某多層工業(yè)廠房樓蓋減振方案設(shè)計(jì)

秦 文

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概況

某工廠金工車間為4層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用井字形樓蓋，標(biāo)準(zhǔn)柱間距為12.0 m×12.8 m，次梁間距3.2 m，伸縮縫將該車間分為東、西兩個(gè)區(qū)，即Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，Ⅰ區(qū)東西向6跨(①軸～⑦軸)、南北向6跨(軸～軸)，Ⅱ區(qū)東西向7跨(⑧軸～軸)、南北向6跨(軸～軸)。

車間內(nèi)各層均布置了生產(chǎn)加工所用的數(shù)控機(jī)床，機(jī)床重量約2 200 kg，最大負(fù)荷300 kg，刀具重量為23 kg(33 kg)，主軸轉(zhuǎn)速150 min-1～24 000 min-1。該車間使用過程中樓蓋振動(dòng)明顯，員工能明顯感到樓蓋的振動(dòng)，且結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)損傷，振動(dòng)問題突出，已影響到正常使用和機(jī)床的加工精度。

2 樓蓋振動(dòng)情況現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

為準(zhǔn)確獲得樓蓋結(jié)構(gòu)的實(shí)際自振頻率、阻尼比、振動(dòng)峰值加速度等動(dòng)力特性參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)分別在該車間的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)進(jìn)行了環(huán)境激勵(lì)下的脈動(dòng)測(cè)試和機(jī)器運(yùn)行下的振動(dòng)測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果為：Ⅰ區(qū)內(nèi)樓蓋的自振頻率識(shí)別結(jié)果為8.572 Hz，Ⅱ區(qū)內(nèi)樓蓋的自振頻率識(shí)別結(jié)果為8.719 Hz；Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)內(nèi)樓蓋結(jié)構(gòu)阻尼比的識(shí)別結(jié)果為1.55%～1.83%；樓蓋上所有數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)下，Ⅰ區(qū)內(nèi)樓蓋的峰值加速度為4.496%g，Ⅱ區(qū)內(nèi)樓蓋的峰值加速度為3.151%g；數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時(shí)機(jī)床的振動(dòng)頻率為9.44 Hz。

3 減振方案設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可知，廠房樓蓋振動(dòng)峰值加速度4.496%g，已超出人長(zhǎng)時(shí)間所處環(huán)境的可接受振動(dòng)限值，需要對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)控制設(shè)計(jì)。結(jié)合廠房結(jié)構(gòu)布置及車間設(shè)備情況，提出以下三種減振設(shè)計(jì)方案。

3.1 增大次梁截面

增大次梁截面基本不改變結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)指標(biāo)，可較為有效地提高構(gòu)件的剛度，在此優(yōu)先對(duì)本方法進(jìn)行分析。

次梁截面增大后，采用有限元模態(tài)分析，Ⅰ區(qū)內(nèi)樓蓋的一階自振頻率由原8.572 Hz提高到9.425 Hz，Ⅱ區(qū)內(nèi)樓蓋的一階自振頻率由原8.719 Hz提高到9.595 Hz，增幅均約為10%。采用有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析，模擬Ⅰ區(qū)內(nèi)單塊樓蓋板跨跨中一臺(tái)數(shù)控機(jī)床開啟時(shí)的振動(dòng)測(cè)試工況，分析得出該樓蓋板跨跨中的振動(dòng)峰值加速度由原2.232%g增大到3.366%g，該樓蓋的相鄰樓蓋板跨跨中的振動(dòng)峰值加速度由原0.726%g增大到1.146%g，增幅50%～60%。

增大次梁截面，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)樓蓋的一階自振頻率均接近于機(jī)床動(dòng)力荷載的主頻9.44Hz，出現(xiàn)共振響應(yīng)，同時(shí)樓蓋振動(dòng)峰值加速度不減反而增大50%以上，并未起到減振效果。

3.2 增大框架梁和次梁截面

增大次梁截面使得樓蓋的一階自振頻率提高，但振幅也同時(shí)增大，故在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大框架梁截面，使樓蓋一階自振頻率繼續(xù)提高。根據(jù)GB 50190—93多層廠房樓蓋抗微振設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于框架梁最小高跨比1/10的規(guī)定，框架梁截面由原600 mm×900 mm增大為600 mm×1 250 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)同原設(shè)計(jì)。

同樣采用有限元模態(tài)分析，Ⅰ區(qū)內(nèi)樓蓋的一階自振頻率由原8.572 Hz提高到10.779 Hz，Ⅱ區(qū)內(nèi)樓蓋的一階自振頻率由原8.719 Hz提高到10.955 Hz，增幅均約為26%。采用有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析，模擬Ⅰ區(qū)內(nèi)單塊樓蓋板跨跨中一臺(tái)數(shù)控機(jī)床開啟時(shí)的振動(dòng)測(cè)試工況，分析得出該樓蓋板跨跨中的振動(dòng)峰值加速度由原2.232%g降低到0.867%g，該樓蓋相鄰樓蓋板跨跨中的振動(dòng)峰值加速度由原0.726%g降低到0.215%g，降幅60%～70%。

同時(shí)增大框架梁和次梁截面，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)樓蓋的一階自振頻率均滿足高頻樓蓋10.0 Hz以上的要求，樓蓋自身剛度和阻尼耗能可有效抵抗機(jī)床動(dòng)力荷載，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)峰值加速度降幅可達(dá)60%以上，減振效果明顯。

參考GB 50190—93多層廠房樓蓋抗微振設(shè)計(jì)規(guī)范6.4.9節(jié)給出多臺(tái)機(jī)器同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)驗(yàn)算點(diǎn)響應(yīng)的計(jì)算公式如下：

(1)

其中，aj為一臺(tái)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)驗(yàn)算點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度峰值；m為同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器臺(tái)數(shù)。

進(jìn)一步采用有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析模擬了Ⅰ區(qū)樓蓋上所有機(jī)器同步運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最不利荷載工況，Ⅰ區(qū)內(nèi)樓蓋的最大峰值加速度為3.551%g，超出峰值加速度限值2.0%g(值得注意的是，該廠房各臺(tái)機(jī)器是由單獨(dú)的控制臺(tái)進(jìn)行操控的，整個(gè)樓蓋中所有機(jī)器同步運(yùn)轉(zhuǎn)的情況是不可能出現(xiàn)的，本分析結(jié)果為最不利工況，其最大峰值加速度要大于一般正常使用工況)。

3.3 增加框架柱

從樓蓋一階振動(dòng)模態(tài)可看出，樓蓋模態(tài)為整體振動(dòng)，即框架梁柱兩側(cè)梁板振動(dòng)位移呈反對(duì)稱，樓蓋標(biāo)準(zhǔn)柱間距為12.8 m×12.8 m，梁板跨度較大，僅增大水平構(gòu)件(梁、板)，并不能有效地改變樓蓋的整體振動(dòng)模態(tài)，故樓蓋自振頻率并未大幅提高，可對(duì)結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件(柱、墻)進(jìn)行加強(qiáng)。

基于上述分析結(jié)果，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的可行方法是增加框架柱?？紤]盡量不影響當(dāng)前設(shè)備布置并能夠較為有效的提高樓蓋整體剛度，在軸～?軸/①軸～軸間樓蓋各板跨跨中位置增設(shè)框架柱。新增加框架柱截面為700 mm×700 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)同原設(shè)計(jì)柱。

進(jìn)一步采用有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析模擬了Ⅰ區(qū)內(nèi)樓蓋上所有機(jī)器同步運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最不利荷載工況，Ⅰ區(qū)內(nèi)樓蓋的最大峰值加速度為1.189%g，小于峰值加速度限值2.0%g，減振效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

增大次梁截面盡管提高了結(jié)構(gòu)的剛度，但未能將結(jié)構(gòu)頻率調(diào)出共振區(qū)，減振效果不佳，不宜單獨(dú)使用，應(yīng)和其他減振措施合并使用。增大框架梁和次梁截面在提高樓蓋頻率和減振效果上都較為明顯，但由于實(shí)際樓蓋振動(dòng)較大，減振的幅度很難達(dá)到規(guī)范要求。增加框架柱不但能將樓蓋頻率提高到15 Hz左右，而且減振效果明顯優(yōu)于其他三種方案。