某工业厂房楼盖振动危害分析

秦 文

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

1 概述

动力设备普遍存在于工业厂房中，如果在设计时对动力荷载考虑欠缺，设备工作时就会导致厂房的不良振动，在影响生产的同时，还会使结构产生裂缝，甚至引起结构破坏。

某工业厂房二层楼面安装有众多动力设备，设备运行期间引起楼面振动，员工振感明显，部分楼板出现裂缝，并影响机床加工精度。考虑到结构使用的安全性，对其结构进行了振动测试。通过对测试结果的分析，得出二楼楼盖振动的主要原因。

2 振动测试工况、测试仪器及测点布置

2.1 测试工况

为准确获得楼盖结构的实际自振频率、阻尼比、振动幅值等动力特性参数，本次测试分为环境激励下的脉动测试和机器运行下的振动测试两种工况。

2.2 测试仪器

中国地震局工程力学研究所研发的891型测振仪。

2.3 测点布置

该工业厂房东西分为Ⅰ,Ⅱ两个区，根据结构平面布置图和机床设备布置情况，测点布置遵循以下原则：1)在两区域的中部都设置固定的参考点，其他测点可以移动；2)其他测点一般为每跨的楼板的中点；3)在板中部楼板(参考点所在区域)，可布置两向1/4跨处的测点，用于检测振动的衰减，并可用于获得楼板的基本振型。

3 脉动测试

为获得结构的自振频率和阻尼，现场测试时分别进行了多次对于环境激励下的结构响应测试以及自由衰减曲线的测试。对测试数据分析处理，可确定楼盖结构的自振频率和阻尼比特性参数。

3.1 频率实测值

为了获得该工业厂房楼盖的自振频率，现场分别在不同区域进行了多次不同环境的环境激励下的结构响应测试，为达稳定测试要求，每次测试的时长取900 s，数据分析采用东方所的软件INV3060v。根据Ⅰ区和Ⅱ区分别在X,Y两个方向上进行脉动测试的谱分析结果可知，Ⅰ区和Ⅱ区各个测点处的自振频率分别为Ⅰ区(X向测点频率：8.586 Hz～11.074 Hz；Y向测点频率：8.586 Hz～13.936 Hz)，Ⅱ区(X向测点频率：8.337 Hz～10.820 Hz；Y向测点频率：8.212 Hz～9.581 Hz)。

3.2 阻尼比实测值

为得到楼板的阻尼比，现场还测量了在外激励作用下楼板自由衰减曲线，通过曲线拟合的方法可以对楼板的阻尼比进行识别。测试数据处理分析时，选取衰减曲线明显的测点进行阻尼识别，Ⅰ区和Ⅱ区的阻尼比实测值分别为Ⅰ区(1.55%～1.83%)，Ⅱ区(1.29%～2.37%)。

3.3 模态参数实测值分析

分析Ⅰ区和Ⅱ区各测点的频率实测值可知，由于各板跨机器布置数量及位置不同，地面堆载情况不同，各测点一阶自振频率有所不同。此外，由于“井”字型楼盖所具有的振型频率密集的特点，实测值在一定范围内波动也是正常的。对于固定参考测点，X，Y两次脉动测试结果是一致的，并且对于机床布置基本相同的Ⅰ区内的测点，一阶频率识别结果均为8.586 Hz，Ⅱ区测点的一阶频率识别结果为8.710 Hz。

分析Ⅰ区和Ⅱ区各测点的阻尼比实测值可知，Ⅰ区内各次测试结果较为稳定，Ⅱ区脉动测试时轴～轴机床设备处于通电待机状态，对阻尼比识别影响较大，各次识别结果较为发散。根据Ⅰ区阻尼比测试结果综合分析，建议用于后续动力分析的本楼盖结构阻尼比取1.50%。

4 机器开动条件下的振动测试

4.1 机器振动频率的分析

为获得机器振动的频率，现场测试时，集中在一台运行正常数控机床上对机器自身的振动进行了多次测试。测点布置为：测点1，2，3设在机床刚性底座的三个支脚上，布置垂直方向拾振器；测点4设在机床刚性底座纵边的中部，布置水平方向拾振器；测点5，6，7设在与测点1，2，3相对应的机床刚性底座支脚楼板上，布置垂直方向拾振器；测点8设在距测点6一定距离(1.2 m，1.5 m)处的楼板上，布置垂直方向拾振器。各测点布置平面见图1。

从多次数控机床振动的时程分析结果可以发现，机器的振动频率主要是在9.44 Hz。

4.2 楼板动力特性分析

为了确定该工业厂房二层楼盖在机器设备运行状态下的振动情况，现场模拟生产操作，开启设备运行，同时测试不同位置楼板的振动参数。现场分别在Ⅰ区和Ⅱ区选取了能代表机器振动对楼板作用最不利情况的布置机器设备较多的楼板区域进行测试。

测试区域内的测试环境分五种：1)开启一台数控机床；2)开启二台数控机床；3)开启三台数控机床；4)开启四台数控机床；5)数控机床全部开启。

由不同区域、不同环境下的振动测试结果可知：

1)楼板振动峰值加速度在测试环境5)的情况下，达到最大。即随着机器开启数量的增加，楼板振动峰值加速度逐渐增大，当开启主测试板跨内的全部机器时楼板振动幅值最大，且出现在跨中位置。

Ⅰ区固定测点加速度峰值最大达到476.7 mm/s2，即4.86%g；Ⅱ区固定测点加速度峰值最大达到367.0 mm/s2，即3.74%g(现场检测时，有两台机器运转不正常)。

2)测试板跨内的楼板振动会向相邻跨楼板传递。相邻跨楼板的振动峰值加速度，随着与振动机器距离的增大而逐渐减弱。

3)参考《建筑楼盖结构振动舒适度技术规范》(2015年征求意见稿)中给出的车间峰值加速度限值为2.0%g(参考GB 50868—2013建筑工程容许振动标准的车间办公室和生产操作区(暴露时间8 h)的舒适性降低界限的竖向容许加速度值推算而来)。

该工业厂房楼盖振动峰值加速度已超过限值的2.43倍，振动问题较为严重，需要进行楼盖结构的减振设计。

4)前述楼盖振动最大幅值是在一个测试板跨内开启机器所得结果，若是同时开启多跨板内的机器，楼盖振动有可能出现最不利的组合，振动峰值加速度将会更大。

5 楼盖振动危害分析

该工业厂房的二层楼面密布机器设备，在单个柱间楼盖网格内最多达12台设备。单个机器设备运转，就会引起楼盖的振动；单个柱间楼盖网格多台机器设备同时运转，对楼盖的扰动振动有着叠加增大效应；整个楼层所有机器设备同时运转时，考虑不利组合，对楼盖的扰动振动更加显著。

机器振动测试结果表明，在目前的生产工艺条件下，该工业厂房机器设备的振动主频分布在9.44 Hz附近，对楼板的扰力主频也集中在9.44 Hz附近。Ⅰ区楼盖一阶主频约8.59 Hz，Ⅱ区楼盖一阶主频约8.71 Hz。机器设备运转时对楼盖产生的扰力频率与楼盖本身的自振主频非常接近，有共振效应。共振势必导致楼盖的振动(振动位移、振动速度、振动加速度)倍增或数倍增大。

钢筋混凝土结构构件变形过大，特别是在振动荷载作用下，往复循环变形很容易导致裂缝产生。

对于钢筋混凝土构件，随着结构的振动，将会不断的出现裂缝，裂缝的多少也与振动的强度(振幅)有直接关系。