机器振动对工业厂房的影响及控制措施

傅 强 郭正婷

工业厂房在短时的强烈振动和长期的微幅振动作用下可能造成结构的损伤，厂房内敏感仪器和设备受到振动的干扰会影响正常运行，室内的工作人员长期受振动噪声作用会影响正常的工作生活和身体健康[1-3]。除地震外，影响工业厂房的振源主要包括四类[4]:1)外部振源。包括交通运输(如临近厂房的公路和铁路交通以及临近机场的轰鸣及声激励等)和建筑施工(爆破、打桩及振动压密等);2)室内设备。冲压机、锻锤、旋转设备(压缩机、空调机、风机、泵、磨煤机等)及重型设备的运输与操作(如吊车运行等);3)自然振源(如风和水的流动等);4)设备维修和操作人员的活动。研究能量在“振源—传播途径—厂房结构”系统的波动效应，分析振动对厂房的影响，辨识主要影响因素，控制振动产生的影响是亟待解决的工程问题。

1 振动对厂房的影响及影响因素

1.1 振动对厂房的影响

振波沿基础传至墙板和楼板，会产生二次噪声。除噪声的影响外，振动对工业厂房产生的危害有三种形式[5]:1)直接引起厂房损伤:厂房结构在受振前完好，无异常应力变化和受力变形，其破损单纯是由强烈振动作用或与引发厂房共振产生的。2)加速厂房的损伤:厂房在使用期间，由于不均匀沉降、温度变化等原因已存在裂缝和损伤，在长期微幅振动下会加速地基的沉降和裂缝的开展。3)间接引起厂房损伤:对无异常应力变化的厂房，由于振动引起地基变形或失稳(如饱和土软化或液化，边坡塌陷)将造成间接损伤。工厂受振动的影响表现为:墙皮剥落、墙壁龟裂、楼板裂缝、基础变形或沉降、部分或整体倒塌。此外，振动也影响厂房内精密设备和仪器的正常运行，引起读数不准，甚至会造成设备事故[2，5，6] 。

1.2 主要影响因素

1)振源的产生机理、激振强度、振动持时和特性。振源按产生机理不同分为谐波型、冲击型、动力型、随机动力型四类，地基基础与结构的振动存在不同的幅频特性和相频特性。振源的强度和持时与影响程度的大小存在一定关系，振源的频率对不同固有频率的结构和人体器官产生不同程度的影响，随距离的增加衰减程度也不同。波源的周期、能量和形状对传播介质的材料阻尼和几何阻尼产生显著的影响，其波动效应、振波衰减和传播效应决定于振源的特性。

2)在地基和结构中的传播距离和传播规律。根据振源离受振体的距离，以2.5倍R波波长为界区别近源波动场和远源波动场[7]，其振波成分和衰减规律不同。同时，振源的埋深导致波源半径和波源传播介质的弹性性质改变，在近源地面振动较无埋源衰减快，而远源衰减较慢，在一定范围内出现振动聚焦的现象。铁路部门实测[6]，距铁路中心线30 m附近的振动强度达80 dB，但随着距离的增加，强度迅速衰减。在公路交通按一条行车线的距离衰减约3 dB，距离道路中心线50 m，振动衰减 20 dB。振波在不同的地基和结构构件中的衰减规律不同，地基土粘弹性系数越大，衰减越快，密度越高，衰减越慢。饱和软黏土地面波动衰减比相同特征的非饱和土慢。岩石地基近场比一般土类地基衰减快，远场则较慢[5]。振波在非均质和非规整形状的介质中的折射、散射和衍射可导致振幅放大效应。

3)厂房结构和构件的材料特性及动力特性。厂房的使用时间和受损程度不同，其材料退化、结构构件变形、裂缝裂纹的开展程度不同，这些应变型损伤和位移型损伤导致结构位移模态阵型、固有频率、位移频响函数、曲率模态阵型、应变模态振型、应变频响函数不同[8]。厂房的基础、梁柱、楼板等构件和整体结构的固有频率和振型模态是振动响应的主要影响因素。

2 振动的控制措施

振源强度控制措施包括:

1)选择振动较小的机械设备或限制通行交通车辆的载重和车速。

2)减小振源的幅值。振动设备的竖向扰力应通过基组的质心和底面形心，水平扰力应通过基组质心平面，避免产生扭转力矩[5]。对轨道交通，在隔振段应控制钢轨和轨道的不平顺，采用重型钢轨进行无缝焊接。在厂区附近铺设高等级的公路路面，减少路面不平顺。

3)在动力设备冲击面安装阻尼材料，通行列车采用弹性车轮，钢轨表面粘贴阻尼材料。

4)在振动发生的动力设备的摩擦面和钢轨表面涂抹润滑剂。

5)振动设备应错时操作，尽量避免同时运转。

6)动力机器设置弹性阻尼隔振基础，在临近厂区的公路路面铺设橡胶颗粒沥青路面，在轨道交通中采用弹性扣件、轨枕垫、整体式无碴减振道床等。

传播途径控制:

1)进行厂址规划设计时，应将振动敏感的厂房远离交通线路的布置，同时避开振动放大区。进行平面设计时，敏感结构应远离产生振动的设备，强振设备应布置在底层。充分利用振动传播的天然屏障，如沟谷、河渠、山坡、高大建筑物等。

2)增加设备和地铁等振源的埋深，增加地铁隧道壁厚度。

3)在振源到厂房之间设置隔振沟，排桩，板桩墙，波阻块(WIB)，增强土的刚度和阻尼比。

4)将机器的隔振基础与厂房隔离。对振动敏感的厂房应避免设置牛腿支承的吊车和梁下悬挂吊车，宜设置与厂房脱开的龙门吊车或另立梁柱设置吊车或悬挂吊车。

5)对精密仪器和设备采用支承式、悬挂式、地板整体式隔振，阻断振波向敏感设备的传播路径[5，6，9]。

受振厂房控制:1)厂房结构平面和竖向几何形状应对称规则，结构传力简单，构件受力明确。抗侧力刚度均匀对称，相邻楼层层间刚度变化均匀。2)调整设备基础的质量和底面面积，避开设备的扰力频率。应采用现浇整体混凝土结构，避免采用砖基础和装配式基础。地基刚度、阻尼比和参振质量等主要动力特性应满足隔振的需要。地基土应具有均匀的低中压缩性，避免不均匀沉降，有软弱地基、湿陷性黄土、膨胀土、沟坑洞时需要采取相应的措施。受力层有易液化的饱和粉细砂，易振陷的松散砂土或人工填土时，不宜采用天然地基，可采用桩基、强夯、换土垫层等措施。3)应采用现浇钢筋混凝土肋形楼盖或装配整体式钢筋混凝土楼盖。4)采用现浇或整体式框架—抗振墙结构。5)在楼板和其他局部构件中设置减振装置，如在门窗和墙体之间架设减振层。构件间连接可靠，梁柱节点应做成刚性节点在楼板和其他局部构件中设置减振装置，如在门窗和墙体之间架设减振层。构件间连接可靠，梁柱节点应做成刚性节点;楼盖在工艺生产许可下，动荷载(设备)应尽量布置在梁的支座附近，梁应尽量布置成多跨连续的，这样有利于减少振动的影响，单跨钢筋混凝土简支梁，高跨比可取1/6～1/8，对连续跨可取1/8～1/10，梁的跨度应尽量控制在6 m之内。6)采用柔性的接管设施，隔断振动从管道及管道支承构件传至厂房的围护结构。7)单层工业厂房固有频率约为1 Hz～4 Hz，当柱距为6 m时，现浇混凝土楼盖固有频率约为18 Hz～22 Hz，装配整体式楼盖固有频率约为 15 Hz～22 Hz。8)具有振动的设备基础，尽量与主体结构脱开，如喷煤主厂房的磨煤机，筛分室的振动筛，主抽风机室，发电厂的汽轮机基础，均需与主体结构脱开。可调试的机器设备等振源应避开其固有频率，不可调试的振源应加强对低频段的振波隔离，同时厂房结构和构件的振动特性应合理设计，避免发生共振[5，10]。

3 结语

工业厂房的功能用途和重要程度不同，对隔振的要求也不同，应根据具体的技术需要和相应的规范规程选择振动控制标准。在选取振动控制措施时，应基于振动能量的“产生—传递—响应”过程，分析振源特性、传播途径情况、厂房结构类型，从振源的强度控制、振动传播途径控制和受振厂房控制三个方面综合考虑，选择高效经济的隔振减振措施。

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