某煤矿筛分车间结构设计中的振动问题分析

某煤矿筛分车间结构设计中的振动问题分析
摘要：论文结合具体工程实例，介绍山西某煤矿筛分车间结构设计中主要动力
设备支承梁如何避免与动力设备发生共振及遇到发生共振问题的解决方法。

讨论
了多层工业厂房不仅要考虑常规荷载，还必须考虑由大型动力设备产生的振动荷
载引起的以楼盖为主的垂直振动和整体的水平振动。

关键词：工业厂房；振动荷载；自振频率；共振；结构设计
前言
在多层工业厂房中，由于工艺布置流程，一些大型的振动设备在使用过程中会产生较大
的往复振动，这些往复振动直接做用在楼层上，会导致楼盖产生竖向振动或水平振动。

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梁的自身频率相重叠，产生共振导致梁
的竖向振幅叠加急剧增大，影响设备的正常使用，甚至危害承重构件的安全，这种情况在动
力荷载较大时尤为明显。

对于有动力设备的多层工业厂房，结构振动往往不能完全避免，故
如何将振动的影响控制在结构安全的范围之内，控制在不影响厂房内敏感设备和操作人员正
常运行的范围之内，解决振动问题就成了厂房结构设计中的关键。

因此，在厂房结构设计时不仅要保证结构的承载力和变形能满足使用要求，更重要的是
要避免在设备运转过程中结构构件与设备发生共振，从而保证设备的平稳运行，保证结构的
安全和设备操作人员的身体健康。

1.理论分析方法
由动力学理论可知，有两个方面的因素控制着结构的振动：一个是设备自身的运转频率；另一个则是结构自身的动力特性，即结构的自振频率。

当结构自身的某阶固有频率与设备的
运转频率接近甚至吻合时将发生共振，从而形成较大振幅、高动应力和高等级噪声等。

通常
采取的最有效最简单的措施就是使其避开共振。

避开共振有二种途径：一是调整机器的运转
频率；二是改变结构的自振频率。

对于频率已经确定的定型设备，从结构方面采取措施就是
选择适当的结构自振频率，使其远离设备激振力频率。

一般地说，若结构的自振频率低于设
备的强迫振动频率，则有发生高频共振的可能性，当设备在开启或停机时，随着设备机器转
速的变换，设备动荷载工作频率也随之变化，会发生设备动荷载工作频率穿越结构自振频率
从而产生穿越共振；若结构的自振频率高于设备的强迫振动频率，则不可能发生共振，是比
较安全的。

故《选煤厂建筑结构设计规范》GB50583-2010第6.3.16条规定：对承受动力荷载
的结构，当其自振频率或振动位移（计算振幅）满足下述条件时，可不进行内力计算，但应
按动力系数法对结构进行静力计算：1梁第一频率密集区最低自振频率计算值大于设备的扰
力动频率；2梁与柱的最大振动位移扣除支座位移后不超过自身长度的1/40000。

在具体设计中，我们可以根据“结构的第一频率密集区内最低自振频率计算值大于设备的振动频率”这一
原则来进行。

只对直接承受动力荷载的梁作避振的计算，也就是对梁的自振频率进行设计与
调整。

作为直接振动梁支座的间接振动梁，一般则不再考虑避振（但作静力计算时，由直接
振动梁传来的集中荷载要考虑动力系数，柱子计算时则动力系数不必考虑，动力系数一般由
工艺专业提供）。

《选煤厂建筑结构设计规范》GB50583-2010规定动力设备，按其振动频率可划分为三类：转速n400r/min的为低频类，400n2000r/min的为中频类，n2000r/min的为高频类。

经验表明，影响楼面垂直振动的是中频设备，影响楼面水平振动的是低频设备。

一般土建工程楼盖
的竖向振动频率在9-20Hz。

在结构设计时，要根据振动设备的工作方式，尤其是振动方式，
采取合理的方法达到避免共振的目的。

对于低频类设备，因其振动频率远低于楼盖的竖向振
动频率，在设计过程中可不进行楼盖的自振频率计算，不考虑共振问题；对于中频类设备中
频率在20Hz以下的设备，因其振动频率在楼盖的竖向振动频率区间内，如设计不合理，极
易发生共振，在支承设备的结构梁设计中，应采取措施使其竖向自振频率大于设备振动频率；对于高频类及中频类设备中频率在20Hz以上的设备，因其振动频率高于楼盖的竖向振动频率，在支承结构构件的设计中，应使其在承载力和变形符合规范要求的前提下，尽量减小自
振频率，使其自振频率低于设备的振动频率，从而避免共振。

2.结构自振频率计算
在设计确定直接振动梁的固有振动频率时，应根据结构的实际情况来确定计算简图，也
就是梁的支座、梁本身的断面（刚度）、梁上的荷载等的确定。

从YBJ55-90《机器动荷载作
用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规程》中梁的自振频率计算公式看：式中：为固有频率系数；为梁的刚度；m为梁的单位长度质量；L为梁的跨度。

梁的自
振频率随其刚度的增加而提高，随其均布质量的增加而降低。

计算刚度时，根据矩形截面梁
的截面惯性矩计算公式，其中梁的高度起到关键作用，只要变化梁高，通过试算，就使梁的
自振频率远大于设备的振动频率。

当梁高受到其他因素的限制而不能自由取值时，可以采取
增加梁宽、提高混凝土强度等级的方法提高梁的刚度。

以上措施不能有效解决问题时，就要
考虑改变结构布置，缩短梁的跨度。

计算均布质量m时，要考虑结构自重、固定设备重，以
及那些长期作用的荷载。

对于梁上或梁边的临时堆载、由设备产生的动荷载以及人群出现时
的短暂荷载等，采取周全的做法，即在计算梁的自振频率时，对荷载的取值考虑两种情况：
一是只考虑结构自重和长期作用的设备重；二是除考虑上述质量外，再加上使用时的一些临
时荷载。

取这两种情况下梁的自振频率的较小值，从而能比较全面地考虑最不利情况的发生。

然后根据“梁的第一频率密集区内最低自振频率计算值大于设备的振动频率”这一原则，来进
行梁的截面的设计，满足这一要求的振动梁可以只需考虑设备的动力系数后按一般的静力计
算即可。

3.工程实例
山西煤炭运销集团某煤矿筛分车间为多层钢筋混凝土框架结构，横向2跨（2x7.5m），
纵向5跨（2x6m，2x7.5m，3.5m），主要建筑平面有-0.700m，5.800m，10.300m，15.000m，18.300m等层，建筑高度24.1m。

由于工艺初步设计方案中，结构专业没有参与，建筑物的柱距和层高卡的比较紧，设备
布置的非常局促，2层和3层楼面均有较大振动设备，其中2层为两台双齿辊式破碎机，每
台自重10t，工作时产生最大动荷载40t，振动频率为低频类，设备振动频率低于结构自振频率，计算满足承载力要求即可；3层布置两台香蕉形直线振动筛，设备开洞紧靠框架梁，框
架梁的宽度受到限制，检修吊车的布置使部分楼层整体开洞，只有局部楼板布置，其结构整
体性较差。

振动筛的设备参数如下：振动筛带料后质量为30t，由六组预埋螺栓固定在大梁上，工作时每支点产生最大动荷载2.5t，设备的转速为730r/ min，振动筛振动频率16Hz左右，属中
频振动。

计算时需要严格将结构的自振频率控制在16Hz以上20%，一般控制在20Hz以上较
安全，以免振动筛在运行过程中穿越结构自振频率产生共振现象，影响结构使用及安全。

计算梁的刚度时，梁的截面只按矩形考虑，未考虑现浇板的刚度，一方面是因为筛子下
开孔较大，另一方面是有利于今后厂房的改扩建或设备的更换，也可以作为一种结构上的安
全储备。

在本例中，通过反复调整梁的刚度，控制梁的自振频率超出设备自振频率20%以上，确
定最优截面梁尺寸，并最终计算确定了振动梁的自振频率大都超过了20Hz，满足规范要求，
故未再作动内力计算；通过计算机有限元软件进行整体内力分析，在保证结构安全的前提下，将设备工作时产生的动力荷载按照相关规范乘以相应的动力系数，按照活载布置在结构上做
静力计算，经过计算机有限元软件整体内力分析后进行整体结构设计。

由于筛分车间的工艺流程并不要求有大量生产人员长期滞留于楼面上，操作区的最大振
动速度v完全满足规范的要求。

车间建成投入使用以来，各方面性能反映良好，说明了对厂
房车间内振动荷载的处理是成功的。

4.结语
在对布置有振动设备的多层工业厂房结构设计中，不应只满足于结构的承载力和变形计算，采取有效措施避免在设备运转过程中结构构件与设备发生共振，更是不容忽视的问题。

由于共振产生时，对结构的危害过大，我们在设计时应避免设备的振动和承重结构的自振频
率相重叠，避免结构在共振作用下变形及频率骤增发生破坏。

在结构体系的选择上优先采取
整体性好的结构方案，并合理的布置承重构件，从整体上增强建筑物抗水平振动及抗扭转的
能力。

减少设备振动最有效的措施是设置减振、隔振措施，这样能够在有效地减少频率的同
时减少振动幅度。

当设置减振、隔振措施后仍不能避免振动频率或幅度过大时，需要通过反
复调整梁的刚度，控制梁的自振频率超出设备自振频率20%以上来避免共振的产生。

工业厂房中振动设备的振动问题是结构设计的重点和难点。

本文通过理论分析结合工程
设计中的实际问题，对工业厂房的振动问题，从设备、结构布置和计算方法等方面提出了具
体的要求和措施，为多层工业厂房的振动问题的解决提供了参考依据，可用于指导设计工作。

参考文献
[1]高红珍.选煤厂主厂房结构设计中的振动荷载问题[J].煤炭工程，2003，5：26-27.
[2]GB50583-2010.选煤厂建筑结构设计规范[S].
[3]YBJ55-90.机器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[S].
[4]GB50040-96.动力机器基础设计规范[S].
[5]GB50190-93.多层厂房楼盖抗振设计规范[S].。