微振动对高标准厂房的结构选型影响

邹利明 （广东省重工建筑设计院有限公司，广东 广州 510670）

1 研究背景

随着工业厂房的不断发展，工业用地显得越来越紧张，因此为深入贯彻落实党中央关于着力振兴实体经济的决策部署，支持制造业企业盘活土地资源，推进土地资源集约节约利用，优化资源配置，提高土地利用率，积极拓展发展空间，优化生产力布局，促进产业集聚，降低制造业企业成本，推动企业规范化、园区化发展，改善生态环境，高标准厂房应运而生。高标准厂房具有层数高、通用性强、荷载大、污染性小、振动小的特点，其对应的服务对象不明，因此会根据入驻的厂家的情况，其荷载分布也会有一定的变化。因此对于有动力设备的高标准层厂房，其存在的结构微振动不能避免，故如何进行结构选型，将微振动的影响控制在结构承载力和的范围之内，控制其受迫振动频率不影响操作人员正常工作，成为厂房结构选型设计中的关键[1]。

2 原理分析

根据结构动力学的原理，结构的受迫振动由以下两个因数决定：一个是外荷载，即扰力源；另一个是结构的自振周期，即结构自身的动力特性，其与外力无关。当结构自身的固有频率与扰力源产生的频率接近时将发生共振，从而形成较大振幅，对产品的加工精度、机器的使用寿命、工作人员的身体健康以及结构本身的安全均带来十分不利的影响，对于某些精密仪器仪表因受其他机器的干扰而无法正常工作。

一般而言，在设计过程中需要使结构的自振频率与外扰力的频率相差较大，这样就可以使整个结构不产生共振[2-4]。一般来说，若设备的强迫振动频率高于结构的自振频率，当设备在开启或停机时，随着设备机器转速的降低，设备动荷载工作频率也会变得越来越小，这样就有可能使设备动荷载工作频率与结构自振频率接近，从而产生共振现象；若设备的强迫振动频率低于结构的自振频率，则基本不会在任何时候发生共振，这样对整个结构是相对较为安全的。

要想实现上述目标，需要从以下两个方面来处理：一是降低机器的振动频率；二是降低结构的自振周期，提高结构自身的刚度。对于机器的振动频率，可以通过在机械的角部增加橡胶垫块等增加阻尼的办法降低其振动频率；对于结构的自振周期，需要通过合理选择结构体系、结构布置等措施提高结构本身的自振周期。本文主要从合理选择结构体系、结构布置等措施来对高标准厂房的微振动进行考虑。

3 结构选型对自振周期的影响分析

为进一步分析结构选型对自振周期的影响，本文采用盈建科软件对以下4个方案的厂房框架结构进行模态分析，从而确定结构的自振频率并确定最优的结构布置。现取柱网8.2m×9m为例，主梁截面采用300mm×700mm；次梁截面采用200mm×600mm；板厚均为120mm；混凝土等级为C30。通过调整次梁的布置：方案一采用设置单根次梁的单向板方案；方案二采用增加三根次梁的单向板方案；方案三采用增加水平和竖向次梁的双向板方案；方案四采用竖向单根次梁，水平两根次梁的双向板方案。上述四个次梁布置方案的计算结果汇总如表1所示，各方案图示如图1～图4所示。

图1 方案一图示

图2 方案二图示

图3 方案三图示

图4 方案四图示

四个次梁布置方案计算结果汇总表 表1

通过对比上述表格可以看出以下结论。

①通过对比方案一与方案二可以看出，随着次梁的间距越小，单向板的跨厚比越小，整体楼板结构的刚度越大，自振频率越高。方案一的跨厚比为1/34，方案二厚跨比为1/22.5，方案二的跨厚比约为方案一的1.5倍，自振频率约为方案一的1.09倍；因此对于单向板，跨厚比越小，自振频率越高，但其增长并非呈现线性关系，自振频率的增长速率明显低于厚跨比的提高速率，所以随着跨厚比变小，自振频率越高，但其增长幅度较小。

②通过对比方案二与方案三可以看出，虽然方案二次梁数量多于方案三，但由于方案二为单向板，方案三为双向板，因此结构整体刚度明显方案三优于方案二，自振频率也较高。方案二厚跨比为1/22.5，方案三的板厚跨比为1/34，方案二的跨厚比约为方案三的1.5倍，自振频率约为方案三的0.94倍；因此对于不同结构布置的单向板与双向板来说，双向板虽然跨厚比比方案二大较多，约1.5倍，但其整体刚度明显比方案二高，其自振频率比方案二高1.06倍，所以可以看出双向板在整体刚度方面有着较明显的刚度优势。

③通过对比方案三与方案四可以看出，通过增加一道次梁后，方案三的板厚跨比为1/34；方案四的板厚跨比为1/25，方案四的厚跨比约为方案三的1.36倍，自振频率约为方案三的1.07倍，因此，随着双向板结构的厚跨比变大，结构的自振频率有一定的上升，但是增长幅度较小。

④通过对比方案二和方案四可以看出，虽然次梁的数量一样；且厚跨比方案二为1/22.5；而方案四的板厚跨比为1/25，但是结构的自振频率方案四是方案二的1.14倍。

通过上述分析可以看出，相同情况下结构的跨厚比越小，结构的自振频率越高，在一定空间内增长明显，但对于跨厚比较小时，其增长幅度较小；相同情况下双向板的自振频率比单向板高，且优势明显。这表明双向板在空间上有更好的刚度，有更大的结构自振频率，因此当有微振动设备时可以优先采用双向板。

4 结语

对于有动力设备的高标准层厂房，其存在的结构微振动不能避免，设计时应通过合理的结构选型将微振动的影响控制在结构承载力和的范围之内。本文采用盈建科软件对厂房框架结构进行模态分析，得出以下结论：

①相同情况下结构的跨厚比越小，结构的自振频率越高，在一定空间内增长明显，但对于跨厚比较小时，其增长幅度较小。

②相同情况下双向板的自振频率比单向板高且优势明显。

③双向板在空间上有更好的刚度，有更大的结构自振频率，因此当有微振动设备时可以优先采用双向板。