多层工业厂房结构动力性能诊断及加固研究

发布时间：2016-04-11 22:45

1绪论

1.1厂房振动概述
动力设备在工业厂房中普遍存在，随着使用过久或者施工技术的影响，机器设备引起楼板的振动，频繁的不良楼面振动会使楼面产生裂缝，导致厂房结构的破坏，进而影响厂房的正常生产，是多层工业厂房经常面临的振动问题。有些已建的厂房，随着时间的推移和机器的反复作用，结构裂缝增大，动力特性发生很大变化，引起楼面振动过大，常见于多层工业厂房中。此外，厂房内生产工艺的改变也是结构发生振动的原因之一。利用合理的减振措施把振动位移幅值控制在规范限值之内是从根本上控制多层工业厂房的振动。工业厂房的振动主要是由动荷载引起的。动荷载的效应主要与动力荷载本身的大小和结构的动力特性有关。要想找到工业厂房振动过大的原因并提出减振措施，对结构振动进行测试分析是非常有必要的。
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1.2结构动力特性和加固技术研究现状

1.2.1结构动力特性研究现状
清华大学国家科技成果结构动力特性实测与研究所得到的建筑物的特殊振动响应，为结构设计的改进提供了数据依据；其中，高层结构基本周期的经验公式已被《高层建筑设计与施工规程》所采用。此外，《工程结构动力检测理论与应用》李国强（同济大学）、《工程结构动力特性及动力响应检测技术规程》（江苏省工程建设标准）、《建筑结构动力特性测试与分析系统研究》（四川省建筑科学研究院的国家科技成果）、《高层建筑结构动力特性测试实例分析》李斌（同济大学）、《汕头海湾大桥整体自振模态的测试与分析》刘汉夫、《某框架结构办公楼的动力特性测试与分析》吴小波（福建省建筑科学研究院）等研究成果促进了我国动力检测技术的快速发展。朱丽华[1]利用吊车冲击荷载和脉动法实测了厂房动力特性参数，而且测试了工业厂房不同开启工况下的厂房整体和设备基础的振动位移，根据实测位移值评估了厂房的动力性能。李黎[2]主要介绍了用无人工激励动点测试方法来确定建筑物的动力特性，得出要获得比较满意的数据，必须选用灵敏度较高的传感器，而且还与采样环境有关系。杜锐[3]先对工业厂房进行现场测试，然后利用有限元软件对不同工况下的楼板进行模拟，得到各层楼板的振动规律，最后对楼板的振动原因进一步分析。李奉阁[4]通过对通廊结构进行的现场检测、结构计算分析和可靠性鉴定评级，提出了加固处理方案。对该类结构的检测鉴定具有一定的参考。
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1.2.2减振加固技术研究现状
厂房结构的减振加固是振动控制的范畴。在工业厂房中，所采用的控制振动的主要方法有：改变振源的频率、改变结构的固有频率和采取隔振措施。结构的振动控制已经发展了将近30年，是一门新兴的学科。其中心思想就是：在结构上设置控制装置，在结构振动过程中起到施加一组控制力的作用，从而达到减振的目的。研究对象也从以前线性、理想的向非线性、更加实际的方向发展。白国良[5]通过现场实测得出某工业厂房的振动规律，针对厂房振动特点提出增设钢斜撑的方案进行加固，并利用软件进行计算分析和加固效果后的评估。张鸿飞[6]对于工业厂房水平方向振动过大的问题，提出增大构件截面和竖向钢支撑两种较为普遍的加固方法，并对此进行了方案对比及实用性分析，得出竖向钢支撑的加固方法实用性更强。宫博[7]针对工业厂房水平振动过大，提出对结构增加钢支撑的加固方法，且起到了明显的加固效果。
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2现场振动测试及分析

2.1工程概况
机器设备运行是工业厂房楼板振动过大的主要原因。楼板振动过大如果不采取相应的减振措施，就会对临近楼层甚至整个楼层产生影响。因为钢筋混凝土这种结构阻尼比较小，一旦有局部的振动，就可能引起很大范围的振动。楼板的振动幅度过大和振动产生的噪音都会减低工业厂房内的舒适度，进而影响工作人员的正常工作和休息。厂房现场动力性能检测和制定合理的减振加固方案，对振动幅度过大的工业厂房是非常有必要的。本工程为某企业烧结矿成品取样检验室设备厂房振动改造项目，振动筛工作期间引起该厂房部分楼层梁板振动，工作环境受到严重影响，也影响其他设备的正常工作，同时对烧结矿成品取样检验室的结构安全带来危害。为此，需对该厂房振动进行现场测试。烧结矿成品取样检验室外观和第四层内部构造如图2.1和图2.2所示。
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2.2振动测试内容与测试分析依据
烧结矿成品取样检验室的动力层为第三、五和六层，其它层没有动力机器运转。经过现场的观测，第四、五层楼面振动较为剧烈，也考虑到对生产和工人健康的影响，决定采用以下测试方法和内容[8,9]。测试内容：（1）利用脉动法对烧结矿成品取样检验室的水平和竖向的自振频率进行测试；（2）测试全部机器同时运行、第五层东侧振动筛运行、第五层西侧振动筛运行和第五层东西侧振动筛同时运行这四种工况下的强迫振动频率和加速度；利用DASP软件积分得出各向的振动位移幅值，对照相关规范，对结构的振动进行评价。测试分析依据：《动力机器基础设计规范》（GB50040-96），《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）、《机器动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规程》（YBJ55-90YSJ009-90）和现行国家有关规范的要求、烧结矿成品取样检验室建筑施工图、结构施工图、工艺设备相关图纸。
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3结构动力性能有限元分析.......20
3.1有限元分析理论及步骤....20
3.1.1有限元分析理论..........20
3.1.2有限元分析步骤..........20
3.2有限元模型的建立....20
3.3模态分析....22
3.3.1模态分析理论......22
3.3.2厂房结构的模态分析..........23
3.4谐响应分析........25
3.5时程分析....30
3.6本章小结....33
4加固方案对比及案例分析.......34
4.1加固方法概述....34
4.2运用SAP2000进行方案对比分析...........35
4.2.1设备底座增加弹簧隔振器方案..........36
4.2.2增大楼面刚度方案......38
4.2.3方案对比......40
4.3案例分析....40
4.4本章小结....44

4加固方案对比及案例分析

4.1加固方法概述

在工业厂房楼层上有动力机器设备运行的情况下，厂房结构发生振动过大的原因主要有两种：一是由于机器设备的激振力频率与厂房楼板的固有频率接近，导致共振；一是由于结构本身的刚度不足，导致结构在强迫振动的情况下振动线位移较大[46~48]。调整机器设备中电机的转速，避开与楼板的共振区域。调整电机的途径主要有：更换低转速电机或增加现有电机耦合器的充油量来降低电机的转速；更换高速电机提高转速；在现有的电机上加装与之相匹配的变频器，电机转速调整幅度较大。优点：花费适中，，施工速度快，不影响其它机器的生产，不破坏原结构，不占用其它生产空间等；缺点：降低或升高转速对机器设备的生产率有影响等。在减速系统上加装与电机转动频率相同的对称振子，其施加给减速机一个与电机转动激振力反向的激振力，从而达到减振的目的。优点：花费适中，施工过程中不影响其它机器设备的运行，不破坏原结构等；缺点：需要精确的计算，安装振子比较多，对设备空间要求比较高，占用生产空间等。

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结论

工业厂房的振动过大主要是因为共振和结构强度不足引起的。楼面振动位移幅值过大，影响结构的安全和机器设备的运行，进而影响生产和工作人员的身心健康。本文就某厂房烧结矿成品检验室振动问题展开研究，运用DASP软件收集现场振动资料，然后对其进行处理；建立有限元模型，对结构的动力特性和加固效果进行分析。得出相关结论如下：
（1）现场检测得到检验室水平最大位移为0.046mm、放置振源设备的楼板最大竖直向位移为0.308mm。按照规范，水平向没有超过限值，竖向超过限值；必须采取减振加固措施。
（2）建立有限元模型，对模型进行模态分析，得出结构的自振频率，并与实测值相比较，一阶自振频率相差在5%之内；对结构进行谐响应分析，得到相关“频率-位移”关系曲线，振动线位移幅值与实测值在同一量级，说明此模型建立方法可适用于同类结构。通过时程分析得出楼面的动位移幅值云图和主梁的动内力，第五层楼面的动位移幅值和主梁动内力较其它各层大，表明减振措施要从第五层入手。
（3）通过比较设备底座增加弹簧隔振器和增大楼面刚度两种方案，并分析其减振效果，最后得出，两种方案都能减小动位移幅值；增加弹簧隔振器较后者方案更有效且施工方便，优先使用。
（4）对检验室实际运用的加固方案进行谐响应分析，得出各层动位移降低率大于75%且振动位移幅值在规范限值之内；减振加固后的厂房已能正常生产。
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参考文献(略)

本文编号：37980