动力设备基础设计的几点体会

动力设备基础设计的几点体会摘要：利用对振动基础公式的研究，联系到计算参数选取时需注意的事项，以及改动基组固有频率的方式。

关键词：基组固有频率、扰力频率、固有频率的调整一、前言化工厂的动力设备种类繁多，例如有高低压气体压缩机、大功率水泵、回转炉、电机、离心机、破碎机等，依据工艺要求组装在底层独立基础或者楼层结构上。

从对处理厂房振动问题的意义上来说，土建结构专业更渴望将其建在地表上。

对扰力十分大（规定为15kN）的动力装置，若不采用特别办法，不宜组装在与厂房主体结构连接的楼层上。

即便是和操作层同标高的框架式（或墙式）基础（如大型破碎机）也应当自成系统，与厂房主体结构设缝分开。

有关规定声明当厂房内建设低频且扰力相当大的装置时，需要采用措施预防其与厂房结构产生共振，对建有锻锤类厂房的屋面还应当考虑因为振动导致的额外负载。

长期以来，《梯形钢屋架》（G511）国家标准规定总是采取此种方式来考虑存在较大振动装置车间的屋面额外负载问题，此方法简便、经济适用，受到设计人士的追捧。

实际操作中因为振动导致的问题屡见不鲜。

例如装置自身不能正常运作、地脚锚栓被拔出、墙体开裂、预应力大型屋面板衔接缝间填充材料脱离、影响吊车运转等，严重时可导致厂房报废。

合理设计振动装置基础是确保装置安全工作和正常运行的重要步骤，是工业建筑构型设计的一个重要内容。

这里着重描述地面上动力装置基础设计中需要注意的一些事项。

二、扰力类型各种动力装置所引起的扰力方式是不一样的。

依照装置扰力事项对于水平面的关系，可划分成如下4种：垂直来回振动、水平来回振动、绕垂直轴的扭曲振动和绕水平轴的扭曲振动。

对于一些结构运转复杂的装置，以上基础振动也许还会产生耦合现象。

在动设备基础自身大小设计不合适时，也有可能令装置传递的基本振动产生耦合（如水平来回振动扰力的偏心便会导致水平扭转振动)。

若产生耦合，则必然会令各方位、各种类的扰力及频率对应升高，每个振动频率分布范畴将被拓展更广，导致设计困难。

所以设计中应可能避免因为基础自身因素产生的耦合。

后续将讲到的设计步骤三的目标之一就是预防此类状况的出现，如制约基组重心、形心偏心距，预防地基受动力扰动疲劳而出现基础整体倾斜等其他现象。

三、振动的几个基本概念第一步先回想两个振动运算中最基础的概念和公式。

它们有助于理解规范文件和从概念上指点设计有相当重要的意义。

（1）单自由度无阻尼自由振动圆频率的计算公式为：公式（1）式中：k—硬度常数(也称回复力常数)，说明施加在质点同时顺质点振动方向令其发生单位位移所需要的力。

单位为N/mm、kN/m等；—柔度常数，说明施加在质点上同时顺着质点振动方向的单位力所发生的位移。

和硬度常数k互为倒数，即；m—振动体的质量，针对动力装置基础为基组(基础、上部装置和参加振动的设备的总称)的质量。

单位为kg、t等；---质点在2秒时间内所作的振动次数。

单位是弧度/秒，经常简化为1/秒（1/s)。

系统的自振频率f=/2，说明1s时间内所作的振动次数，单位是周/秒，即所讲的赫兹(Hz)。

国外计算软件输出数据中偶尔也使用英文缩写cps(cycles per second)表明。

从公式(1)中能够知道，仅仅和结构本身特征相关。

施加在结构上的扰力或地面的力都无法令其产生变化。

公式(1)虽然仅仅对于单自由度无阻尼自由振动这种最简易的理想模型得到的结果，但别的种类扰力存在下的有阻尼及无阻尼振动，也全部满足此公式所表现出的振动的基础规律：即加强结构硬度及增强束缚，原有频率增加；增大质量，原有频率降低。

(2)单自由度无阻尼结构在简谐力t影响下，其振幅为：公式（2）因公式（1）得：，代入公式（2）可知：公式（3）上式中即类似于将扰力幅值当作静力负载施加在质点m上时导致的位移，即是动力系数。

从上式可知，当时，，即产生所说共振。

针对实际构型，因为有着阻尼的产生，将会遏制振幅的无限变大。

阻尼的影响仅仅是共振时才会产生显著的影响，而实际设计中如绕过了共振区（工程设计上，通常将的范畴规划至共振区)，于是可以忽视阻尼的影响。

公式（2）仍然是隔振计算分析的基础公式。

四、频率计算中的误差问题结构的自振频率能依据实测或理论运算决定。

通过现有实测数据进行比较分析，在条件相似时得到的数据也许最为可信。

许多重要的工程都经过此测试，为以后的设计积攒了珍贵的资料。

如相关资料收集了山东铝厂和郑州铝厂的部分厂房和构筑物的自振频率测试结果。

实际工程设计中大部分采用的频率值还是理论计算值。

计算机软硬件的迅猛发展以及有限元的应用，大大提高了计算结果的精度和速度。

很多大量应用成熟的结构计算软件已使得动力计算这一过去在结构工程计算方面非常复杂和费时的问题，从计算角度来看已不再成问题。

例如地基（或某一平面结构的支座）的变形对结构固有频率的影响，这一利用计算程序的计算是很简单的，如采取手工计算便是一件十分精细而又繁琐、耗时的工作。

频率的理论运算值与实测值时常出现误差，通常在A20%，有时可到A35%。

设计中需注意到不利条件的作用，参数的选择应该使设计结果是偏向安全的。

所以准确掌握运算参数的物理意义及其对振动的影响就变得特别重要。

当作设计原则提出：在机器扰力圆频率低于基组竖向原有频率时，基础埋深和地面对基础硬度的影响应少考虑；而当机器扰力圆频率高于基组竖向固有频率时，基础埋深和地面对基础硬度的影响需充分考虑。

这类原则表现了应有的灵活性和概念引导设计的重要性，是对设计人士的警示。

五、设计步骤设计时需依装置表知道装置是不是动力装置，依照装置专业条件图检测是否有装置振动参数没作说明的，同时落实减振事项。

动力设备装置基础的设计步骤：1依据装置样本和标准对基础结构的标准敲定基础的形状大小。

2依据装置样本敲定装置静力负载的分布以及扰力大小和方向、扰力频率。

3审核基组质子中心和基础底面形心的偏差距能否符合规范标准。

两者偏差尽量减少最好重合。

4计算基组的自振频率，确定是否位于共振区，设计时尽量避免在共振区作业，若扰力和振幅都较小，能确定没有不良情况存在时，在共振区作业也是可以的。

实际上联合基础或多谐振动的频率散落范畴较大，完全绕开共振区是不经济也是很难做到的。

5计算基础振幅，审查是不是在标准偏差范围内。

在扰力的频率大于基组的频率时，另需要检验经过共振区时的振幅是不是符合装置样本对该片段的要求。

6针对框架式、墙式基础，验算结构在动力影响下的负载能力。

在不符合以上某条时，就应该更改设计重新验算，直到符合为止。

六、调整机组固有频率的方法为减少引起较大振动，需更改基组的原有频率。

装置基础形式有大块式(仅考虑地基的形变，不考虑基础自身形变)、框架式(通常仅考虑框架本身的形变，不考虑地基的形变)和硬度处于二者中间的墙式基础。

不管结构形式怎样，更改基组原有频率概念的出发点都是公式(1)，即在硬度和质量上找方式。

针对仅承载竖向扰力的天然地基上的大块式基础来说，研究更改机组原有频率的方案:由于大块式基础其结构近乎理想材料，所以运算时只考虑地基的形变。

即觉得地基的硬度就是基组的硬度。

采取抗压硬度系数Cz运算地基的硬度，其物理意义是地基表面单位面积上存在的均匀的单位下陷时所需要的力，单位是kN/。

因公式(1)可算出基组原有频率=，S为基底面积。

这样能够知道，为绕开共振区，当扰频相对低时，就需升高。

从上述的表达式中可以看出如果要降低，在设计时需要设计成底面积小，但埋深要大(以增加质量m)。

然而需要小心，细而高的基础时常会导致基础顶面水平振幅增大的负面影响。

因此也能够知道，对桩基在动力装置基础中的运用须有慎重的态度。

如甘肃一工程设计中(临近黄河，是软土地基)，多层厂房基础采取钢筋混凝土浇灌桩，而破碎机基础采取了水泥搅拌桩，搅拌桩顶与基础底面中间设置有碎石褥垫层，两个无法共同工作，降低了破碎机基础的水平振幅，同时节约了成本，通过多年运转没有不良问题出现。

常碰到的压缩机基础的调频方式很具突出性，活塞式压缩机的转速通常小于1000转/min(即一谐扰频小于16.7Hz），是中低频设备。

为增加基组的原有频率，需要降低埋深。

而有时因为厂房地基较深，所以针对功率低于100kW的小型压缩机，有时会把其建在夯实的土层上。

另需考虑到，土层产生的振动密实对基础长期工作的影响。

土层以外设备基础和混凝土地坪间不留缝，目的也是增加其原有频率。

而针对转速高于3000转/min（即扰频大于50Hz）的离心式压缩机基础，基组原有频率为较小，则多将基底与紧邻厂房基础设在相同标高，同时与混凝土地坪间留缝分离。

而针对冲击机器基础，减小振动的最有效方法就是增加基础的质量或者采用隔振方式。

七、其他虽然规定无法完全严格地指明装置基础和厂房基础一定分离，但是除了扰力的确十分小、完全有把握不会对厂房存在影响时，都不可将其临近。

在此问题上不可过分看重计算数据，因为如果导致厂房振动，解决将非常困难。

上世纪60年代，辽宁大石桥某矿破碎车间因破碎机基础与厂房柱基础连接，剧烈的共振令生产不能展开，即使通过多次解决但效果仍不好，最终还是将厂房推掉建设。

如在设计国外某水泥厂时，因为破碎机距离框架柱基础较近，而不得不将柱基础去除，用托柱地梁替代，虽然使造价上升，但清除了麻烦。

此外，针对扰力较小且满足规定的标准时，一些动力基础也能够忽略不计算，详细要求在某些有关标准（主要是行业标准）中有清楚地表达。

针对重要的基础，应当在设计时就提前策划可供未来选取的调频方案，以备不时之需。

另外还需注意，也存在某些振动是因为装置自身的组装不行、隔振无效导致的。

如在某铝厂解决电机振动问题时，查出其原因是因为内电机的几条皮带中的一条破损，为节约成本，没有把全部皮带替换，因为新旧皮带的形变不一样，令转动时电机主轴偏心，因此导致振动。

八、结论动力装置基础设计和非动力装置基础相比较，远远的比其繁琐复杂。

计算上存在许多可变因子，且如果产生问题其解决也十分困难。

为避免问题产生，运算时的参数选值应当需设有余地。

而针对重要的基础尽可能预先策划调频方案。

参考文献：[1] 中国工程建设标准化协会建筑振动专业委员会：《建筑振动工程手册》，《北京中国建筑工业出版社》，2002年01期[2] 胡少伟苗同臣：《结构振动理论及其应用》，《北京:中国建筑工业出版社》，2005年20期[3] 王志从张宇：《设备基础的设计与施工》，《产业与科技论坛》, 2012年24期[4] 严霁：《振动设备基础的分析与讨论》，《山西建筑》, 2008年29期。