淺談鋼結構樓面動設備基礎設計
論文關鍵字：動力機器 基礎設計 水平擾力
論文摘要：工業(yè)的發(fā)展促使動力機器布置在多層鋼結構樓面上得以應用，但是動設備的振動給建筑物本身帶來潛在的影響，本文從動力機器的分類出發(fā)，相關動設備的基礎類型和要求，并具體給出了動設備基礎設計的步驟。
隨著工業(yè)的發(fā)展，鋼結構廠房中大型動力機器設備（如大容量或超高壓壓縮機、高轉速汽輪機等）不斷得到應用，動力機器產生的振動會隨著基礎傳導到建筑物上，對人們的生產生活帶來不便。因此，在進行動力設備地基基礎設計時，一方面要控制機器本身產生的振動；另一方面也要盡量減少或消除對周圍環(huán)境產生的振動影響。
1動力機器的分類
動力機器通常按機器在運轉時產生的動力特性分類。很多機器運轉時產生的動力并不大，例如多數金屬切削機床，中、小型電動機等，無需特殊考慮動力問題。但有的機器運轉時產生較大動力，必須專門考慮動力問題，如設計不當，不僅影響機器本身的正常運轉，而且使工作人員操作條件惡化，影響身心健康；同時，過大的振動通過地基土傳到附近房屋，影響人們的正常工作和生活，造成精密機床、儀器儀表不能正常使用。這類機器稱為動力機器。各類動力機器的動力和振動是不同的，可根據振動特點分為周期性作用的機器和間歇性作用或沖擊作用的機器。
2動力機器基礎類型
塊式、框架式及墻式是動力機器基礎的三種結構類型。
塊式基礎用得最廣泛，適合多種類型的機器，如曲柄連桿類、鍛錘、電動機、軋鋼機和金屬切削機床等�；A設有坑、溝、洞，以便安裝機器、布置設備和管道，或維修等用，其位置和尺寸由機器制造廠提供。塊式基礎的剛度很大，振動主要由地基彈性變形引起。
由底板、頂板、立柱構成的框架式基礎。立柱之間供附屬設備安放。在頂板安裝機器和工作平臺。對于高轉速的機器（n>3000r/min），可不考慮地基彈性影響�？蚣苁交A的動力計算按多自由度體系，采用結構動力學方法。容許振動用振幅控制 即便產生共振，只要振幅滿足容許值要求就可以 。
墻式基礎是以橫墻代替框架式基礎中的橫向框架。墻厚一般為1/6-1/4墻高，因而剛度較大。破碎機多采用此類基礎。在兩垛墻之間的空間設置運輸皮帶和漏斗。動力計算時，在與水平擾力相垂直的方向，如墻的凈高不超過墻厚4倍，可當作塊式基礎計算。否則兩個方向均按框架式基礎計算。
3鋼結構樓面基礎混凝土的要求
1)基礎尺寸的確定
在確定基礎底面尺寸時應力求不發(fā)生偏心，即機器擾力作用中心、基組質量中心（簡稱“質心”）、基礎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，簡化動力計算。設計中調整基礎尺寸，使“三心”成一鉛直線的工作稱為“定心”。嚴格的定心不易做到，但必須力求做好一些。
2）確定基礎混凝土的重量
設計動力機器基礎的基本目標是限制其振動幅度以滿足機器本身和附近設備、儀器的正常運轉和不干擾鄰近工作人員和居民的工作和生活的要求。最早的設計方法是根據經驗，采取加大基礎質量來控制其振動、而并不進行振動分析和計算。例如習慣的做法是要求大塊式混凝土基礎的重量至少為機器重量的2—5倍。這種方法，對于地面上的基礎，初看似乎有些道理．但實際上是一種陳舊的辦法，因為它忽視了影響基礎運動的其他各種不同因素，干擾力的類型和頻率、地基土的性質等等，若單純增加基礎的質量，是可以降低基礎的自振頻率，這對于低頻機器并不安全，對于中頻和高頻機器又可能過于保守。而對于鋼樓面的動設備基礎卻是尤為重要，我們碰到一個項目，碳酸鉀廠房20米標高樓面的風機基礎，兩臺風機基礎采用聯合基礎，先安裝一臺，另一臺為預留基礎。由于本次設備改造，原預留的設備基礎影響新設備的安裝，就對原預留的一半設備基礎進行去除等設備就位后再恢復，業(yè)主為了省事就沒有恢復預留的一半基礎。結果該設備帶動一半基礎的振動引起周邊梁的振動超出允許的限值，振動速度達到3.8~4.2mm/s。嚴重影響了正常的生產。業(yè)主采取了很多辦法均未能解決問題。最終還是恢復原樣，問題才得以解決。這種傳統(tǒng)方法，由于簡便，至今還在一定范圍內繼續(xù)應用。
4動設備基礎下鋼梁的動力計算 在鋼結構樓面設計中，動力設備支撐鋼梁的計算是一項重要的工作。由于動力計算的繁雜特性，使得在具體的工程設計時需要進行若干簡化才能達到進行鋼梁的動力計算。目前，國標《多層廠房樓蓋抗微振設計規(guī)范》(GB 50190)只是適用于動力荷載小于0.6KN的中小型機床、制冷壓縮機、電機、風機和水泵等設備作用下的樓面動力計算和振動設計，對于樓蓋控制點合成振動速度不得大于1.5mm/s。對于較大的動力設備則需要通過具體的工程設計經驗進行確定。
鋼結構樓面中動力設備的支撐鋼梁必須在滿足承載力要求的基礎上，合理控制鋼梁的剛度，從而避免產生過大的振動位移，不滿足使用要求。在進行樓面動設備支撐鋼梁設計時需要在掌握設備資料的前提下，通過合理的計算，防止動設備和樓面基礎發(fā)生共振，從而達到控制動位移，使得結構布置合理。鋼結構樓面動設備支撐鋼梁的動力計算步驟如下：
1）獲取動設備信息
在進行動設備基礎設計時，首先必須清楚動設備的相關資料，如設備靜載的位置、大小和方向，設備正常運行時的轉速、運行時擾力的方向及大小，以上信息可以參考的設備供應商提供的設備說明書。
設備的干擾力值的大小一般均可以在設備資料中查得，但是國產設備對擾力值的提供欠缺，為此，對于擾力值缺失的動力設備(機床、電機、制冷壓縮機等)的基礎進行設計時，必須通過GB50190—93中的相應規(guī)定進行計算。
2）樓面鋼梁固有頻率的計算
當樓面支撐鋼梁的固有頻率與設備的自振頻率相近時，就會使得鋼梁產生過大的位移變形，影響正常的使用。為此，對于具有動設備的樓面鋼梁，一般均應要求鋼梁的固有頻率f必須比設備的自振頻率高出或低出20%。
對于質量分布不均勻，但是集中質量和均布質量相比可以忽略不計時，可以參照GB50190—93 第 6.3.6 條中的規(guī)定將集中質量轉換成均布質量，然后再利用式3進行計算。當集中質量和均布質量相比不能忽略不計時，則可以全部按照集中質量進行求解。
3）鋼梁的位移控制
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鋼梁的振動位移必須使得設備能夠正常的運行和操作，對于精密設備，允許值隨著設備精度的提高而相應的提高，一般應當保證在0.01mm以下，對于振動比較大的設備(如振動篩)應當根據具體的工作環(huán)境由操作人員設定。容許的振動位移可以根據工作環(huán)境的不同，通過各種振動對人體的影響程度得到極限速度和極限加速度。
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結論
由上可見合理地設計機器基礎，可使其振動減小到足以保證機器平穩(wěn)運轉和不干擾鄰近設備、操作人員和居民的工作和生活。為此加強對動力機器基礎的設計和研究具有十分重要的意義。
參考文獻： [1]葉菲.動力設備基礎設計的幾點體會[J].房材與應用,2005,33(184):32-34.
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