钢结构楼面动设备基础设计

【摘要】：工业的发展促使动力机器布置在多层钢结构楼面上得以应用，但是动设备的振动给建筑物本身带来潜在的影响，本文从动力机器的

分类出发，相关动设备的基础类型和要求，并具体给出了动设备基础设计的步骤。

【关键词】：动力机器基础设计水平扰力

中图分类号：TG95 文献标识码：TG

随着工业的发展，钢结构厂房中大型动力机器设备(如大容量或

超高压压缩机、高转速汽轮机等)不断得到应用，动力机器产生的振

动会随着基础传导到建筑物上，对人们的生产生活带来不便。因此，

在进行动力设备地基基础设计时，一方面要控制机器本身产生的振

动；另一方面也要尽量减少或消除对周围环境产生的振动影响。

1．动力机器的分类

动力机器通常按机器在运转时产生的动力特性分类。很多机器运

转时产生的动力并不大，例如多数金属切削机床，中、小型电动机等，

无需特殊考虑动力问题。但有的机器运转时产生较大动力，必须专门

考虑动力问题，如设计不当，不仅影响机器本身的正常运转，而且使

工作人员操作条件恶化，影响身心健康；同时，过大的振动通过地基

土传到附近房屋，影响人们的正常工作和生活，造成精密机床、仪器

仪表不能正常使用。这类机器称为动力机器。各类动力机器的动力和

振动是不同的，可根据振动特点分为周期性作用的机器和间歇性作用

或 中击作用的机器。

2．动力机器基础类型

块式、框架式及墙式是动力机器基础的三种结构类型。

块式基础用得最广泛，适合多种类型的机器，如曲柄连杆类、锻

锤、电动机、轧钢机和金属切削机床等。基础设有坑、沟、洞，以便

安装机器、布置设备和管道，或维修等用，其位置和尺寸由机器制造

厂提供。块式基础的刚度很大，振动主要由地基弹性变形引起。

由底板、顶板、立柱构成的框架式基础。立柱之间供附属设备安

放。在顶板安装机器raT作平台。对于高转速的机器(n>3OOOr／min)，

可不考虑地基弹性影响。框架式基础的动力计算按多自由度体系，采

用结构动力学方法。容许振动用振幅控制即便产生共振，只要振幅

满足容许值要求就可以。

墙式基础是以横墙代替框架式基础中的横向框架。墙厚一般为

1／6-1／4墙高，因而刚度较大。破碎机多采用此类基础。在两垛墙之

间的空间设置运输皮带和漏斗。动力计算时，在与水平扰力相垂直的

方向，如墙的净高不超过墙厚4倍，可当作块式基础计算。否则两个

方向均按框架式基础计算。

3．钢结构楼面基础混凝土的要求

1)基础尺寸的确定

在确定基础底面尺寸时应力求不发生偏心，即机器扰力作用中

心、基组质量中心(简称“质心”)、基础底面形心在～条铅直线上。

这样，不仅可以避免不均匀沉降，而且可以减少振型，简化动力计算。

设计中调整基础尺寸，使“三心”成一铅直线的工作称为“定心”。

严格的定心不易做到，但必须力求做好一些。

2)确定基础混凝土的重量

设计动力机器基础的基本目标是限制其振动幅度以满足机器本

身和附近设备、仪器的正常运转和不干扰邻近工作人员和居民的工作

和生活的要求。最早的设计方法是根据经验，采取加大基础质量来控

制其振动、而并不进行振动分析和计算。例如习惯的做法是要求大块

式混凝土基础的重量至少为机器重量的2—5倍。这种方法，对于地

面上的基础，初看似乎有些道理但实际上是一种陈旧的办法，因为

它忽视了影响基础运动的其他各种不同因素，干扰力的类型和频率、

地基土的性质等等，若单纯增加基础的质量，是可以降低基础的自振

频率，这对于低频机器并不安全，对于中频和高频机器又可能过于保

守。而对于钢楼面的动设备基础却是尤为重要，我们碰到一个项目，

碳酸钾厂房20米标高楼面的风机基础，两台风机基础采用联合基础，

先安装一台，另一台为预留基础。由于本次设备改造，原预留的设备

基础影响新设备的安装，就对原预留的一半设备基础进行去除等设备

就位后再恢复，业主为了省事就没有恢复预留的一半基础。结果该设

备带动一半基础的振动引起周边梁的振动超出允许的限值，振动速度

文章编号1009—914X(2013)01—0145—01

达到3．8 4．2mm／s。严重影响了正常的生产。业主采取了很多办法均

未能解决问题。最终还是恢复原样，问题才得以解决。这种传统方法，

由于简便，至今还在一定范围内继续应用。

4．动设备基础下钢梁的动力计算

在钢结构楼面设计中，动力设备支撑钢梁的计算是一项重要的工

作。由于动力计算的繁杂特性，使得在具体的工程设计时需要进行若

干简化才能达到进行钢梁的动力计算。目前，国标《多层厂房楼盖抗

微振设计规范》(GB 50190)只是适用于动力荷载小于0．6KN的中小型

机床、制冷压缩机、电机、风机和水泵等设备作用下的楼面动力计算

和振动设计，对于楼盖控制点合成振动速度不得大于L 5mm／s。对于

较大的动力设备则需要通过具体的工程设计经验进行确定。

钢结构楼面中动力设备的支撑钢梁必须在满足承载力要求的基

础上，合理控制钢梁的刚度，从而避免产生过大的振动位移，不满足

使用要求。在进行楼面动设备支撑钢梁设计时需要在掌握设备资料的

前提下，通过合理的计算，防止动设备和楼面基础发生共振，从而达

到控制动位移，使得结构布置合理。钢结构楼面动设备支撑钢梁的动

力计算步骤如下：

1)获取动设备信息

在进行动设备基础设计时，首先必须清楚动设备的相关资料，如

设备静载的位置、大小和方向，设备正常运行时的转速、运行时扰力

的方向及大小，以上信息可以参考设备供应商提供的设备说明书。

设备的干扰力值的大小一般均可以在设备资料中查得，但是国产

设备对扰力值的提供欠缺，为此，对于扰力值缺失的动力设备(机床、

电机、制冷压缩机等)的基础进行设计时，必须通过GB50190-93中

的相应规定进行计算。

2)楼面钢梁固有频率的计算

当楼面支撑钢梁的固有频率与设备的自振频率相近时，就会使得

钢梁产生过大的位移变形，影响正常的使用。为此，对于具有动设备

的楼面钢梁，一般均应要求钢梁的固有频率f必须比设备的自振频率

高出或低出20％。

对于质量分布不均匀，但是集中质量和均布质量相比可以忽略不

计时，可以参照GB50190-93第6．3．6条中的规定将集中质量转换

成均布质量，然后再利用式3进行计算。当集中质量和均布质量相比

不能忽略不计时，则可以全部按照集中质量进行求解。

3)钢梁的位移控制

① 钢梁位移允许值的确定

钢梁的振动位移必须使得设备能够正常的运行和操作，对于精密

设备，允许值随着设备精度的提高而相应的提高，一般应当保证在

0．Olmm以下，对于振动比较大的设备(如振动筛)应当根据具体的工作

环境由操作人员设定。容许的振动位移可以根据工作环境的不同，通

过各种振动对人体的影响程度得到极限速度和极限加速度。

② 振动位移的确定

结论

由上可见合理地设计机器基础，可使其振动减小到足以保证机器

平稳运转和不干扰邻近设备、操作人员和居民的工作和生活。为此加

强对动力机器基础的设计和研究具有十分重要的意义。

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