高層工業(yè)廠房異常振動(dòng)測(cè)試與加固試驗(yàn)

謝開(kāi)仲，王紅偉，周劍希，岳 苗，羅 瀟

(1. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004； 2. 廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧 530004； 3. 廣西大學(xué)廣西工程防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530004)

0 引 言

工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。近些年來(lái)，隨著土地資源的緊張和成本的控制，工業(yè)廠房的布置越來(lái)緊湊，越來(lái)越多的機(jī)器設(shè)備被放置在工業(yè)廠房的高層之中，隨之而來(lái)的便是廠房的振動(dòng)問(wèn)題，振動(dòng)成因與加固設(shè)計(jì)也成為現(xiàn)有高層工業(yè)廠房加固的關(guān)注焦點(diǎn)和首要考慮問(wèn)題。目前對(duì)于工業(yè)廠房的振動(dòng)成因和減振[1-6]加固已經(jīng)開(kāi)展了較多的研究，加固方法和理論也比較多，例如針對(duì)振動(dòng)源采用干擾力反演算法[7]得到干擾力幅值進(jìn)行減振設(shè)計(jì)；針對(duì)柱子和梁采用擴(kuò)大截面，外包鋼筋混凝土[8]或鋼板等，針對(duì)廠房樓板層植入CA砂漿[9]達(dá)到減振效果，針對(duì)廠房結(jié)構(gòu)采用增設(shè)阻尼裝置[10-14]也是目前工業(yè)廠房減振研究的熱點(diǎn)，取得的研究成果也比較多；此外還有增設(shè)立柱[15]，增設(shè)鋼梁[16]或鋼支撐[17]，采用預(yù)應(yīng)力鋼帶[18]等方法。將異常振動(dòng)廠房與附屬建筑物相連[19]增加整體剛度達(dá)到減振效果，此種方法在無(wú)附屬建筑物時(shí)，對(duì)場(chǎng)地的影響比較大。目前這些加固方法多應(yīng)用于低層工業(yè)廠房中，高層工業(yè)廠房中應(yīng)用較少。與低層工業(yè)廠房相比，高層工業(yè)廠房在受力特性方面有明顯區(qū)別，尤其是振動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)由于高層廠房加固空間受限、采光要求高等特點(diǎn)，為了保證加固效果，加固方法的選擇往往受到限制，需要綜合考慮，因此研究高層工業(yè)廠房的振動(dòng)與加固具有重要的科研意義和工程價(jià)值。為此，以某高層工業(yè)廠房為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合的方法，針對(duì)其異常振動(dòng)成因和加固前后開(kāi)展試驗(yàn)研究，可為同類型高層廠房的異常振動(dòng)問(wèn)題解決提供借鑒和參考。

1 高層廠房結(jié)構(gòu)概況

某廠房為框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)138.8 m，寬21.8 m，高23.5 m，整體3層，局部4層，剛度主要由框架提供，3臺(tái)機(jī)器設(shè)備位于二樓。在機(jī)器設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，廠房?jī)?nèi)機(jī)器設(shè)備所在樓層振感明顯，影響到作業(yè)工人的舒適感和生命健康，同時(shí)也威脅到廠房的結(jié)構(gòu)安全性，急需找到異常振動(dòng)的成因并采取相應(yīng)的措施。廠房三維視圖見(jiàn)圖1，廠房縱斷面布置圖見(jiàn)圖2。

2 異常振動(dòng)測(cè)試分析

2.1 異常振動(dòng)測(cè)試

測(cè)點(diǎn)布置既要能反映結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，又要盡可能的精簡(jiǎn)，根據(jù)廠房的振動(dòng)特性和類似工程的經(jīng)驗(yàn)，該廠房振動(dòng)測(cè)試共計(jì)選擇5個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置在廠房二層(機(jī)器設(shè)備所在層)，標(biāo)高7.500 m，測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)4為雙向振動(dòng)傳感器(廠房長(zhǎng)度方向?yàn)閅方向，廠房寬度方向?yàn)閄方向)，測(cè)點(diǎn)5為三向振動(dòng)傳感器(廠房長(zhǎng)度方向?yàn)閅方向，廠房寬度方向?yàn)閄方向，廠房豎向?yàn)閆方向)，測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖3。

基于廠房和機(jī)器設(shè)備的振動(dòng)特性，針對(duì)運(yùn)營(yíng)中振動(dòng)最明顯的工況，為了更好診斷廠房振動(dòng)與機(jī)器振動(dòng)的關(guān)聯(lián)性，考慮到廠房持續(xù)運(yùn)營(yíng)的要求，工況設(shè)計(jì)如下：工況1為1#機(jī)負(fù)荷100%，2#機(jī)負(fù)荷100%，3#機(jī)負(fù)荷0%；工況2為1#機(jī)負(fù)荷100%，2#機(jī)負(fù)荷100%，3#機(jī)負(fù)荷50%；工況3為1#機(jī)負(fù)荷100%，2#機(jī)負(fù)荷100%，3#機(jī)負(fù)荷100%；工況4為1#機(jī)負(fù)荷50%，2#機(jī)負(fù)荷100%，3#機(jī)負(fù)荷100%；工況5為1#機(jī)負(fù)荷50%，2#機(jī)負(fù)荷50%，3#機(jī)負(fù)荷100%；工況6為1#機(jī)負(fù)荷100%，2#機(jī)負(fù)荷50%，3#機(jī)負(fù)荷50%。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析與討論

對(duì)設(shè)計(jì)工況進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，并對(duì)5個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度和速度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各工況作用下Y方向和Z方向加速度峰值見(jiàn)圖4，Y方向和Z方向速度峰值見(jiàn)圖5，測(cè)點(diǎn)5的X方向加速度峰值與速度峰值見(jiàn)表1。

由圖4，5和表1可知：

(1)廠房X方向和Y方向的最大加速度峰值分別為0.800 m·s-2和2.409 m·s-2，均位于工況4的測(cè)點(diǎn)5，Z方向最大加速度峰值為0.717 m·s-2，位于工況1的測(cè)點(diǎn)4；X方向的加速度峰值全部位于Ⅳ級(jí)；Y方向加速度峰值26.67%位于Ⅲ級(jí)，53.33%位于Ⅳ級(jí)，20%位于Ⅴ級(jí)；Z方向加速度峰值3.33%位于Ⅱ級(jí)，66.67%位于Ⅲ級(jí)，30.00%位于Ⅳ級(jí)。綜上所述，廠房Y方向20%達(dá)到了不能忍受的程度，應(yīng)成為加固的重點(diǎn)方向。

表1 不同工況下測(cè)點(diǎn)5的X方向加速度峰值與速度峰值Tab.1 Peak Acceleration and Peak Velocity of Measuring Point 5 in X Direction Under Different Working Conditions

(2)廠房X，Y，Z方向的最大速度峰值為4.09，6.302，1.014 mm·s-1，分別位于工況1，3，4的同一點(diǎn)測(cè)點(diǎn)5，根據(jù)規(guī)范[20]要求，3個(gè)方向的速度值均滿足規(guī)范要求，但Y方向測(cè)試速度值為6.302 mm·s-1接近規(guī)范極限允許值6.4 mm·s-1。

與此同時(shí)對(duì)機(jī)器和廠房的振動(dòng)測(cè)試曲線進(jìn)行分析，機(jī)器和廠房自振特性見(jiàn)表2，可知3臺(tái)機(jī)器設(shè)備和廠房在X方向和Y方向上的振動(dòng)頻率非常接近。

表2 機(jī)器和廠房自振特性測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test Results of Self-vibration Characteristics of Machine and Industrial Building

由結(jié)構(gòu)振動(dòng)感覺(jué)程度標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)振動(dòng)加速度超過(guò)1.5 m·s-2時(shí)人體不能忍受。由表2可知， 3臺(tái)機(jī)器設(shè)備和廠房在X方向和Y方向上的振動(dòng)頻率非常接近，處于共振區(qū)間。綜上所述：基于廠房和設(shè)備的加速度、速度和自振特性分析結(jié)果可知，廠房異常振動(dòng)是由于結(jié)構(gòu)自振與設(shè)備振動(dòng)頻率比較接近引起，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注廠房Y方向的振動(dòng)特性。

3 廠房減振加固設(shè)計(jì)

加固方案選擇不僅要考慮加固效果，還要盡可能減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)效果等。目前廠房常用的加固方法主要由以下幾種：增大截面法、碳纖維加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、消能減振法、外包鋼法、增設(shè)支撐和卸載法等，這幾種方法從本質(zhì)上都是為了提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，使廠房能夠更好地適應(yīng)振動(dòng)，避開(kāi)與機(jī)器的共振區(qū)間。

針對(duì)本工程的實(shí)際情況，由于廠房?jī)?nèi)管線布置錯(cuò)綜復(fù)雜，機(jī)器設(shè)備較多，同時(shí)要考慮不能影響原結(jié)構(gòu)采光的要求，盡可能降低對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響，綜合考慮多種加固方法的優(yōu)劣，最終決定采用短肢剪力墻加固的方法進(jìn)行加固。根據(jù)加固短肢剪力墻的位置，共設(shè)計(jì)了3個(gè)加固方案，加固方案均是通過(guò)短肢剪力墻的方式進(jìn)行加固，不同之處是短肢剪力墻的位置和數(shù)量不一樣，由于廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，短肢剪力墻布置的數(shù)量和位置比較多，限于篇幅，不再列出短肢剪力墻的位置和數(shù)量。

為了更好地進(jìn)行加固方案比選和加固效果驗(yàn)證，采用通用有限元軟件ANSYS建立廠房加固前后的三維有限元模型，模型采用梁?jiǎn)卧狟eam189模擬框架結(jié)構(gòu)，采用Shell63殼單元模擬剪力墻，采用質(zhì)點(diǎn)單元Mass21模擬機(jī)器設(shè)備及附加質(zhì)量。

對(duì)3個(gè)加固方案分別進(jìn)行加固前后對(duì)比分析，由于機(jī)器設(shè)備在廠房寬度方向上的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率約為2.96 Hz，與結(jié)構(gòu)自振頻率的比值處于共振區(qū)間，3個(gè)方案加固后廠房寬度方向的模態(tài)頻率分別為4.56，4.57，4.36 Hz，與機(jī)器在廠房寬度方向的振動(dòng)頻率不在共振區(qū)間，均能滿足加固要求，但考慮到廠房結(jié)構(gòu)改動(dòng)的大小，最終采用了對(duì)結(jié)構(gòu)影響最小的短肢剪力墻布置方案。加固后有限元模型見(jiàn)圖6，廠房角隅處增設(shè)短肢剪力墻，見(jiàn)圖7。

4 減振加固后測(cè)試分析

4.1 減振加固測(cè)試結(jié)果

對(duì)廠房采用短肢剪力墻進(jìn)行加固，工況劃分與加固前相同，加固后各測(cè)點(diǎn)在不同工況作用下Y方向和Z方向的加速度峰值見(jiàn)圖8，加固后各測(cè)點(diǎn)在不同工況作用下Y方向和Z方向的速度峰值見(jiàn)圖9，測(cè)點(diǎn)5在不同工況下X方向加速度峰值和速度峰值見(jiàn)表3。

對(duì)加固后試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知：

表3 加固后測(cè)點(diǎn)5在不同工況下X方向加速度峰值和 速度峰值Tab.3 Peak Acceleration and Peak Velocity of Measuring Point 5 at X Direction Under Different Working Conditions After Reinforcement

(1)廠房X，Y，Z方向的最大加速度峰值分別為0.765，1.162，1.536 m·s-2，分別位于工況3的測(cè)點(diǎn)2，3，5；廠房X方向加速度峰值16.67%位于Ⅲ級(jí)，83.33%位于Ⅳ級(jí)；廠房Y方向加速度峰值36.67%位于Ⅲ級(jí)，63.33%位于Ⅳ級(jí)；廠房Z方向加速度峰值33.33%位于Ⅲ級(jí)，63.34%位于Ⅳ級(jí)，3.33%位于Ⅴ級(jí)。綜上所述，采用短肢剪力墻加固后，廠房3個(gè)方向加速度振動(dòng)特性均得到改善。

(2)廠房X，Y，Z方向最大速度峰值分別為1.666，3.012，1.813 mm·s-1，分別位于工況4的測(cè)點(diǎn)5，工況2的測(cè)點(diǎn)3，4，根據(jù)規(guī)范要求，廠房3個(gè)方向的速度振動(dòng)特性均得到明顯提高，滿足規(guī)范要求，尤其是廠房Y方向的振動(dòng)速度。

(3)加固后廠房X，Y，Z方向的一階固有頻率分別為7.83，5.87，10.77 Hz，與加固前X，Y，Z方向一階固有頻率2.94，2.45，10.28 Hz相比，采用短肢剪力墻可以顯著提升廠房的強(qiáng)度和剛度，是一種有效的加固方法。

4.2 加固前后對(duì)比分析

對(duì)加固前后廠房和3臺(tái)機(jī)器設(shè)備在3個(gè)方向的振動(dòng)頻率進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表4。由表4可知，加固后廠房在X方向和Y方向的剛度均有明顯提升，并且加固后結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向的自振頻率與3臺(tái)機(jī)器設(shè)備的自振頻率不在共振區(qū)間，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)地觀察，加固效果良好。

表4 加固前、后廠房自振頻率對(duì)比Tab.4 Comparison of Self-vibration Frequency Before and After Reinforcement

對(duì)加固前后廠房3個(gè)方向的振動(dòng)加速度峰值和最大振動(dòng)速度峰值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表5，加固前后5號(hào)測(cè)點(diǎn)X方向的加速度峰值和速度峰值對(duì)比見(jiàn)表6。加固后廠房Y方向的速度峰值和加速度峰值均得到改善，廠房振動(dòng)特性得到明顯提升。

表5 加固前、后加速度峰值與速度峰值對(duì)比Tab.5 Comparison of Peak Acceleration and Peak Velocity Before and After Reinforcement

根據(jù)加固前后的加速度峰值、速度峰值和自振特性測(cè)試結(jié)果可知，采用短肢剪力墻是科學(xué)合理的，能顯著提升廠房的剛度，改善廠房的振動(dòng)特性，解決機(jī)器與廠房共振的問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)機(jī)器設(shè)備進(jìn)入廠房高層之后，機(jī)器與廠房的共振是造成廠房異常振動(dòng)的主要原因。在高層廠房的早期設(shè)計(jì)中，應(yīng)重視機(jī)器設(shè)備進(jìn)入高層廠房的問(wèn)題以及機(jī)器設(shè)備與廠房的共振問(wèn)題。

表6 測(cè)點(diǎn)5在不同工況下X方向加速度峰值和 速度峰值對(duì)比Tab.6 Comparison of Peak Acceleration and Peak Velocity of Measuring Point 5 in X Direction Under Different Working Conditions

(2)采用短肢剪力墻對(duì)廠房進(jìn)行加固是科學(xué)合理的，廠房的強(qiáng)度和剛度提高效果明顯。廠房Y方向固有頻率由2.45 Hz提高至5.87 Hz，廠房X方向固有頻率由2.94 Hz提高至7.83 Hz，與機(jī)器沿廠房寬度方向固有頻率2.94 Hz不在共振區(qū)間，廠房的加速度和速度振動(dòng)特性得到了不同程度的改善，取得了預(yù)期的加固效果。

(3)采用短肢剪力墻對(duì)高層廠房的異常振動(dòng)進(jìn)行加固是科學(xué)合理的，同時(shí)具有良好的效果，可為解決同類型高層工業(yè)廠房的異常振動(dòng)加固問(wèn)題提供借鑒和參考。