某工业厂房振动实测研究及减振加固方案设计

O杜小军（中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司 内蒙古 014010）

某工业厂房振动实测研究及减振加固方案设计

O杜小军
（中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司 内蒙古 014010）

神华鄂尔多斯煤制油分公司厂房二层局部楼面长期处于动力振动状态，混凝土持续疲劳工作，致使该处楼板产生明显穿透性裂缝，不仅威胁到设备的正常使用，更关乎到整体厂房结构的安全及工作人员的人身安全，结构安全问题已不容忽视。因此，该厂房结构振动问题亟待解决。本文对该厂房结构及工艺设备进行了实际振动测试，根据实测结果进行了动力分析，并提出了相应的减振加固方案设计建议。

工业厂房；振动测试；减振加固方案设计

1.问题的提出

神华鄂尔多斯煤制油分公司催化剂制备装置煤制浆厂房是煤制浆主要设备安装厂房。该厂房建于2005年，结构型式为框架结构。厂房主体结构一层，带局部二层，一层层高7．970m，破碎机平台位于局部二层处，局部二层层高为3．04m，一层结构平面尺寸为23．55m×9m，柱间距为8．0m、9．0m，主要框架柱截面尺寸1100mm×900mm，主梁截面尺寸300mm×900mm，400mm×1000mm；楼板厚度为110mm。结构所用材料：混凝土采用C40，钢筋采用HPB235、HRB335、HRB400。

该厂房内有一条煤制浆生产线，安装有一台溢流磨、一台破碎机，一台螺旋给料机三台主要设备，其中溢流磨和螺旋给料机安装于一层7．970m，破碎机安装于局部二层3．04m之上，在生产线投用以来，安装破碎机的局部二层3．04m平台以及溢流磨一层7．970m楼板振动一直过大，其中在破碎机西侧一层控制柜操作间地面正常振动达0．479mm，溢流磨控制柜操作间地面也达到0．384mm，严重影响水泥楼板及墙面的安全。

2.振动实测及分析

(1)测试准备

为彻底解决该厂房楼板振动问题，2012年邀请西安建筑科技大学雷怡生教授团队对楼板振动采用系统的测试方法进行实测诊断。测站布置：在厂房一层及局部二层处，楼梯间附近。

1号测点位于破碎机平台电动机旁，分别布置垂直于电动机方向、平行于电动机方向和铅垂方向三个拾振器。

2号测点位于工作室楼板层、破碎机平台的下方，分别布置平行于电动机方向和铅垂方向两个拾振器。

根据测试得到的拾振器的响应幅值，对照有关规范，对楼板的不良振动进行评价。具体测试方案如下：

方案1：两台机组六台设备同时运行；

方案2：A机组三台设备关闭，B机组三台设备正常运行；

方案3：关闭B机组的破碎机，给料机和球磨机正常运行；

方案4：在方案3基础上，关闭B机组的给料机，球磨机正常运行；

方案5：在方案4基础上，开启B机组的破碎机，和球磨机共同工作；

方案6：在方案5基础上，关闭B机组的球磨机；

方案7：在方案6基础上，开启B机组的给料机；

方案8：在方案7基础上，关闭B机组的破碎机；

(2)测试结果统计

地面运动测试结果见表1所示。

项目 单位通道 备注1 2 3 4 5方案1（两台机组六台设备同时运行）加速度最大值 m/s21.056 1.269 1.494 1.788 0.611加速度最小值 m/s2-0.895 -1.295 -1.442 -1.794 -0.552速度最大值 cm/s 0.808 1.181 1.008 1.315 0.319速度最小值 cm/s -0.694 -1.231 -0.982 -1.232 -0.333

表1 地面运动测试结果

(3)测试结果分析

①频谱分析

首先对测试结果进行频谱分析。

在方案1中，当两台机组都运行时，此时的振源最多，即给料机、破碎机、球磨机各两组共六个振源。得到各测点的最大频率值为16．626Hz、16．632Hz、16．620Hz等。可以看出，这些频率值相对较为集中。在方案2中，当一台机组运行时，此时的振源为3个，即一组给料机、破碎机、球磨机工作。该方案下得到各测点的最大频率值为16．644Hz、16．638Hz等。该频率值亦相对较为集中。在方案3中，当一台机组运行时，此时的振源为3个，即一组给料机、破碎机、球磨机工作。该工况下得到各测点的最大频率值为16．400Hz、37．109Hz、27．502Hz、49．762Hz等等。可以看出，该方案下各测点的频率值离散型很大，无规律可循。从方案4开始，随着振源数量的减少，各测点测得的频率值离散性进一步加大，无规律可循。

根据各测点得到的频率值可以看出，频率比较集中的数值体现在16Hz附近，该频率值对应的也是振源工作最多的工况。因此可以推断，该频率值是对结构振动影响最大的数值。

②参数分析

由于结构振动最大频率位于16Hz附近，因此要查清楚产生共振的原因，首先需确定振源的工作频率。根据设备运行参数，破碎机的转子及电动机转速均为960r/min；球磨机的筒体转速：18．77r/min，主电机转速743r/min。由此可知，破碎机的电动机工作是引起楼面振动的主要原因。

(4)理论计算分析

①模态分析

结构的模态分析又称为结构的动力特性分析。结构的模态就是指结构在发生自由振动时所具有的基本振动特性，通常包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度和模态阻尼比等参数，其中最重要的是频率、振型和阻尼比，对于无阻尼系统就是固有频率和振型。对结构体系进行模态分析具有重要意义，其主要原因在于：A．结构的自振频率和振型是结构本身的一种固有属性，它只决定于结构本身的刚度及质量分布情况，因而通过结构的振动频率和振型曲线可以分析结构的刚度大小及其刚度、质量分布的合理性。B．结构在强迫振动时各构件截面的内力和结构的位移与结构的自振频率和振动型式密切相关，自振频率和振型是计算强迫振动（如地震作用和风振作用）的主要参数，因此分析自振频率和振型是研究强迫振动的前提和基础。C．建筑结构即使具有足够的强度来抵抗水平荷载的作用（比如地震作用），使其在水平荷载作用下不发生很大的侧向位移，但这还不足以说明结构的安全性，例如结构在周期性动力荷载作用下是否会发生共振，需要求出结构的自振频率（周期）和振型后进行判断。

结构的动力反应基本方程式可表示为：

[M]{ü}+[C]{u·}+[K]{u}={F(t)} ①

其中，[M]、[K]、[C]分别表示结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{ü}， {u·}，{u}分别表示结构的加速度、速度和位移反应向量；{F(t)}为动力荷载向量。

无阻尼自由振动状态下的动力方程为：

[M]{ü}+[K]{u}=0 ②

令λ=ω2，则∣[K]-λ[M]∣=0 ⑥

求解结构的固有频率和振型在数学上说，就是求解振动方程的特征值和特征向量，因此结构的动力特性分析也就是求解特征值问题。求解特征值和特征向量有很多方法，但比较而言子空间迭代法结合了瑞利-里兹法和迭代法的优点，既用瑞利-里兹法使自由度得到折减，又用迭代法使振型逐步趋于精确解，可以达到更好的效果，因此本章采用了子空间迭代法进行模态方程特征值的求解。

②计算模型

对该厂房结构，在SAP2000软件中，框架梁和框架柱采用空间梁单元（Frame）模拟。钢筋混凝土楼板根据梁的单元剖分情况采用能同时考虑平面内、平面外荷载和变形的空间节点薄壳单元（Shell）模拟，它不但可以计入楼板平面内的变形影响，同时可以很好的反映结构特点，能够顺利的与空间梁单元协调。自振频率计算时分别采用考虑下部框架柱（以下简称模型A）和不考虑下部框架柱模型，即仅考虑楼板自振特性的模型（以下简称模型B）来进行计算，并将计算结果与实测结果进行比较。

3.测试结论及减振加固方案

(1)测试结论

根据上述大量实际测试结果及分析可知，破碎机的电动机工作频率与楼板固有频率接近是引起楼板振动的主要原因；给料机和球磨机的工作频率与楼板的固有频率有一定差别，对楼板的振动影响较小。因此要解决该振动问题，避免破碎机和楼板发生共振，就需要改变破碎机及其电动机的工作频率或改变楼板的自振频率。

(2)减振加固方案设计提出

为彻底解决该厂房的振动问题，避免破碎机与厂房二层楼板发生共振，并考虑到厂房一层工艺设备的安全和正常运行，尽量避免对现有设备及厂房结构做较大的改造及调整，减少对厂房功能的影响，提出三种解决方案。

①加大结构刚度方法

采取加大梁柱截面尺寸、加厚楼板等措施，加固二层楼面的梁柱尺寸。该方法可以提高结构刚度，从而提高结构的固有频率，以达到避免楼板与破碎机的工作频率发生共振的目的。从我国已有的工程经验考虑，该方案施工技术成熟，施工方案易于实现，施工周期短，造价较低。

表2 测试结果

②动力吸振方法

在破碎机平台处加设吸振器来吸收破碎机的振动能量，从而减小楼板的振动。这种方法通过改变整个系统振动能量的分布和传递特性，使振动能量转移到附加吸振器上，从而可以达到控制楼板振动的目的。采用动力吸振方法是十分有效的措施，这种改造方法具有很多的灵活性，其施工操作面较小，对厂房内其他结构构件及设备的影响也较小；但其振动频带相对较窄，对施工工艺的要求较严格。

③隔振方法

在破碎机平台底部与柱节点处加设隔振层，利用隔振层来吸收大部分振动能量，从而达到减小楼板振动的目的。破碎机平台板采用弹簧隔振后，隔振层将破碎机与厂房结构分隔开，破碎机的振动频率不直接传到厂房结构上，从而避免了二者发生共振。同时，采用隔振方法可以提高设备的抗震能力，避免设备受到地震损坏；但该方法对于水平方向的振动控制，适用范围有限，且后期维修加固周期较短。结合现场施工条件和施工技术要求，2013年6月我们采用方案1采取加大结构刚度的方法对一层7．94m的梁柱（300mm×900mm，400mm×1000mm）全部进行加宽加固，其中楼板厚度为110mm。

(3)加固效果分析

为便于对加固后效果进行评估，本着节约的精神，我们公司利用自己已有的一个上海华阳HY-103B工作测振仪对加固前后的数据都进行测量。表2为加固前后在两个系列设备6台设备同时转动的情况下一层7．94m平面和破碎机自身的振动情况，可以看出加固前A1～A3/B1～B3测点振动都在0．138～0．392之间，加固后振动最高仅为0．066，完全小于位移允值为0．15mm；破碎机自体振动也大大降低，符合相关设备振动标准，项目取得完全成功。

4.结论

根据厂房实际振动破坏情况，本文对该厂房结构及工艺设备进行了实际振动测试，根据各测点得到的频率值可以看出，频率比较集中的数值体现在16Hz附近，即该频率值是对结构振动影响最大的数值，继而得到破碎机的电动机工作是引起楼面振动的主要原因。根据实测结果进行了动力分析，提出了三种不同的减振加固设计方案。结合厂房的实际情况，选择加大刚度法进行加固。实际结果表明，采用该方法后，楼板振动幅值大大降低，破碎机振动也得到有效控制，符合相关设备振动标准，取得了良好效果。

[1]徐浩轩.某工业厂房动力特性分析及减振加固方法研究[D].西安建筑科技大学,2014.

[2]王龙.某工业厂房动力机机器工作平台不良振动检测及减振对策研究[D].内蒙古科技大学,2015.

[3]陈彬.多层工业厂房结构动力性能诊断及加固研究[D].内蒙古科技大学,2015.

Vibration Measurement Study and Vibration Attenuation and Strengthening Program Design for One Industrial Building

Du Xiaojun
（Ordos Coal Oil Company, China Shenhua Coal Oil Chemical co ., LTD, Inner Mongolia, 014010）

Part fl oor on the second fl oor of the industrial building of Shenhua Ordos Coal Oil Company is in the dynamic vibration state for a long time, the constant tired work for the concrete, making make the fl oor have obvious penetrating crack, which not only threatens the normal use of equipment, but also have close relation to the safety of the whole factory building structure and staff's personal safety, so the structural safety issues cannot be ignored. As a result, the vibration problems for plant structure need to be solved urgently. This paper takes actual vibration test on the building structure and process equipment and takes dynamic analysis of the measured results, besides, it puts forward the corresponding suggestions for the vibration attenuation and strengthening program design.

industrial buildings；vibration measurement；vibration attenuation and strengthening program design

T

A

杜小军（1976～），男，中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，研究方向：水煤浆。