建筑结构振动原因及减振措施

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通过系统分析建筑结构在人的活动及设备振动等使用荷载的激励下产生振动的成因及危害,指出现行建筑结构抗振设计方法的不足并提出了改进措施,对采用TMD减振技术解决结构振动问题提出了自己的看法,同时对建筑结构振动的远端传递问题进行了分析,提出了建立设备、结构整体有限元分析的解决方法,为消除结构共振问题提供了系统的解决方案。

关键词:结构振动;结构抗振;技术减振;振动远端传递

建筑结构在人的活动及设备振动等激励下产生振动的问题虽然是工程界的一个老问题,但已有的文献也仅是分别从结构抗振或技术减振的某单一方面进行分析论证,研究振动远端传递问题的文献仅限于在出现结构振动问题后从结构加固方面进行分析论证;实际上建筑结构振动问题是一个综合性的问题,工程设计中需对其进行系统性的分析;实践中的情况也是大抵如此,近年来建筑结构振动问题频频出现也正说明了这个问题。建筑结构在人的活动及设备振动等激励下产生振动的问题,一方面体现在民用建筑领域内人的活动激励导致的楼层振动,另一方面体现在工业建筑领域内设备振动激励引起的结构振动。建筑结构振动轻者会影响人们正常生活、工作的舒适度,重者影响生产的正常运行,更严重者会影响建筑结构的主体安全。解决建筑结构振动问题的思路归纳起来主要在于结构抗振和技术减震两个方面,但更重要是应同时考虑结构振动的远端传递问题[1-3]。

1结构的抗振措施

结构抗振的措施很多,对结构抗振的研究也比较成熟。相比较振动荷载而言,常规静荷载条件下仅考虑满足结构安全时结构构件的刚度是相对较弱的,结构抗振目的主要是协调结构刚度与振动激励力的频率关系避免结构与振动设备发生共振现象。在这一前提下,改变结构主体及结构构件的刚度以减弱结构本身对外干扰力的激励响应,通过改变结构的自身频率回避结构自振频率接近干扰频率进而达到结构抗振的目的,是工程设计人员在遇到结构振动问题时首先要考虑的问题。
1.1振动类型及成因分析
对民用建筑而言,居住类、办公类建筑的振动问题尚不明显,振动表现比较剧烈的主要涉及一些设有较大会议大厅的会展中心类公共建筑、体育场馆类建筑及机场类建筑等,这类建筑的部分楼层在人的活动激励下发生局部楼层振动甚或整栋建筑振动的现象较多。对工业建筑而言,发生建筑结构振动问题的建筑主要涉及一些设有振动设备的多层工业厂房,振动设备开启工作后其振动波通过设备支座激励厂房结构主体,最终引发厂房结构振动问题的产生。根据生产工艺的不同,工业厂房建筑内必然布置较多的机器设备,各设备质量轻重不一,振动强弱不同,工作方式方法各异。即便是相同生产工艺的各个厂房建筑内设备布置方式也千差万别。单就其中的振动设备而言,各个振动设备的工作特性(即工作频率和惯性力大小等)也差别不一。建筑结构的振动和振动设备的工作特性有很大的相关性,钢筋混凝土框架厂房建筑的竖向振动问题基本是由中、高频振动设备的工作振动引起的,钢筋混凝土框架厂房建筑的水平振动问题基本是由低频振动设备的工作振动引起的。民用建筑一般不用考虑设备振动问题,但随着经济的发展,建筑设计、施工技术均发生了巨大进步,设计计算方法的逐步改进,轻质、高强新材料大量使用,建筑物的跨度和规模越做越大,其中一些有代表性的体育场馆、会议展览和机场建筑的楼盖结构设计跨度越做越大,结构体系变得越来越轻柔,大幅降低了楼盖的刚度和阻尼,楼盖自振频率不断降低,此时,人们的正常活动就成了一个主要的振动激励源,当楼盖的自振频率与室内人们活动产生的振动频率接近时,就会发生共振现象,导致较大的振动作用和振幅,影响结构安全和正常使用。
1.2抗振措施
建筑结构的振动主要是通过振幅和频率这两个振动特性反映结构振动问题的。对一确定结构构件而言振动激振力越大,结构振动幅度就越大,也就是结构自身对振动激励的响应程度也越大,降低结构的振动响应,主要是降低结构共振振幅,当振幅小到一定程度时,也就没有所谓振动问题了,这主要体现了振动的振幅属性;同时当结构自身的自振频率与振动设备的激励频率接近时,一个较弱的连续激励也会引发结构产生较大的振幅,这主要体现了振动的频率影响。工业厂房的结构振动问题与其自身建筑结构的动力特性、振动设备的动力特性及振动设备的布置位置相关。厂房内部的工艺设备布置决定了它的结构布局,厂房的结构布局同样决定了其结构动力特性。为从源头避免建筑结构振动问题的发生,在设计之初各相关专业设计人员就应通力配合,工艺设计做到设备布置先进、合理;结构布置做到构件受力明确、结构体系传力路径直接而迅捷。对具体建筑结构而言,确定了整栋建筑结构布局及其主要梁、柱断面,也就确定了其整栋建筑结构的自振特性。对直接承受设备振动干扰的结构构件而言,确定了其跨度、断面及承受的载荷,其自振频率也是固定的,对工程设计人员来说,需要做的就是对一建筑确定合理的结构布置、合理的构件截面,使振动设备的振动频率在建筑结构主体及其结构构件的自振频率的共振区间之外,不使结构主体直接受荷构件发生振动,进而达到使整栋建筑结构不产生振动,从而实现结构抗振的目的。具体到结构设计时,首先应做的是调整直接承受振动激励的结构构件的刚度,一是减弱其对振动的激励响应、在不发生共振时降低振幅,二是使振动设备的频率避开结构的共振频率区间、避免共振发生。一般而言,一个振动构件的自振频率随其刚度的增大而增大,随其质量的增大而减小,同时,其振动的自振频率数目等于其自由度的数目。从理论上讲,研究结构的共振问题必须根据振动结构或构件的自振频谱进行结构振动计算,但从工程实践上以及理论分析看,高阶频谱对结构的影响较弱,一般不予考虑,仅需考虑振动结构或构件的低阶频率就足够满足工程需要了。由于上述多数竖向振动问题是由振动设备的中、高频工作振动引起的、多数水平振动问题是由振动设备的低频工作振动引起的这一规律存在。对布置中、高频振动设备的多层工业厂房,要对建筑结构的竖向振动问题给予特别重视;对布置低频振动设备的多层工业厂房,要对建筑结构的水平振动问题着重考虑。

2结构的减振技术措施

工程设计中应对结构振动问题一般以结构抗振为首要措施,当结构抗振成本较高时,应当采用技术减振措施来应对结构振动问题。目前,采用调谐振动控制技术解决结构振动问题是一个新途径,其中TMD技术是结构调谐振动控制中的一种重要型式。调谐振动控制系统是通过调节附加在主体上的子结构的自振频率实现对主结构的振动反应控制。该项技术已被广泛应用于建筑结构的减振控制工程中,目前,其在高层建筑、大跨桥梁、高耸结构等工程中应用较多,应用于工业厂房建筑解决结构振动问题的工程实例还不多。TMD技术是利用共振原理解决振动问题的,一个TMD系统由质量块、弹簧、阻尼器等部分组成,质量块通过弹簧和阻尼器与主结构相连结。在主体结构受到干扰力作用而振动时,质量块也随即产生惯性运动,当TMD系统的自振频率与主结构的激励频率相协调时,TMD系统将通过弹簧、阻尼器向主结构施加反方向作用力来抵消振源设备传入主结构的扰动力,降低主结构的对干扰力的振动响应,TMD技术系统被动产生的消能能力大小和质量块的大小及它与主结构之间的相对运动相关。TMD系统本身有频率相关局限性。表现在当TMD技术系统的频率与主结构的某一频率接近时,结构的该阶频率振动响应会大幅减小,而结构的其它频率对其响应则无确定性。为了克服TMD技术系统的这种与频率相关的局限性,通常可在一个结构中采用多个TMD技术系统与建筑结构串联,其中每个TMD分别调谐不同的模态频率,采用多个TMD系统能够在较宽频率范围内控制结构的振动。具体工程设计时可利用TMD原理在工程结构中将结构设计成为一个包含主、次结构的一个TMD体系:结构主体部分设计具有较大的刚度,同时设置较柔性的子结构部分,通过子结构来消能减振。TMD技术体系的概念十九世纪初首次由西方人Frahm提出,后经多次演变改进已基本完善。国内对TMD技术的研究相对较晚,基本上是在20世纪初才开始引入该技术,目前,国内大部分高校对此都进行了较深入的研究。TMD技术以往的研究主要是应对风和地震对建筑结构的影响,其在西方的应用实例较多、应用效果比较明显,除风与地震荷载之外,国内对它的研究应用也在往更宽的范围探索:如人的活动对大跨轻质楼盖的激励振动影响、设备振动对工业建筑结构激励振动的影响等。现今该技术在国内还处于推广起步期。TMD减震技术应用于实际工程中需进行详细的时程分析计算。根据具体工程情况考虑质量块的增设问题、质量块相对建筑结构的行程问题、系统支承面与质量块间摩擦阻尼问题。目前工业建筑应对设备振动引发的结构振动问题的减振措施主要是通过设备基座减震技术实现,具体地说,通过在设备基座与建筑结构主体之间设置柔性弹簧、橡胶垫等一般措施,该项减震措施具有相对的局限性,减震效果也受到一定的限制,采用TMD调谐振动控制技术解决厂房结构与设备共振问题的实例还不多。在这方面有很大的探索空间,可以通过移植、改进把这一先进技术应用到工业建筑领域内,尤其是在一些超大型工业厂房工程建设中的应用更具有广阔的前景。

3建筑结构的振动远端传递问题

结构抗振及技术减振分别是解决建筑结构振动问题的两个主要方面,同时,在结构设计时对结构、设备进行统一整体分析以避免发生振动远端传递对解决结构振动问题更为重要。厂房结构振动问题主要分为结构整体水平振动和楼层结构竖向振动两类,而且发生结构水平振动事故较少、发生厂房楼层结构竖向振动事故较多,这其中由振动的远端传递引发的结构振动事故占很大的比例。结构的振动问题分为振源层振动和受振层振动两类:振动设备和楼板振动问题产生在同一位置称为振源层振动;振动设备和楼板振动问题产生不在同一位置称为受振层振动。振源层由于布置有较多的设备,其楼面荷载较重,一般基于强度考虑而言其楼层刚度就设计的比较大,相反,受振层由于布置设备较少,一般设计人员基于常规理念仅考虑规范楼面活载,其楼层刚度就会设计的较弱;同时,由于振源层楼板竖向共振会带来较直观的结构安全性问题,设计人员一般也都会比较关注,结果就容易造成振源层楼板结构刚度过强、振源层楼板结构刚度与受振层楼板结构刚度差别过大等问题,导致即使振源层楼板产生微小振幅的振动,受振层楼板也会产生很大的动力响应,这就是近年来发生受振层振动事故较频繁的主要原因。在这里,受振层是一个广义的概念,它是相对于振源层而言的,它可能是设备振源楼层的相邻上、下楼层,也可能是设备振源楼层的同层左、右相邻跨间,可能是设备振源楼层的远端相邻楼层、跨间,还可能是建筑结构整体与其地基的共振。现在的常规设计手段、设计方法也是产生振动远端传递问题的症结所在,大部分设计单位设计人员在遇到需考虑振动问题的工程时,基本都采用简化的方法进行分析计算。一种方法是仅对直接承受振动荷载的结构构件考虑振动效应,即提高直接承受振动荷载的大梁刚度,不使振动设备与其产生共振,也就是对该承受振动荷载的大梁设计采用刚度控制,整体设计时按常规利用程序设计软件进行空间建模计算,此时不再考虑设备振动对整体结构的效应影响,最多也就考虑一个很小的振动荷载放大系数,从另一方面说现行的一般软件也没有这个振动分析功能,这个设计方法现在在煤炭设计行业较为常用。另一种设计方法是不再对直接承受振动荷载的构件进行单独振动考虑,设计分析时直接利用现行结构设计软件空间建模计算,在荷载输入时再按相关规范对振动荷载乘上一个较大的动荷放大系数,这个方法在机械运输行业常用。严格意义上讲这两种方法都不严谨、都有局限性,也都不能有效考虑振动的远端传递问题。从理论研究的层面来看,有关的研究大都是在出现远端振动问题后着眼于主要受力构件和厂房整体的简化分析上。客观情况是设备振动必然引发其支撑结构振动,振动波就从设备支撑结构传播到整个振源层结构,继而引发整个结构体系的振动,从而使设备的振动波及到整个厂房结构。当某部分楼层结构的自振频率和设备工作频率接近时,就会引发该部分楼层结构共振,当地基条件较差时,振动也会引起厂房地基共振问题,从而加剧受振层振害。这就是造成受振层楼板共振响应的原因。另外,由于造成受振层振动的振源是振动设备,而设备和受振楼板并不在同一位置,在对其进行动力响应分析时也很难采用简化的模型。结构发生远端传递的位置是不特定的,可能是设备振源层上层、上上层,也可能是设备振源层下层、下下层;可能是设备振源层同层其他跨间楼板,还可能是是结构整体与基础共振,在这种情况下采用该文提到的部分结构整体分析可能就不能完全判断出振动远端传递的受振层位置、进而彻底解决振动远端传递问题。[3]要有效地解决振动远端传递问题,至少需要从以下几个方面考虑[4,5]:
1)修正现行的简化设计方法。首先,现行采用的对直接承受振动荷载的大梁设计采用刚度控制,扩大其截面、提高其刚度,不使振动设备与其产生共振,这当然正确,关键是下一步,因为刚度较弱的楼面结构必然对振源的振动响应较大,整体结构设计时就应该在直接受荷大梁的刚度满足需要的同时,有意扩大其他非振动设备布置楼层的刚度,减小其与振动设备楼层的刚度比。当然,这只是一个定性的感念,需要采用程序进行试算调整,由于具体的楼层荷载大小差异、振动频率差异等原因,具体多大的刚度比合适,只能具体问题具体分析。
2)运用TMD等技术减小振动干扰对主体结构的激励。
3)利用新技术改变现行的设计手段。
各设计单位现行的设计手段一般是采用常规的设计软件进行空间整体分析,如采用中国建筑科学研究院的PKPM系列软件、北京盈建科软件公司的盈建科软件、广东的广厦软件、上海佳构软件公司的佳构STRAT软件等,这些软件都没有这方面的振动分析的功能,利用其对振动荷载进行计算设计当然要出问题,要解决这个问题结构设计时最好采用具有有限元振动分析功能的设计软件AYSYS等进行计算分析,同时振动分析应尽对相关影响因素考虑全面,每一个忽视的因素都有可能导致结构振动问题发生,不完备的数据分析结果也是不可靠的,有条件的情况下最好采用第二程序分析复核。同时,由于受振层的动力响应和整个厂房结构体系都有关系,设计时必须建立包含设备、结构在内的整体有限元分析模型。当地基条件较差时,应考虑地基对结构振动的影响及设备和结构连接方式影响等一系列因素。

4结语

建筑结构振动是在结构设计和使用过程中经常遇到的问题,它的成因比较复杂,并且由于每个建筑的实际情况各不相同,故没有固定的解决模式可循。总体来说,结构抗振和技术减振是工程设计中解决结构振动问题的两个主要方面,一般在工程设计中要以结构抗振为主要应对措施,在结构抗振成本较高时要考虑设备减振和结构减振等具体减振措施,同时,建立设备、结构整体模型进行有限元分析计算是保证避免发生结构振动远端传递问题的有效手段。在具体工程中应根据实际情况合理选择经济合理的解决方案,避免工程中出现共振问题发生。

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,2003,35(5):26-27.
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[5]白国良,李红星,陈爱国,等.厂房动力特性测试及加固效果评估[J].世界地震工程,2003,19(2):51-57.

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  • 本文由 发表于 2019年11月7日 09:59:21
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