某多层工业厂房楼盖减振方案设计

秦 文

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概况

某工厂金工车间为4层的钢筋混凝土框架结构，采用井字形楼盖，标准柱间距为12.0 m×12.8 m，次梁间距3.2 m，伸缩缝将该车间分为东、西两个区，即Ⅰ区和Ⅱ区，Ⅰ区东西向6跨(①轴～⑦轴)、南北向6跨(轴～轴)，Ⅱ区东西向7跨(⑧轴～轴)、南北向6跨(轴～轴)。

车间内各层均布置了生产加工所用的数控机床，机床重量约2 200 kg，最大负荷300 kg，刀具重量为23 kg(33 kg)，主轴转速150 min-1～24 000 min-1。该车间使用过程中楼盖振动明显，员工能明显感到楼盖的振动，且结构局部出现损伤，振动问题突出，已影响到正常使用和机床的加工精度。

2 楼盖振动情况现场测试结果

为准确获得楼盖结构的实际自振频率、阻尼比、振动峰值加速度等动力特性参数，现场分别在该车间的Ⅰ区和Ⅱ区进行了环境激励下的脉动测试和机器运行下的振动测试，具体测试结果为：Ⅰ区内楼盖的自振频率识别结果为8.572 Hz，Ⅱ区内楼盖的自振频率识别结果为8.719 Hz；Ⅰ区和Ⅱ区内楼盖结构阻尼比的识别结果为1.55%～1.83%；楼盖上所有数控机床运行状态下，Ⅰ区内楼盖的峰值加速度为4.496%g，Ⅱ区内楼盖的峰值加速度为3.151%g；数控机床运行时机床的振动频率为9.44 Hz。

3 减振方案设计与分析

根据现场振动测试结果可知，厂房楼盖振动峰值加速度4.496%g，已超出人长时间所处环境的可接受振动限值，需要对其进行振动控制设计。结合厂房结构布置及车间设备情况，提出以下三种减振设计方案。

3.1 增大次梁截面

增大次梁截面基本不改变结构的整体设计指标，可较为有效地提高构件的刚度，在此优先对本方法进行分析。

次梁截面增大后，采用有限元模态分析，Ⅰ区内楼盖的一阶自振频率由原8.572 Hz提高到9.425 Hz，Ⅱ区内楼盖的一阶自振频率由原8.719 Hz提高到9.595 Hz，增幅均约为10%。采用有限元动力时程分析，模拟Ⅰ区内单块楼盖板跨跨中一台数控机床开启时的振动测试工况，分析得出该楼盖板跨跨中的振动峰值加速度由原2.232%g增大到3.366%g，该楼盖的相邻楼盖板跨跨中的振动峰值加速度由原0.726%g增大到1.146%g，增幅50%～60%。

增大次梁截面，Ⅰ区和Ⅱ区楼盖的一阶自振频率均接近于机床动力荷载的主频9.44Hz，出现共振响应，同时楼盖振动峰值加速度不减反而增大50%以上，并未起到减振效果。

3.2 增大框架梁和次梁截面

增大次梁截面使得楼盖的一阶自振频率提高，但振幅也同时增大，故在此基础上进一步增大框架梁截面，使楼盖一阶自振频率继续提高。根据GB 50190—93多层厂房楼盖抗微振设计规范中关于框架梁最小高跨比1/10的规定，框架梁截面由原600 mm×900 mm增大为600 mm×1 250 mm，混凝土强度等级同原设计。

同样采用有限元模态分析，Ⅰ区内楼盖的一阶自振频率由原8.572 Hz提高到10.779 Hz，Ⅱ区内楼盖的一阶自振频率由原8.719 Hz提高到10.955 Hz，增幅均约为26%。采用有限元动力时程分析，模拟Ⅰ区内单块楼盖板跨跨中一台数控机床开启时的振动测试工况，分析得出该楼盖板跨跨中的振动峰值加速度由原2.232%g降低到0.867%g，该楼盖相邻楼盖板跨跨中的振动峰值加速度由原0.726%g降低到0.215%g，降幅60%～70%。

同时增大框架梁和次梁截面，Ⅰ区和Ⅱ区楼盖的一阶自振频率均满足高频楼盖10.0 Hz以上的要求，楼盖自身刚度和阻尼耗能可有效抵抗机床动力荷载，稳态振动峰值加速度降幅可达60%以上，减振效果明显。

参考GB 50190—93多层厂房楼盖抗微振设计规范6.4.9节给出多台机器同时运转时验算点响应的计算公式如下：

(1)

其中，aj为一台机器运转时验算点产生的振动加速度峰值；m为同时运转的机器台数。

进一步采用有限元动力时程分析模拟了Ⅰ区楼盖上所有机器同步运转时的最不利荷载工况，Ⅰ区内楼盖的最大峰值加速度为3.551%g，超出峰值加速度限值2.0%g(值得注意的是，该厂房各台机器是由单独的控制台进行操控的，整个楼盖中所有机器同步运转的情况是不可能出现的，本分析结果为最不利工况，其最大峰值加速度要大于一般正常使用工况)。

3.3 增加框架柱

从楼盖一阶振动模态可看出，楼盖模态为整体振动，即框架梁柱两侧梁板振动位移呈反对称，楼盖标准柱间距为12.8 m×12.8 m，梁板跨度较大，仅增大水平构件(梁、板)，并不能有效地改变楼盖的整体振动模态，故楼盖自振频率并未大幅提高，可对结构竖向构件(柱、墙)进行加强。

基于上述分析结果，加强结构竖向构件的可行方法是增加框架柱。考虑尽量不影响当前设备布置并能够较为有效的提高楼盖整体刚度，在轴～Ⓕ轴/①轴～轴间楼盖各板跨跨中位置增设框架柱。新增加框架柱截面为700 mm×700 mm，混凝土强度等级同原设计柱。

进一步采用有限元动力时程分析模拟了Ⅰ区内楼盖上所有机器同步运转时的最不利荷载工况，Ⅰ区内楼盖的最大峰值加速度为1.189%g，小于峰值加速度限值2.0%g，减振效果明显。

4 结语

增大次梁截面尽管提高了结构的刚度，但未能将结构频率调出共振区，减振效果不佳，不宜单独使用，应和其他减振措施合并使用。增大框架梁和次梁截面在提高楼盖频率和减振效果上都较为明显，但由于实际楼盖振动较大，减振的幅度很难达到规范要求。增加框架柱不但能将楼盖频率提高到15 Hz左右，而且减振效果明显优于其他三种方案。