謝開仲，王紅偉，周劍希，岳 苗，羅 瀟

(1. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004； 2. 廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室， 廣西南寧 530004； 3. 廣西大學(xué)廣西工程防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室，廣西南寧 530004)

0 引 言

工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，對經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展起著重要的推動作用。近些年來，隨著土地資源的緊張和成本的控制，工業(yè)廠房的布置越來緊湊，越來越多的機(jī)器設(shè)備被放置在工業(yè)廠房的高層之中，隨之而來的便是廠房的振動問題，振動成因與加固設(shè)計也成為現(xiàn)有高層工業(yè)廠房加固的關(guān)注焦點和首要考慮問題。目前對于工業(yè)廠房的振動成因和減振[1-6]加固已經(jīng)開展了較多的研究，加固方法和理論也比較多，例如針對振動源采用干擾力反演算法[7]得到干擾力幅值進(jìn)行減振設(shè)計；針對柱子和梁采用擴(kuò)大截面，外包鋼筋混凝土[8]或鋼板等，針對廠房樓板層植入CA砂漿[9]達(dá)到減振效果，針對廠房結(jié)構(gòu)采用增設(shè)阻尼裝置[10-14]也是目前工業(yè)廠房減振研究的熱點，取得的研究成果也比較多；此外還有增設(shè)立柱[15]，增設(shè)鋼梁[16]或鋼支撐[17]，采用預(yù)應(yīng)力鋼帶[18]等方法。將異常振動廠房與附屬建筑物相連[19]增加整體剛度達(dá)到減振效果，此種方法在無附屬建筑物時，對場地的影響比較大。目前這些加固方法多應(yīng)用于低層工業(yè)廠房中，高層工業(yè)廠房中應(yīng)用較少。與低層工業(yè)廠房相比，高層工業(yè)廠房在受力特性方面有明顯區(qū)別，尤其是振動問題，同時由于高層廠房加固空間受限、采光要求高等特點，為了保證加固效果，加固方法的選擇往往受到限制，需要綜合考慮，因此研究高層工業(yè)廠房的振動與加固具有重要的科研意義和工程價值。為此，以某高層工業(yè)廠房為工程背景，采用現(xiàn)場試驗和有限元分析相結(jié)合的方法，針對其異常振動成因和加固前后開展試驗研究，可為同類型高層廠房的異常振動問題解決提供借鑒和參考。

1 高層廠房結(jié)構(gòu)概況

某廠房為框架結(jié)構(gòu)，長138.8 m，寬21.8 m，高23.5 m，整體3層，局部4層，剛度主要由框架提供，3臺機(jī)器設(shè)備位于二樓。在機(jī)器設(shè)備運行過程中，廠房內(nèi)機(jī)器設(shè)備所在樓層振感明顯，影響到作業(yè)工人的舒適感和生命健康，同時也威脅到廠房的結(jié)構(gòu)安全性，急需找到異常振動的成因并采取相應(yīng)的措施。廠房三維視圖見圖1，廠房縱斷面布置圖見圖2。

2 異常振動測試分析

2.1 異常振動測試

測點布置既要能反映結(jié)構(gòu)的振動特性，又要盡可能的精簡，根據(jù)廠房的振動特性和類似工程的經(jīng)驗，該廠房振動測試共計選擇5個測點，布置在廠房二層(機(jī)器設(shè)備所在層)，標(biāo)高7.500 m，測點1至測點4為雙向振動傳感器(廠房長度方向為Y方向，廠房寬度方向為X方向)，測點5為三向振動傳感器(廠房長度方向為Y方向，廠房寬度方向為X方向，廠房豎向為Z方向)，測點平面布置見圖3。

基于廠房和機(jī)器設(shè)備的振動特性，針對運營中振動最明顯的工況，為了更好診斷廠房振動與機(jī)器振動的關(guān)聯(lián)性，考慮到廠房持續(xù)運營的要求，工況設(shè)計如下：工況1為1#機(jī)負(fù)荷100%，2#機(jī)負(fù)荷100%，3#機(jī)負(fù)荷0%；工況2為1#機(jī)負(fù)荷100%，2#機(jī)負(fù)荷100%，3#機(jī)負(fù)荷50%；工況3為1#機(jī)負(fù)荷100%，2#機(jī)負(fù)荷100%，3#機(jī)負(fù)荷100%；工況4為1#機(jī)負(fù)荷50%，2#機(jī)負(fù)荷100%，3#機(jī)負(fù)荷100%；工況5為1#機(jī)負(fù)荷50%，2#機(jī)負(fù)荷50%，3#機(jī)負(fù)荷100%；工況6為1#機(jī)負(fù)荷100%，2#機(jī)負(fù)荷50%，3#機(jī)負(fù)荷50%。

2.2 測試結(jié)果分析與討論

對設(shè)計工況進(jìn)行振動測試，并對5個測點的加速度和速度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，各工況作用下Y方向和Z方向加速度峰值見圖4，Y方向和Z方向速度峰值見圖5，測點5的X方向加速度峰值與速度峰值見表1。

由圖4，5和表1可知：

(1)廠房X方向和Y方向的最大加速度峰值分別為0.800 m·s-2和2.409 m·s-2，均位于工況4的測點5，Z方向最大加速度峰值為0.717 m·s-2，位于工況1的測點4；X方向的加速度峰值全部位于Ⅳ級；Y方向加速度峰值26.67%位于Ⅲ級，53.33%位于Ⅳ級，20%位于Ⅴ級；Z方向加速度峰值3.33%位于Ⅱ級，66.67%位于Ⅲ級，30.00%位于Ⅳ級。綜上所述，廠房Y方向20%達(dá)到了不能忍受的程度，應(yīng)成為加固的重點方向。

表1 不同工況下測點5的X方向加速度峰值與速度峰值Tab.1 Peak Acceleration and Peak Velocity of Measuring Point 5 in X Direction Under Different Working Conditions

(2)廠房X，Y，Z方向的最大速度峰值為4.09，6.302，1.014 mm·s-1，分別位于工況1，3，4的同一點測點5，根據(jù)規(guī)范[20]要求，3個方向的速度值均滿足規(guī)范要求，但Y方向測試速度值為6.302 mm·s-1接近規(guī)范極限允許值6.4 mm·s-1。

與此同時對機(jī)器和廠房的振動測試曲線進(jìn)行分析，機(jī)器和廠房自振特性見表2，可知3臺機(jī)器設(shè)備和廠房在X方向和Y方向上的振動頻率非常接近。

表2 機(jī)器和廠房自振特性測試結(jié)果Tab.2 Test Results of Self-vibration Characteristics of Machine and Industrial Building

由結(jié)構(gòu)振動感覺程度標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)振動加速度超過1.5 m·s-2時人體不能忍受。由表2可知， 3臺機(jī)器設(shè)備和廠房在X方向和Y方向上的振動頻率非常接近，處于共振區(qū)間。綜上所述：基于廠房和設(shè)備的加速度、速度和自振特性分析結(jié)果可知，廠房異常振動是由于結(jié)構(gòu)自振與設(shè)備振動頻率比較接近引起，應(yīng)重點關(guān)注廠房Y方向的振動特性。

3 廠房減振加固設(shè)計

加固方案選擇不僅要考慮加固效果，還要盡可能減少對原結(jié)構(gòu)的擾動，同時也要考慮經(jīng)濟(jì)效果等。目前廠房常用的加固方法主要由以下幾種：增大截面法、碳纖維加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、消能減振法、外包鋼法、增設(shè)支撐和卸載法等，這幾種方法從本質(zhì)上都是為了提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，使廠房能夠更好地適應(yīng)振動，避開與機(jī)器的共振區(qū)間。

針對本工程的實際情況，由于廠房內(nèi)管線布置錯綜復(fù)雜，機(jī)器設(shè)備較多，同時要考慮不能影響原結(jié)構(gòu)采光的要求，盡可能降低對原結(jié)構(gòu)的影響，綜合考慮多種加固方法的優(yōu)劣，最終決定采用短肢剪力墻加固的方法進(jìn)行加固。根據(jù)加固短肢剪力墻的位置，共設(shè)計了3個加固方案，加固方案均是通過短肢剪力墻的方式進(jìn)行加固，不同之處是短肢剪力墻的位置和數(shù)量不一樣，由于廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，短肢剪力墻布置的數(shù)量和位置比較多，限于篇幅，不再列出短肢剪力墻的位置和數(shù)量。

為了更好地進(jìn)行加固方案比選和加固效果驗證，采用通用有限元軟件ANSYS建立廠房加固前后的三維有限元模型，模型采用梁單元Beam189模擬框架結(jié)構(gòu)，采用Shell63殼單元模擬剪力墻，采用質(zhì)點單元Mass21模擬機(jī)器設(shè)備及附加質(zhì)量。

對3個加固方案分別進(jìn)行加固前后對比分析，由于機(jī)器設(shè)備在廠房寬度方向上的強(qiáng)迫振動頻率約為2.96 Hz，與結(jié)構(gòu)自振頻率的比值處于共振區(qū)間，3個方案加固后廠房寬度方向的模態(tài)頻率分別為4.56，4.57，4.36 Hz，與機(jī)器在廠房寬度方向的振動頻率不在共振區(qū)間，均能滿足加固要求，但考慮到廠房結(jié)構(gòu)改動的大小，最終采用了對結(jié)構(gòu)影響最小的短肢剪力墻布置方案。加固后有限元模型見圖6，廠房角隅處增設(shè)短肢剪力墻，見圖7。

4 減振加固后測試分析

4.1 減振加固測試結(jié)果

對廠房采用短肢剪力墻進(jìn)行加固，工況劃分與加固前相同，加固后各測點在不同工況作用下Y方向和Z方向的加速度峰值見圖8，加固后各測點在不同工況作用下Y方向和Z方向的速度峰值見圖9，測點5在不同工況下X方向加速度峰值和速度峰值見表3。

對加固后試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析可知：

表3 加固后測點5在不同工況下X方向加速度峰值和 速度峰值Tab.3 Peak Acceleration and Peak Velocity of Measuring Point 5 at X Direction Under Different Working Conditions After Reinforcement

(1)廠房X，Y，Z方向的最大加速度峰值分別為0.765，1.162，1.536 m·s-2，分別位于工況3的測點2，3，5；廠房X方向加速度峰值16.67%位于Ⅲ級，83.33%位于Ⅳ級；廠房Y方向加速度峰值36.67%位于Ⅲ級，63.33%位于Ⅳ級；廠房Z方向加速度峰值33.33%位于Ⅲ級，63.34%位于Ⅳ級，3.33%位于Ⅴ級。綜上所述，采用短肢剪力墻加固后，廠房3個方向加速度振動特性均得到改善。

(2)廠房X，Y，Z方向最大速度峰值分別為1.666，3.012，1.813 mm·s-1，分別位于工況4的測點5，工況2的測點3，4，根據(jù)規(guī)范要求，廠房3個方向的速度振動特性均得到明顯提高，滿足規(guī)范要求，尤其是廠房Y方向的振動速度。

(3)加固后廠房X，Y，Z方向的一階固有頻率分別為7.83，5.87，10.77 Hz，與加固前X，Y，Z方向一階固有頻率2.94，2.45，10.28 Hz相比，采用短肢剪力墻可以顯著提升廠房的強(qiáng)度和剛度，是一種有效的加固方法。

4.2 加固前后對比分析

對加固前后廠房和3臺機(jī)器設(shè)備在3個方向的振動頻率進(jìn)行對比，見表4。由表4可知，加固后廠房在X方向和Y方向的剛度均有明顯提升，并且加固后結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向的自振頻率與3臺機(jī)器設(shè)備的自振頻率不在共振區(qū)間，經(jīng)現(xiàn)場測試和實地觀察，加固效果良好。

表4 加固前、后廠房自振頻率對比Tab.4 Comparison of Self-vibration Frequency Before and After Reinforcement

對加固前后廠房3個方向的振動加速度峰值和最大振動速度峰值進(jìn)行對比，見表5，加固前后5號測點X方向的加速度峰值和速度峰值對比見表6。加固后廠房Y方向的速度峰值和加速度峰值均得到改善，廠房振動特性得到明顯提升。

表5 加固前、后加速度峰值與速度峰值對比Tab.5 Comparison of Peak Acceleration and Peak Velocity Before and After Reinforcement

根據(jù)加固前后的加速度峰值、速度峰值和自振特性測試結(jié)果可知，采用短肢剪力墻是科學(xué)合理的，能顯著提升廠房的剛度，改善廠房的振動特性，解決機(jī)器與廠房共振的問題。

5 結(jié) 語

(1)機(jī)器設(shè)備進(jìn)入廠房高層之后，機(jī)器與廠房的共振是造成廠房異常振動的主要原因。在高層廠房的早期設(shè)計中，應(yīng)重視機(jī)器設(shè)備進(jìn)入高層廠房的問題以及機(jī)器設(shè)備與廠房的共振問題。

表6 測點5在不同工況下X方向加速度峰值和 速度峰值對比Tab.6 Comparison of Peak Acceleration and Peak Velocity of Measuring Point 5 in X Direction Under Different Working Conditions

(2)采用短肢剪力墻對廠房進(jìn)行加固是科學(xué)合理的，廠房的強(qiáng)度和剛度提高效果明顯。廠房Y方向固有頻率由2.45 Hz提高至5.87 Hz，廠房X方向固有頻率由2.94 Hz提高至7.83 Hz，與機(jī)器沿廠房寬度方向固有頻率2.94 Hz不在共振區(qū)間，廠房的加速度和速度振動特性得到了不同程度的改善，取得了預(yù)期的加固效果。

(3)采用短肢剪力墻對高層廠房的異常振動進(jìn)行加固是科學(xué)合理的，同時具有良好的效果，可為解決同類型高層工業(yè)廠房的異常振動加固問題提供借鑒和參考。