某大型工业厂房振动检测与减振分析

张宜聪，张纪刚，程 赟，时成龙，张梦琳

（1.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033；2.军事科学院国防工程研究院，北京 100036）

随工业技术的革新以及工业需求的快速增长，越来越多的大型动力设备被安装于厂房内部，机械设备运行时会产生较大的多变载荷，引起厂房结构不良振动。这种振动轻则降低厂房内部操作人员的舒适度，降低生产设备的精度，减小设备仪器的使用寿命，影响企业的生产效率；当振动超过一定限值时，厂房整体振动或者扭转，引起装饰装修、屋面防水等附属结构损坏，甚至会造成厂房结构破坏或者倒塌。针对工业厂房的振动问题，我国编制《建筑工程容许振动标准》（GB50868-2013）、《多层厂房楼盖抗微振设计规范》（GB50190-1993）等多部设计规范，厂房振动设计采用动力系数放大的方法[1—2]，虽提高了结构的承载力，但无法对结构共振及受迫振动全面考虑。

针对既有工业厂房异常振动，沈朝勇等[3]基于现场检测分析，提出外包钢板增大结构刚度的方法，很好地解决了厂房设备扰动过大的问题；曾新发等[4]通过对某框架厂房进行动力检测及有限元建模分析，为避免结构振动变形较大，提出设备应尽可能布置在结构刚心，且设备运行频率远离厂房第一阶振动频率，为工业厂房减振设计提供了参考。江志昊等[5]针对某面粉厂打麸机扰动过大的问题，提出在厂房顶部安装多台调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）控制系统，并取得显著减振效果；飞机、动车等对建筑结构的扰动是热点话题之一，针对西安北站大跨度楼盖振动，陈兴等[6]等设计提出多重调谐质量阻尼器系统，并通过对比分析，该系统减振率高达89.2%，有效提升了候车厅乘客的舒适度。

为解决工业厂房复杂的振动问题，本文通过对某大型工业厂房主体结构异常振动进行研究分析，根据企业生产实际及厂房结构提出合理的减振措施，并利用有限元对减振系统设计参数进行优化。

1 厂房振动测试

某大型工业厂房区由主厂房及多个副厂房组成，为更好地对结构振动响应进行分析，将厂房结构进行向量化，以主厂房短轴方向作为坐标轴X向，主厂房长轴方向为Y向，厂房高度方向为Z向，其建筑平面布置如图1所示，主厂房为地上一层，建筑高度14 米，跨度24 米，副厂房高度7 米。工程设计于2013年3月，结构安全等级为二级，使用年限为50年。主厂房结构形式为钢筋混凝土排架结构，屋面采用钢屋架上铺轻质预制板，副厂房为钢筋混凝土框架结构。

图1 工业厂房平面布置图

因企业生产需求，主厂房内部装有多台大型动力设备，副厂房内部无生产设备，动力设备布置如图2所示。设备生产线沿厂房中心对称分布，为减小动力设备运行对主厂房结构的扰动，动力设备安装完全脱离厂房建筑结构，设备基础与地基刚性连接，在生产设备与主厂房结构基础之间设置隔振沟，主厂房结构未采用隔振措施。由前期调研可知，当动力设备运行时，设备基座处产生剧烈振动，严重影响工作人员的正常工作，同时，长期的振动导致主厂房屋面防水系统过早失效，屋面多处出现渗水、漏水等现象。

图2 主厂房内部设备分布图

引起工业厂房异常振动的原因具有多样性，开展现场动力检测是分析结构振动原因最直接的手段，对厂房结构动力特性参数开展分析，以判断引起结构异常振动的原因。

1.1 测点布置

根据现场勘测，机械设备均布设于主厂房内部，且主、副厂房结构相对独立，因测量仪器数量有限，仅对主厂房振动响应进行检测。为得到科学合理的检测数据，加速度传感器布设需要考虑以下几点[7—8]：

1）在结构的中心位置和接近机器设备的位置安放加速度传感器；

2）把加速度传感器安放在振感强烈的位置；

3）加速度传感器布设位置要考虑结构动力特性；

4）安放的加速度传感器应考虑动态信号采集分析系统和信号接收导线的实际情况，在不随意移动加速度传感器的状况下对结构进行动力特性测试。

遵循测点布设原则，在主厂房角柱柱底、3 号轴线中柱柱底、动力设备基座等处布设1#、2#、3#、4#测点；在角柱柱顶、3号轴中柱柱顶、屋架中心布设5#、6#、7#测点；在屋面板角、板面中心、板边缘中心布设8#、9#、10#测点。

1.2 结构自振频率测试

工况1无动力设备运行，利用车辆经过、气流运动等外界环境对结构进行激励，通过对环境激励下结构响应进行计算分析，确定厂房结构的自振频率及振动特征[9—10]。脉动法具有无损伤、无需人工激励等优点，更适合大型结构动力特性的检测。环境激励下5#测点幅值谱曲线如图3所示。

由图3 中5#测点幅值谱曲线可知，主厂房结构第1阶振动频率为3.91 Hz，结构振型特征X向平动；主厂房结构第2 阶振动频率为5.10 Hz，结构振型特征Y向平动。根据现象动力特性检测结果，主厂房结构Y向振动频率高于X向振动频率，与排架结构Y向刚度较高相吻合。

图3 5#测点幅值谱曲线

1.3 设备激励结构响应

工况2 有动力设备运行，通过对动力设备激励下主厂房结构振动响应记录分析，得到引起主厂房结构异常振动的原因及结构振动形式，进一步为减振设计提供数据参考。根据工作人员的操作手册，动力设备将由静止状态开始运行，前5 分钟转速为30 rad，低频率的运行对生产线设备进行预热，避免转速剧增造成仪器损坏；随后5 分钟动力设备转速均匀增大，直至达到最高转速3 300 rad，保持最高转速运行15分钟。其中5#、9#测点加速度时程曲线如图4所示。高频动载激励下主厂房5#测点加速度幅值谱曲线如图5所示。

根据图4 中柱顶（5#）、屋面（9#）等测点加速度时程曲线可知，在外界荷载扰动下，主厂房结构处于一种简谐振动状态，随着动力设备转速的不断提升，受到扰动不断增大，当动力设备运行平稳后，主厂房结构振动响应趋于稳定；由5#测点可知，在机械设备快速提高运转功率的过程中，某一时刻扰动频率与结构固有频率接近，造成振动响应突然增大，此现象随转速的再次变化而消失。根据各测点振动响应分析，当动力设备达到最高转速时，主厂房结构未出现共振现象。

图4 设备激励下结构加速度时程曲线

由图5可知，当电机转子达3 300 rad时，主厂房结构振动频率为54 Hz，与动力设备运行频率相近，设备扰动频率远离主厂房固有频率，引起主厂房异常振动原因主要是自身刚度不足，在高速运转设备激励下时，结构主要承受高频受迫振动。在设备扰动下，结构各测点加速度峰值如表1所示。

图5 设备3 300 rad时结构振动频谱曲线

表1 试验厂房各点加速度峰值表/（m·s-2）

根据表1可知，当动力设备运行时，设备基座处产生较大的振动响应，并引起主厂房结构多向振动，随着建筑高度的增加，振动响应逐渐衰弱，因厂房屋架跨度大、刚度低等因素，相同高度情况下，钢屋架振动响应相对较大。

2 现场振动测试评价

依据日本烟中元弘[11]对建筑振动允许值的总结研究，为保证厂房结构安全，结构振动加速度应小于0.102 g（0.996 m/s2）；在高频设备扰动下，主厂房屋面结构最大水平加速度为0.194 m/s2，屋架最大加速度为0.837 m/s2，远低于结构安全允许值，振动不会引起结构较大变形，但长期的振动易造成构件疲劳损伤，为保障厂房结构安全，需定期对结构进行安全健康检测。

根据《机械振动与冲击建筑物的振动振动测量及其对建筑物影响的评价指南》GB/T14124-2009中对各类振源激励下结构响应范围进行总结，对于安装大型机械且机械与建筑无直接连接的厂房结构，振动主要沿地面传递，结构振动加速度响应不得高于1 m/s2。根据现场检测，在动力设备扰动下，主厂房结构加速度响应远低于结构振动允许值，振动不会对厂房结构造成损坏，结构处于安全限值内。

根据表1 各测点加速度峰值可知，地面加速度峰值为0.264 m/s2，远低于《建筑工程容许振动标准》中规定人员舒适加速度上限值2.016 m/s2，振动不会引起操作人员的不适。

3 工业厂房有限元分析

因企业生产需求的不同，动力设备运转功率不同，对主厂房结构扰动也不相同，当动力设备振动频率与主厂房结构固有频率相近时，引起结构共振响应，结构产生较大的变形，对主厂房结构造成损伤，影响企业的正常生产。因检测时间、检测仪器的限制，现场无法对动力设备所有运转工况进行检测，为更好地对主厂房进行减振设计，基于有限元软件对不同频率扰动下主厂房结构振动响应进行计算。根据相关图纸、图集建立有限元模型，主厂房有限元模型如图6所示。

图6 工业厂房有限元模型

3.1 有限元模态分析

模态是结构固有属性，表现于振动频率、振型特征等多个方面，通过有限元计算与现场检测的对比，验证有限元模型的准确性。本文基于有限元频率提取分析步，采用Lanczos求解器对无阻尼状态下振动模态进行计算，并将计算结果与现场检测结果进行对比，结果如表2所示。

表2 有限元计算与现场检测对比

根据有限元计算结果显示，结构第一振动频率为2.16 Hz，上部结构屋架层整体Y向平动；结构第二振动频率为3.99 Hz，结构振型特征为整体X向平动；结构第三振动频率为5.03 Hz，振型为整体Y向平动，其中短轴处柱变形较大。厂房屋架、厂房X向刚度相对较低，在外界荷载的激励下易产生较大变形。通过有限元计算与现场检测对比，有限元计算第二、第三振型特征与现场检测第一阶、第二阶振型一致，计算结果误差较小，证明有限元模型能够反映主厂房结构真实状态。

3.2 工业厂房谐响应分析

为避免动力设备激励引起主厂房结构共振，同时为减振设计提供数据参考，利用有限元软件对结构的共振频率进行计算。根据现场检测，动力设备运转频率最高为55 Hz，对主厂房有限元模型进行谐响应计算，扫频范围为0～60 Hz，三轴中柱柱顶、L轴中柱柱顶、屋面板板角、屋面板中心等结点位移-频谱曲线如图7所示。

图7 模型节点频率-位移曲线

根据有限元频谱-位移曲线可以看出，当动力设备运行频率为2.17 Hz、3.97 Hz、5.0 Hz时，主厂房结构产生较大振动，主要原因为外界激励与主结构振动频率接近，引起结构共振响应。根据有限元计算结果，主厂房结构Y向平动为主要阵型，参振质量最高，同时结合厂房实际生产需求，确定结构最易产生共振的频率为5.0 Hz，其中3 号轴中柱柱顶、L 轴中心柱顶、屋面板板角、屋面板中心处变形分别为1.10 mm、3.64 mm、1.07 mm、1.15 mm，厂房短轴结构振动响应最大。

4 减振设计及优化

基于现场结构检测、有限元模态分析，试验厂房短轴结构刚度较低，易受外界荷载扰动。结合工业厂房结构形式，提出在轴3～4号短轴柱间布设两组斜支撑，每组支撑选用两根截面尺寸为L90×10的角钢交叉连接，利用有限元对加支撑后模型进行分析，结果如表3所示。

由表3 分析可得，增设柱间支撑能够提高结构刚度，降低结构振动变形，减小动力设备运行的扰动，由有限元对比分析得出，增设柱间支撑能够减小下部结构49.2%的变形，同时能够降低屋面层振动响应。

表3 主厂房结构加固前后变形对比

对于结构共振等复杂状况，增大结构刚度减振效果较差，常规做法是改变设备振动频率使其远离结构固有频率，对于无法改变共振频率的特殊工业厂房，安装调谐质量阻尼器为其振动控制提供了解决方案。TMD 控制系统是由厂房结构及子结构组成，通过改变子结构质量或刚度改变其自振频率，使子结构自振频率接近厂房结构的基本频率或者激励频率，当厂房结构受设备激励而振动时，子结构就会产生一个与厂房结构振动方向相反的惯性力，并将惯性力作用于厂房结构，使厂房结构的振动响应不断衰减并受到控制[12-14]。本厂房基于TMD调频、减振的优势，通过控制调频质量阻尼器系统的开关，使厂房能够承受各种频段下的扰动，满足企业不同生产需求。

在TMD系统的设计中，需根据工程实际状况设计合理的质量比、频率比，阻尼比。根据厂房结构形式，为减小附加质量对主体结构扰动过大，拟定在屋架处均布三台TMD 减振控制系统，安装位置如图8（a）所示，TMD装置质量块选用实心铁块叠加，通过弹簧与底板连接，控制质量块的变形，为增加系统耗能能力，增设小孔径阻尼器。TMD控制系统调控频率设定为5.0 Hz，阻尼比恒定2%，总质量比由1%增加至3%，利用有限元分析安装TMD系统厂房的减振效果，分析结果如表4所示。

表4 TMD控制系统减振分析

图8 TMD装置安装图

根据有限元分析结果显示，在厂房屋架层安装TMD 控制系统具有较好的振动控制效果，TMD 控制系统在阻尼比、频率比等参数不变的情况下，系统的振动控制效果随设计质量的增加而增大，当质量比由2%增加至3%，减振效果变化较小。综合厂房安装空间及经济性，质量比为2%时系统控制效果最佳，最高减振率达到68.4%，同时，由于控制系统的作用，结构振动频率避开设备运行频率，有效避免设备激励引起结构共振。

5 结语

当动力设备运转时产生较大振动，振动由基础传递到结构，引起厂房结构整体振动。基于结构安全及人体舒适度等方面对厂房振动响应进行检测，结合有限元计算分析，得出厂房异常振动原因及振动特征，并根据结构形式及现场检测分析结果提出加强局部刚度和安装调谐质量阻尼器等多种减振方案，通过对某工业厂房的振动响应分析研究，得到结论如下。

（1）当设备转速达到3 300 rad 时，结构未产生共振现象，结构振动是因为自身刚度不足；根据各测点加速度峰值得到，结构最大加速度（峰值为0.194 m/s2）位于刚度较弱的钢屋架，远低于结构振动加速度限值0.996 m/s2，振动不会对结构造成损坏。

（2）设备运行对结构造成一定扰动，振动不会引起场区内工作人员的不适。

（3）安装柱间支撑能够增加结构刚度，减小主厂房结构振动响应。

（4）安装多台调谐质量阻尼器具有较好的振动控制效果，通过TMD 控制系统的作用，改变主厂房结构振动频率，避免设备扰动引起厂房结构共振。