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淺談鋼結(jié)構(gòu)樓面動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
論文關(guān)鍵字：動(dòng)力機(jī)器 基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 水平擾力
論文摘要：工業(yè)的發(fā)展促使動(dòng)力機(jī)器布置在多層鋼結(jié)構(gòu)樓面上得以應(yīng)用，但是動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)給建筑物本身帶來(lái)潛在的影響，本文從動(dòng)力機(jī)器的分類出發(fā)，相關(guān)動(dòng)設(shè)備的基礎(chǔ)類型和要求，并具體給出了動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的步驟。
隨著工業(yè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)廠房中大型動(dòng)力機(jī)器設(shè)備（如大容量或超高壓壓縮機(jī)、高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)等）不斷得到應(yīng)用，動(dòng)力機(jī)器產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)隨著基礎(chǔ)傳導(dǎo)到建筑物上，對(duì)人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)不便。因此，在進(jìn)行動(dòng)力設(shè)備地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要控制機(jī)器本身產(chǎn)生的振動(dòng)；另一方面也要盡量減少或消除對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)影響。
1動(dòng)力機(jī)器的分類
動(dòng)力機(jī)器通常按機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力特性分類。很多機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力并不大，例如多數(shù)金屬切削機(jī)床，中、小型電動(dòng)機(jī)等，無(wú)需特殊考慮動(dòng)力問(wèn)題。但有的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大動(dòng)力，必須專門考慮動(dòng)力問(wèn)題，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，不僅影響機(jī)器本身的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且使工作人員操作條件惡化，影響身心健康；同時(shí)，過(guò)大的振動(dòng)通過(guò)地基土傳到附近房屋，影響人們的正常工作和生活，造成精密機(jī)床、儀器儀表不能正常使用。這類機(jī)器稱為動(dòng)力機(jī)器。各類動(dòng)力機(jī)器的動(dòng)力和振動(dòng)是不同的，可根據(jù)振動(dòng)特點(diǎn)分為周期性作用的機(jī)器和間歇性作用或沖擊作用的機(jī)器。
2動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)類型
塊式、框架式及墻式是動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的三種結(jié)構(gòu)類型。
塊式基礎(chǔ)用得最廣泛，適合多種類型的機(jī)器，如曲柄連桿類、鍛錘、電動(dòng)機(jī)、軋鋼機(jī)和金屬切削機(jī)床等。基礎(chǔ)設(shè)有坑、溝、洞，以便安裝機(jī)器、布置設(shè)備和管道，或維修等用，其位置和尺寸由機(jī)器制造廠提供。塊式基礎(chǔ)的剛度很大，振動(dòng)主要由地基彈性變形引起。
由底板、頂板、立柱構(gòu)成的框架式基礎(chǔ)。立柱之間供附屬設(shè)備安放。在頂板安裝機(jī)器和工作平臺(tái)。對(duì)于高轉(zhuǎn)速的機(jī)器（n>3000r/min），可不考慮地基彈性影響。框架式基礎(chǔ)的動(dòng)力計(jì)算按多自由度體系，采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法。容許振動(dòng)用振幅控制 即便產(chǎn)生共振，只要振幅滿足容許值要求就可以 。
墻式基礎(chǔ)是以橫墻代替框架式基礎(chǔ)中的橫向框架。墻厚一般為1/6-1/4墻高，因而剛度較大。破碎機(jī)多采用此類基礎(chǔ)。在兩垛墻之間的空間設(shè)置運(yùn)輸皮帶和漏斗。動(dòng)力計(jì)算時(shí)，在與水平擾力相垂直的方向，如墻的凈高不超過(guò)墻厚4倍，可當(dāng)作塊式基礎(chǔ)計(jì)算。否則兩個(gè)方向均按框架式基礎(chǔ)計(jì)算。
3鋼結(jié)構(gòu)樓面基礎(chǔ)混凝土的要求
1)基礎(chǔ)尺寸的確定
在確定基礎(chǔ)底面尺寸時(shí)應(yīng)力求不發(fā)生偏心，即機(jī)器擾力作用中心、基組質(zhì)量中心（簡(jiǎn)稱“質(zhì)心”）、基礎(chǔ)底面形心在一條鉛直線上。這樣，不僅可以避免不均勻沉降，而且可以減少振型，簡(jiǎn)化動(dòng)力計(jì)算。設(shè)計(jì)中調(diào)整基礎(chǔ)尺寸，使“三心”成一鉛直線的工作稱為“定心”。嚴(yán)格的定心不易做到，但必須力求做好一些。
2）確定基礎(chǔ)混凝土的重量
設(shè)計(jì)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的基本目標(biāo)是限制其振動(dòng)幅度以滿足機(jī)器本身和附近設(shè)備、儀器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和不干擾鄰近工作人員和居民的工作和生活的要求。最早的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采取加大基礎(chǔ)質(zhì)量來(lái)控制其振動(dòng)、而并不進(jìn)行振動(dòng)分析和計(jì)算。例如習(xí)慣的做法是要求大塊式混凝土基礎(chǔ)的重量至少為機(jī)器重量的2—5倍。這種方法，對(duì)于地面上的基礎(chǔ)，初看似乎有些道理．但實(shí)際上是一種陳舊的辦法，因?yàn)樗鲆暳擞绊懟A(chǔ)運(yùn)動(dòng)的其他各種不同因素，干擾力的類型和頻率、地基土的性質(zhì)等等，若單純?cè)黾踊A(chǔ)的質(zhì)量，是可以降低基礎(chǔ)的自振頻率，這對(duì)于低頻機(jī)器并不安全，對(duì)于中頻和高頻機(jī)器又可能過(guò)于保守。而對(duì)于鋼樓面的動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)卻是尤為重要，我們碰到一個(gè)項(xiàng)目，碳酸鉀廠房20米標(biāo)高樓面的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用聯(lián)合基礎(chǔ)，先安裝一臺(tái)，另一臺(tái)為預(yù)留基礎(chǔ)。由于本次設(shè)備改造，原預(yù)留的設(shè)備基礎(chǔ)影響新設(shè)備的安裝，就對(duì)原預(yù)留的一半設(shè)備基礎(chǔ)進(jìn)行去除等設(shè)備就位后再恢復(fù)，業(yè)主為了省事就沒(méi)有恢復(fù)預(yù)留的一半基礎(chǔ)。結(jié)果該設(shè)備帶動(dòng)一半基礎(chǔ)的振動(dòng)引起周邊梁的振動(dòng)超出允許的限值，振動(dòng)速度達(dá)到3.8~4.2mm/s。嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)。業(yè)主采取了很多辦法均未能解決問(wèn)題。最終還是恢復(fù)原樣，問(wèn)題才得以解決。這種傳統(tǒng)方法，由于簡(jiǎn)便，至今還在一定范圍內(nèi)繼續(xù)應(yīng)用。
4動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)下鋼梁的動(dòng)力計(jì)算 在鋼結(jié)構(gòu)樓面設(shè)計(jì)中，動(dòng)力設(shè)備支撐鋼梁的計(jì)算是一項(xiàng)重要的工作。由于動(dòng)力計(jì)算的繁雜特性，使得在具體的工程設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行若干簡(jiǎn)化才能達(dá)到進(jìn)行鋼梁的動(dòng)力計(jì)算。目前，國(guó)標(biāo)《多層廠房樓蓋抗微振設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50190)只是適用于動(dòng)力荷載小于0.6KN的中小型機(jī)床、制冷壓縮機(jī)、電機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵等設(shè)備作用下的樓面動(dòng)力計(jì)算和振動(dòng)設(shè)計(jì)，對(duì)于樓蓋控制點(diǎn)合成振動(dòng)速度不得大于1.5mm/s。對(duì)于較大的動(dòng)力設(shè)備則需要通過(guò)具體的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。
鋼結(jié)構(gòu)樓面中動(dòng)力設(shè)備的支撐鋼梁必須在滿足承載力要求的基礎(chǔ)上，合理控制鋼梁的剛度，從而避免產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)位移，不滿足使用要求。在進(jìn)行樓面動(dòng)設(shè)備支撐鋼梁設(shè)計(jì)時(shí)需要在掌握設(shè)備資料的前提下，通過(guò)合理的計(jì)算，防止動(dòng)設(shè)備和樓面基礎(chǔ)發(fā)生共振，從而達(dá)到控制動(dòng)位移，使得結(jié)構(gòu)布置合理。鋼結(jié)構(gòu)樓面動(dòng)設(shè)備支撐鋼梁的動(dòng)力計(jì)算步驟如下：
1）獲取動(dòng)設(shè)備信息
在進(jìn)行動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須清楚動(dòng)設(shè)備的相關(guān)資料，如設(shè)備靜載的位置、大小和方向，設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)擾力的方向及大小，以上信息可以參考的設(shè)備供應(yīng)商提供的設(shè)備說(shuō)明書(shū)。
設(shè)備的干擾力值的大小一般均可以在設(shè)備資料中查得，但是國(guó)產(chǎn)設(shè)備對(duì)擾力值的提供欠缺，為此，對(duì)于擾力值缺失的動(dòng)力設(shè)備(機(jī)床、電機(jī)、制冷壓縮機(jī)等)的基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須通過(guò)GB50190—93中的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。
2）樓面鋼梁固有頻率的計(jì)算
當(dāng)樓面支撐鋼梁的固有頻率與設(shè)備的自振頻率相近時(shí)，就會(huì)使得鋼梁產(chǎn)生過(guò)大的位移變形，影響正常的使用。為此，對(duì)于具有動(dòng)設(shè)備的樓面鋼梁，一般均應(yīng)要求鋼梁的固有頻率f必須比設(shè)備的自振頻率高出或低出20%。
對(duì)于質(zhì)量分布不均勻，但是集中質(zhì)量和均布質(zhì)量相比可以忽略不計(jì)時(shí)，可以參照GB50190—93 第 6.3.6 條中的規(guī)定將集中質(zhì)量轉(zhuǎn)換成均布質(zhì)量，然后再利用式3進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)集中質(zhì)量和均布質(zhì)量相比不能忽略不計(jì)時(shí)，則可以全部按照集中質(zhì)量進(jìn)行求解。
3）鋼梁的位移控制
①鋼梁位移允許值的確定
鋼梁的振動(dòng)位移必須使得設(shè)備能夠正常的運(yùn)行和操作，對(duì)于精密設(shè)備，允許值隨著設(shè)備精度的提高而相應(yīng)的提高，一般應(yīng)當(dāng)保證在0.01mm以下，對(duì)于振動(dòng)比較大的設(shè)備(如振動(dòng)篩)應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的工作環(huán)境由操作人員設(shè)定。容許的振動(dòng)位移可以根據(jù)工作環(huán)境的不同，通過(guò)各種振動(dòng)對(duì)人體的影響程度得到極限速度和極限加速度。
�、谡駝�(dòng)位移的確定
結(jié)論
由上可見(jiàn)合理地設(shè)計(jì)機(jī)器基礎(chǔ)，可使其振動(dòng)減小到足以保證機(jī)器平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)和不干擾鄰近設(shè)備、操作人員和居民的工作和生活。為此加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和研究具有十分重要的意義。
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