沈磊
（浙江省工业设计研究院，浙江，杭州，310022）
【摘 要】在工业建筑中，除却地震引起的震动，还存在诸如各种设备运作带来的震动，这些震动往往是引起工业建筑共振的主要因素。如何判断以及避免不必要的共振，对工业建筑的初期建设及后期运作，在工作效率以及经济成本上有着不可忽视的作用。
【关键字】动力荷载；自身频率；共振；结构类型；结构构件
引言
共振(resonance）是指某一物理系统在特定频率下，比其他频率以更大的振幅做振动的情形；这些特定频率称之为共振频率。在共振频率下，很小的周期振动便可产生很大的振动，因为系统储存了动能。当阻力很小时，共振频率大约与固有频率相等。对于工业建筑中的机械设备，共振是指机械系统所受激励的频率与该系统的某阶固有频率相接近时，系统振幅显著增大的现象。共振时，输入机械系统的能量最大，系统出现明显的振型称为位移共振。在机械共振中,常见的有直接作用的交变力、支承或地基的振动与旋转件的不平衡惯性力等。引起共振的频率称为共振频率，近似等于机械系统的固有频率。由此可见，判断以及预防工业建筑中的共振关键在于：确定以及改变设备基础的振动频率与结构构件自身的固有频率的大小关系。
在工业建筑中，由于工艺流程的布置，会采用到一些产生比较大的往复振动的机械设备（比如振动筛等）。振动作用在与之联系的楼层上，使得相应的楼盖系统产生竖向或水平向振动。在竖向振动时由于设备的自振频率和直接承受动力荷载的结构构件的自身频率相重叠，产生共振导致构件的竖向振幅叠加并急剧增大，会影响设备的正常使用和外部构件的安全性能。这种情况在振动比较大的设备上尤为突出。本文主要就工业建筑中的共振现象进行分析与总结。
1．影响工业建筑主体结构振动的因素及危害：
在一般的工业建筑设计中，允许动力荷载的存在，设计时动力荷载按动力系数的比例参与承载力的验算。考虑到共振的因素，主要有以下几条界限限制：
1）承载力条件：设备所在支承结构的承载力需满足包括动力荷载在内的荷载组合效应。满足其承载力要求，有足够的结构刚度。
2）变形条件：支承结构在动力荷载参与的组合效应产生的挠度及裂缝，以及位移不得超过规范的允许限值。
3）舒适度条件：设备产生的振动需要满足人体生理能承受的界限范围。
4）生产条件：设备产生的振动不能影响到生产效率或对生产线造成滞后的影响。振动不能对设备的使用期限造成较大的影响。
5）周围环境的影响：设备振动产生的次生因素不能影响周围的生产或生活。
工业建筑主体结构共振的危害：
1）承载力影响：由于共振产生的构件往复相对大幅度位移造成构件的疲劳，从而降低构件的承载力，使荷载超限造成安全隐患。
2）变形影响：由于支承结构在动力荷载参与的组合效应产生的挠度及裂缝超过规范的允许限值，对设备的使用功能造成影响，造成停工或者误工。
3）舒适度影响：对操作员工的正常操作造成障碍，影响正常的生产。
4）生产条件影响：共振产生的扰力超出设备的允许范围，造成设备运行停滞。
5）周围环境的影响：共振产生的震动及噪音对周围的生产生活产生干扰。
2．判别及解决方法
从共振的概念上分析，判断工业建筑共振的可能性主要为对周期的判断及比较。设计需要考虑的周期为：整体结构平动周期（一般第一,第二周期）;局部构件的自振周期;带转动设备装置的周期。三者太接近则容易引起共振。从在建使用的厂房进行振动观测以及强度计算中可以归纳出大致的估算方法，一般是采用等效荷载的计算进行核算。
从计算因子上分析，可以从设备和结构构件两个方面进行预防解决：
从设备角度分析，可采取隔振或减振措施以减少震动的量，包括位移，速度，加速度等，隔振措施可参考《隔振设计规范》（GB50463-2008）内提及的多种方式。
在现有工程中存在着由于工艺布置原因，受条件限制无法采取隔振或者减振措施。楼层所受的振动的动载无法避免。此时，从设备所在结构构件考虑，可利用构造措施改变结构构件的刚度以改变其自振周期。在实际工程中，往往从工程可行性和投资经济性两方面来权衡采用的措施。这些措施大致分为结构选型和结构构造两方面：
1）结构选型：
从主体材质上分类：现有工业建筑主要分为钢筋混凝土和钢结构两大类。参考《建筑结构荷载规范》附录F的估算公式，结构形式相同时，钢结构的基本自振周期相比较钢筋混凝土结构的要大。从结构类型上分，对于混凝土结构，相同规格的框架结构较带有剪力墙的结构的周期要大。在确定类型时，需根据所用设备自身的频率来选择合适的类型而避免共振的产生。必要时可通过增加结构整体刚度的做法：增设钢筋混凝土墙或设置支撑构件。在满足生产工艺要求的前提下，结构类型尽量简单，整齐，对称。刚度适宜，传力明确，避免平立面不规则的结构体系。对于混凝土结构尽量采用整体现浇结构。
2）结构构造：
适当可采用有加强保证的填充构件来进行局部的刚度调整。通过调整结构构件尺寸对构件刚度进行最为直接的改变。适当布置或调整次梁布置间距，从而改变楼盖的刚度。达到改变自振周期的目的。
3．某工程实例：
拟建某二层平台，上设置筛分设备。一层平台面标高3.000m,为设备操作平台；二层平台面标高6.800m，为下料平台。设备参数：设备自重13吨，设备运行时处理量为200吨/小时，设备运行转速730r/min，振幅A=7-9mm。可见设备运行时荷载较大,竖向振幅较大，在共振情况下危害不可忽视。在前期设计时需考虑结构构件的自身频率避开设备运行时的频率。考虑到理论与实际的偏差，所计算的结构自身频率，按20% 考虑，即ωoi=ωi(1±0.2)。
首先，确定设备的运行频率，由《机械动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规程》2.2.1条得：ωi=2πn/60（n为转速），计算得圆频率为
ωi=76.5rad/s.转换后自身频率f=12.2hz，相应周期T=0.082s。
采用两种结构方案进行设计比较。利用PKPM2010-V2.1进行建模，通过同样的等效荷载进行计算核定。
方案一：钢结构平台，各层平台尺寸如下图，
对比周期可得,钢平台周期T=0.5005s大于混凝土平台周期T=0.3677s,设备的自振周期为T=0.082 s，从结构整体角度分析，两种方案均不易发生共振效应。
从结构构件角度分析：
根据《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）附录C常用结构构件对称型基本自振圆频率计算，平台梁的自身频率理论值ωi=Ω; B=ψI,
参数含义：:梁跨长；：动荷载作用下材料弹性模量（kN/）;
I:梁截面惯性矩； m：梁单位长度质量；Ω：梁的频率系数。
经两方案比较，两方案的构件都不会造成共振。根据构件自身频率的计算数据分析，此项目采用钢构件的自振频率更易接近设备的共振频率，选材时更需注意构件尺寸，故选择结构类型时可侧重采用混凝土结构。反之，若设备频率偏小时，则混凝土结构更容易产生共振效应，需严格控制结构构件的尺寸选择，以避免共振的产生。
4．总结
综上所述，共振会对原有结构造成过大的危害，在设计时应避免设备的振动频率和承重结构的自振频率相近，以避免结构在共振作用下变形过量或者振动幅度剧增而发生机构的损坏甚至倒塌。
在符合工艺设备布置需求的前提下，结构选型优先采取整体性好，且具有较强的抗水平，竖向振动以及抗扭转的结构形式。在构件布置上做到合理布置承重构件，在有条件的情况下，对设备采用减振或隔振的措施，从源头上避免共振的产生。
对已经产生共振的工业建筑，从设备隔振以及改变承重结构自身频率的两个方面入手，统筹考虑方案的合理性和经济性。对于可以中断生产的项目一般可采取减振及隔振措施；对于不可停产的项目，一般采取增加配重或者改变刚度的措施。在实际工程中合理灵活的运用，可以较经济较便捷的预防或者处理好共振带来的危害。
参考文献：
[1]隔振设计规范（《GB50463-2008》）
论文作者:沈磊
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年7月供稿
论文发表时间:2015/11/11
标签：结构论文; 频率论文; 构件论文; 设备论文; 荷载论文; 工业建筑论文; 周期论文; 《工程建设标准化》2015年7月供稿论文;