中欧规范关于动力设备基础计算的比较

刘伟

(中国江苏国际经济技术合作集团有限公司 江苏南京 210008)

机器设备在运转过程中很容易产生不平衡力，对周围建筑物、构筑物和工作人员造成不利影响，基础不仅是安装机器的必要构件，合理的动力设计也是减少机器振动、保证机器稳定性的必需环节。机器设备是石油站场不可缺少的重要组成部分，压缩机、外输泵、发电机等都是功率较大、转速较低，容易产生较大不平衡力的设备，保证这些设备的安全运转是站场运行的前提。

动力机器基础设计规范（GB50040-96）和Code of Practice for Foundations for Machinery(CP2012)是国内外关于基础动力计算的基本规范，本文具体分析一下两种规范体系对动力计算规定的差异。

1 地基动力参数

地基动力参数包括抗压刚度KZ，抗剪刚度Kx，抗弯刚度和抗扭刚度KΨ，对于单质点弹簧模型，这四个参数系弹簧在不同方向上的刚度，是确定基组动力特性的必要条件。规范中这4个参数是以“刚度系数X基础几何参数”的形式出现的，刚度系数()是与地质资料密切相关的数据，一般最准确的获取方式是现场动力实验，两种规范亦建议采用此方法。除此之外，两者也有各自估算地基动力参数的经验方法，下面就此分别说明。

1.1 GB50040-96

国标中地基动力参数是以抗压刚度系数为基数的，抗弯、抗剪、抗扭刚度系数分别是抗压刚度的2.15、0.70、1.05倍。通过土的类型和地基承载力可查表3.2.2（GB50040）获得抗压刚度系数，规范考虑了基础底面积、不同土层的叠加、基础埋深、周围刚性地面对抗压刚度的修正，给出各种不同的修正系数，同时，规范考虑了地基阻尼的影响，并提供了阻尼比的计算公式和修正系数。

1.2 CP2012

CP2012推荐采用D.D.Barkan在‘Dynamics of Bases and Foundations’中的理论计算方法确定地基动力参数。与国标中仅考虑土类型和地基承载力不同，4个参数的取值均由基础底面的长宽比、泊松比、地基动弹性模量、基础底面积共同决定，通过理论计算和实验比较，Barkan建议4个参数的关系如下：

此经验公式与GB50040-96的经验数据有些不同，主要是由于地域性和实验样本等条件的不同所致。

2 控制目标

控制目标是确定动力计算是否满足要求的标准，由于在计算中考虑的参数和安全系数不同，两个规范对控制目标的选择和限值不完全相同。

2.1 GB 50040-96

国标规定“基础顶面控制点的最大线位移不应大于0.2mm，最大振动速度不应大于6.3mm/s”。基组总重心在基础底面的偏心应控制在3%～5%。国标没有频率的控制指标，可能是考虑在控制线位移和速度的前提下，基组的自然频率已经远离了机器不平衡力的共振区，或即使在共振区，由于阻尼的存在也不会发生较大的线位移和速度。

2.2 CP2012

该规范的控制目标较多，包括基础与机器的质量比、基组的重心位置、基组重心的偏心率、基础稳定性与抗倾覆要求、频率比和振幅（最大线位移）。其中，最重要的设计原则是频率比和振幅，频率比是指不平衡力的频率与基组自然频率的比值，重要设备要求＜0.5或＞2，次要设备要求＜0.6或＞1.5。对于通过低频弹性基座隔振的机器，此比值应该大于3。规范中对振幅的限制分为四级，分别是避免破坏机器的振幅（厂商提供）、避免破坏毗邻建筑物的振幅、避免工作人员不舒适的振幅、避免机器过度沉降的振幅。随频率的增加，允许振幅逐渐减小，最大控制值为0.2mm，与国标相同，但CP2012建议还要取1.5的安全系数。在偏心率方面CP2012与国标相似，规定不应超过5%。

表1 振幅计算结果

3 计算方法

单质点弹簧模型是两种规范对该类基础设计的简化模型。为简化计算，规范按照如下4种模态分析后叠加速度和振幅：

（1）竖向振动模态；

（2）扭转振动模态；

（3）纵向水平和前后摇摆振动模态；

（4）横向水平和左右回转振动模态。

4个模态的频率计算基本一致，

（CP2012）

两者对振幅的计算公式也有些差异，GB50040-96分别计算第一、二振型的位移，然后将其叠加得到；而CP2012则是首先计算水平荷载和回转力矩分别产生的位移后叠加。计算思路不同，但得到的结果大体一致，哈法亚油田高压压缩机按两种方法计算的结果如表1所示。

4 结语

分析比较两种不同的规范体系，可以看出两种计算理论均是以单质点弹簧模型的动力计算理论为基础，分析体系的频率和振幅。设计过程中可以互相参考借鉴，保证机器设备的正常运转。

（1）地基动力参数经验取值方法不同，差别很大，建议采用地勘实测动力参数；

（2）国标在控制指标方面描述较少，设计中可以借鉴欧标的某些条款；

（3）计算方法一致，在设计过程中应明确不同参数的含义。