微振動(dòng)對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)廠房的結(jié)構(gòu)選型影響

鄒利明 （廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510670）

1 研究背景

隨著工業(yè)廠房的不斷發(fā)展，工業(yè)用地顯得越來(lái)越緊張，因此為深入貫徹落實(shí)黨中央關(guān)于著力振興實(shí)體經(jīng)濟(jì)的決策部署，支持制造業(yè)企業(yè)盤活土地資源，推進(jìn)土地資源集約節(jié)約利用，優(yōu)化資源配置，提高土地利用率，積極拓展發(fā)展空間，優(yōu)化生產(chǎn)力布局，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)集聚，降低制造業(yè)企業(yè)成本，推動(dòng)企業(yè)規(guī)范化、園區(qū)化發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境，高標(biāo)準(zhǔn)廠房應(yīng)運(yùn)而生。高標(biāo)準(zhǔn)廠房具有層數(shù)高、通用性強(qiáng)、荷載大、污染性小、振動(dòng)小的特點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的服務(wù)對(duì)象不明，因此會(huì)根據(jù)入駐的廠家的情況，其荷載分布也會(huì)有一定的變化。因此對(duì)于有動(dòng)力設(shè)備的高標(biāo)準(zhǔn)層廠房，其存在的結(jié)構(gòu)微振動(dòng)不能避免，故如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，將微振動(dòng)的影響控制在結(jié)構(gòu)承載力和的范圍之內(nèi)，控制其受迫振動(dòng)頻率不影響操作人員正常工作，成為廠房結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵[1]。

2 原理分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的原理，結(jié)構(gòu)的受迫振動(dòng)由以下兩個(gè)因數(shù)決定：一個(gè)是外荷載，即擾力源；另一個(gè)是結(jié)構(gòu)的自振周期，即結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性，其與外力無(wú)關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)自身的固有頻率與擾力源產(chǎn)生的頻率接近時(shí)將發(fā)生共振，從而形成較大振幅，對(duì)產(chǎn)品的加工精度、機(jī)器的使用壽命、工作人員的身體健康以及結(jié)構(gòu)本身的安全均帶來(lái)十分不利的影響，對(duì)于某些精密儀器儀表因受其他機(jī)器的干擾而無(wú)法正常工作。

一般而言，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要使結(jié)構(gòu)的自振頻率與外擾力的頻率相差較大，這樣就可以使整個(gè)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生共振[2-4]。一般來(lái)說(shuō)，若設(shè)備的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率高于結(jié)構(gòu)的自振頻率，當(dāng)設(shè)備在開啟或停機(jī)時(shí)，隨著設(shè)備機(jī)器轉(zhuǎn)速的降低，設(shè)備動(dòng)荷載工作頻率也會(huì)變得越來(lái)越小，這樣就有可能使設(shè)備動(dòng)荷載工作頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率接近，從而產(chǎn)生共振現(xiàn)象；若設(shè)備的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率低于結(jié)構(gòu)的自振頻率，則基本不會(huì)在任何時(shí)候發(fā)生共振，這樣對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)是相對(duì)較為安全的。

要想實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要從以下兩個(gè)方面來(lái)處理：一是降低機(jī)器的振動(dòng)頻率；二是降低結(jié)構(gòu)的自振周期，提高結(jié)構(gòu)自身的剛度。對(duì)于機(jī)器的振動(dòng)頻率，可以通過(guò)在機(jī)械的角部增加橡膠墊塊等增加阻尼的辦法降低其振動(dòng)頻率；對(duì)于結(jié)構(gòu)的自振周期，需要通過(guò)合理選擇結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置等措施提高結(jié)構(gòu)本身的自振周期。本文主要從合理選擇結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置等措施來(lái)對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)廠房的微振動(dòng)進(jìn)行考慮。

3 結(jié)構(gòu)選型對(duì)自振周期的影響分析

為進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)選型對(duì)自振周期的影響，本文采用盈建科軟件對(duì)以下4個(gè)方案的廠房框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，從而確定結(jié)構(gòu)的自振頻率并確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布置?，F(xiàn)取柱網(wǎng)8.2m×9m為例，主梁截面采用300mm×700mm；次梁截面采用200mm×600mm；板厚均為120mm；混凝土等級(jí)為C30。通過(guò)調(diào)整次梁的布置：方案一采用設(shè)置單根次梁的單向板方案；方案二采用增加三根次梁的單向板方案；方案三采用增加水平和豎向次梁的雙向板方案；方案四采用豎向單根次梁，水平兩根次梁的雙向板方案。上述四個(gè)次梁布置方案的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示，各方案圖示如圖1～圖4所示。

圖1 方案一圖示

圖2 方案二圖示

圖3 方案三圖示

圖4 方案四圖示

四個(gè)次梁布置方案計(jì)算結(jié)果匯總表 表1

通過(guò)對(duì)比上述表格可以看出以下結(jié)論。

①通過(guò)對(duì)比方案一與方案二可以看出，隨著次梁的間距越小，單向板的跨厚比越小，整體樓板結(jié)構(gòu)的剛度越大，自振頻率越高。方案一的跨厚比為1/34，方案二厚跨比為1/22.5，方案二的跨厚比約為方案一的1.5倍，自振頻率約為方案一的1.09倍；因此對(duì)于單向板，跨厚比越小，自振頻率越高，但其增長(zhǎng)并非呈現(xiàn)線性關(guān)系，自振頻率的增長(zhǎng)速率明顯低于厚跨比的提高速率，所以隨著跨厚比變小，自振頻率越高，但其增長(zhǎng)幅度較小。

②通過(guò)對(duì)比方案二與方案三可以看出，雖然方案二次梁數(shù)量多于方案三，但由于方案二為單向板，方案三為雙向板，因此結(jié)構(gòu)整體剛度明顯方案三優(yōu)于方案二，自振頻率也較高。方案二厚跨比為1/22.5，方案三的板厚跨比為1/34，方案二的跨厚比約為方案三的1.5倍，自振頻率約為方案三的0.94倍；因此對(duì)于不同結(jié)構(gòu)布置的單向板與雙向板來(lái)說(shuō)，雙向板雖然跨厚比比方案二大較多，約1.5倍，但其整體剛度明顯比方案二高，其自振頻率比方案二高1.06倍，所以可以看出雙向板在整體剛度方面有著較明顯的剛度優(yōu)勢(shì)。

③通過(guò)對(duì)比方案三與方案四可以看出，通過(guò)增加一道次梁后，方案三的板厚跨比為1/34；方案四的板厚跨比為1/25，方案四的厚跨比約為方案三的1.36倍，自振頻率約為方案三的1.07倍，因此，隨著雙向板結(jié)構(gòu)的厚跨比變大，結(jié)構(gòu)的自振頻率有一定的上升，但是增長(zhǎng)幅度較小。

④通過(guò)對(duì)比方案二和方案四可以看出，雖然次梁的數(shù)量一樣；且厚跨比方案二為1/22.5；而方案四的板厚跨比為1/25，但是結(jié)構(gòu)的自振頻率方案四是方案二的1.14倍。

通過(guò)上述分析可以看出，相同情況下結(jié)構(gòu)的跨厚比越小，結(jié)構(gòu)的自振頻率越高，在一定空間內(nèi)增長(zhǎng)明顯，但對(duì)于跨厚比較小時(shí)，其增長(zhǎng)幅度較?。幌嗤闆r下雙向板的自振頻率比單向板高，且優(yōu)勢(shì)明顯。這表明雙向板在空間上有更好的剛度，有更大的結(jié)構(gòu)自振頻率，因此當(dāng)有微振動(dòng)設(shè)備時(shí)可以優(yōu)先采用雙向板。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于有動(dòng)力設(shè)備的高標(biāo)準(zhǔn)層廠房，其存在的結(jié)構(gòu)微振動(dòng)不能避免，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)選型將微振動(dòng)的影響控制在結(jié)構(gòu)承載力和的范圍之內(nèi)。本文采用盈建科軟件對(duì)廠房框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得出以下結(jié)論：

①相同情況下結(jié)構(gòu)的跨厚比越小，結(jié)構(gòu)的自振頻率越高，在一定空間內(nèi)增長(zhǎng)明顯，但對(duì)于跨厚比較小時(shí)，其增長(zhǎng)幅度較小。

②相同情況下雙向板的自振頻率比單向板高且優(yōu)勢(shì)明顯。

③雙向板在空間上有更好的剛度，有更大的結(jié)構(gòu)自振頻率，因此當(dāng)有微振動(dòng)設(shè)備時(shí)可以優(yōu)先采用雙向板。