)樓蓋的豎向自振頻率計算做出明確要求，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計時可參考《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]所列出的梁最低自振頻率公式（6.3.11-1）以及最低自振頻率計算值公式（6.3.12-1），從公式來看：

式中的參數(shù)主要涉及梁抗彎剛度B（B=EI）、梁上單位長度的均布質(zhì)量m和梁的計算跨度。在確定梁的自振頻率時，應(yīng)根據(jù)實際的結(jié)構(gòu)布置情況確定計算簡圖，從公式參數(shù)可知，梁的自振頻率將會隨其剛度的增大而提高，隨其均布質(zhì)量和跨度的增大而降低?？紤]到設(shè)備機(jī)房的結(jié)構(gòu)自重以及設(shè)備重量是基本不變的，因此，在滿足建筑使用功能的前提下，調(diào)整梁自振頻率最直接有效的設(shè)計方法是調(diào)整梁剛度。在計算梁剛度時，只需調(diào)節(jié)梁的高度，便能得到合適的結(jié)構(gòu)自振頻率；如果當(dāng)梁的高度受到其它因素的限制時，亦可采用增加梁寬和提高混凝土彈性模量的方法以增大梁的剛度。

在公共建筑中，機(jī)房設(shè)備主要以中、低頻類的動力設(shè)備為主，在經(jīng)過隔振設(shè)計后的設(shè)備擾力頻率一般在6～10Hz左右，設(shè)計時只需將支承梁的最低自振頻率計算值控制在10Hz以上，便可滿足《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]第6.3.16條所要求的條件“梁的第一頻率密集區(qū)內(nèi)最低自振頻率計算值大于設(shè)備的擾力頻率”，結(jié)構(gòu)設(shè)計時對支承梁可不必進(jìn)行復(fù)雜的動內(nèi)力計算，只需按動力系數(shù)法對支承梁進(jìn)行靜力計算即可。

3、 工程實例

某隧道辦公樓為混凝土框架結(jié)構(gòu)，橫向柱距最大為7.5m，縱向柱距為9m，為了滿足隧道排風(fēng)功能要求，在辦公樓平面的中心位置設(shè)置了一個3層高的排風(fēng)機(jī)房，并在二層機(jī)房樓面設(shè)置了多臺軸流風(fēng)機(jī)設(shè)備，根據(jù)廠家提供的設(shè)備資料，軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的擾力頻率≈10Hz。

首先，為了有效地解決軸流風(fēng)機(jī)設(shè)備的振動問題，在確定初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案時，對排風(fēng)機(jī)房內(nèi)具有振動特性的軸流風(fēng)機(jī)設(shè)備區(qū)域進(jìn)行了仔細(xì)研究，考慮排風(fēng)機(jī)房與周邊辦公用房的不同使用功能，設(shè)備機(jī)房區(qū)域的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行了兩方面的優(yōu)化設(shè)計：一方面是在機(jī)房周邊設(shè)置了隔振縫（兼做結(jié)構(gòu)抗震縫），將排風(fēng)機(jī)房與周邊辦公用房進(jìn)行了物理隔離，使設(shè)備振動輻射范圍控制在機(jī)房區(qū)域，盡可能地縮小設(shè)備振動的影響范圍；另一方面，為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)樓蓋的整體剛度，軸流風(fēng)機(jī)區(qū)域內(nèi)采用了現(xiàn)澆混凝土井字梁板結(jié)構(gòu)，并將軸流風(fēng)機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)放置在井字梁承重結(jié)構(gòu)上，支承梁和樓板的截面尺寸均按照規(guī)范[3]的構(gòu)造要求進(jìn)行布置。具體布置見圖二。

圖二，二層樓面結(jié)構(gòu)布置圖

其次，為了減輕設(shè)備振動對結(jié)構(gòu)樓蓋產(chǎn)生過大的振動響應(yīng)，在軸流風(fēng)機(jī)設(shè)備產(chǎn)品招標(biāo)后，對軸流風(fēng)機(jī)設(shè)備支座采用了隔振設(shè)計，設(shè)備支座經(jīng)多方案比較后選用了“隔而固”的主動隔振方案，并采用支承式隔振方式，設(shè)備隔振支座由專業(yè)的隔振設(shè)計單位按規(guī)范[2]進(jìn)行深化設(shè)計。

最后，為了提高結(jié)構(gòu)最低自振頻率計算值并使其高于軸流風(fēng)機(jī)的擾力頻率，避免共振的發(fā)生，設(shè)計時把提高結(jié)構(gòu)自振頻率作為主要的優(yōu)化目標(biāo)。參照《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]對支承梁的自振頻率進(jìn)行估算，經(jīng)過多次優(yōu)化調(diào)整，支承梁的截面從300x600調(diào)整到500x950，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)最低自振頻率計算值從7.4Hz提高到12.2Hz，結(jié)果見表2。根據(jù)估算結(jié)果判斷，當(dāng)支承梁選用500x950截面時，梁的第一頻率密集區(qū)內(nèi)最低自振頻率計算值已大于設(shè)備的擾力頻率10Hz，便可有效地避免了共振的發(fā)生，且支承梁也不必進(jìn)行復(fù)雜的動內(nèi)力計算，只需按動力系數(shù)法對結(jié)構(gòu)支承梁進(jìn)行靜力計算即可。

表2：樓蓋最低自振頻率表

支承梁截面 300x600 300x700 400x800 500x950

最低自振頻率計算值 7.4Hz 8.9Hz 10.2Hz 12.2Hz

另外，考慮到規(guī)范公式[1]并沒有考慮實際的結(jié)構(gòu)布置對支承梁剛度計算的影響，故采用SAP2000有限元軟件對軸流風(fēng)機(jī)區(qū)域補(bǔ)充了模態(tài)分析（僅選取了橫向2跨及縱向3跨區(qū)域），分析結(jié)果如圖三，當(dāng)支承梁截面選用500x950時，軸流風(fēng)機(jī)區(qū)域在第一模態(tài)的結(jié)構(gòu)樓蓋自振頻率計算值約為12.8Hz，分析結(jié)果與規(guī)范公式的估算結(jié)果基本一致。

圖三：sap2000有限元軟件模態(tài)分析結(jié)果

至此，本辦公樓通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置而有效地控制了設(shè)備振動的影響范圍，通過選用合適的設(shè)備隔振措施使得設(shè)備振動對支承結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響降到了最低，以及通過調(diào)整合適的結(jié)構(gòu)自振頻率而有效地避免了共振的發(fā)生并簡化了支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，最終達(dá)到了確保建筑使用功能的正常使用以及結(jié)構(gòu)的安全可靠的預(yù)期目標(biāo)。

4、 結(jié)語

面對公共建筑內(nèi)的各種設(shè)備振動問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、選用合適的設(shè)備隔振措施以及調(diào)整合適的結(jié)構(gòu)自振頻率等一系列措施，減少設(shè)備振動產(chǎn)生的負(fù)面影響、確保建筑使用功能的正常使用以及結(jié)構(gòu)的安全可靠。所以，在公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時只有充分考慮到設(shè)備振動所帶來的負(fù)面影響，并采取適當(dāng)、可靠的措施方可確保建筑使用功能的正常使用以及結(jié)構(gòu)的安全可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 50583-2010，《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[S]. 北京：中國計劃出版社，2010

[2] GB50463-2008，《隔振設(shè)計規(guī)范》[S]. 北京：中國計劃出版社，2009

[3] GB50190-93，《多層廠房樓蓋抗微振設(shè)計規(guī)范》[S]. 北京：中國計劃出版社，1994

[4] GB50010-2010，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

[5] 高紅珍.《選煤廠主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中的振動荷載問題》[J]. 煤炭工程， 2003（5）： 26-27