第28卷第3期2008年6月地 震 工 程 与 工 程 振 动J OURNAL OF EARTHQUAKE ENG I N EER ING AND E NG I NEER I NG V I BRAT ION V o.l 28N o .3Jun .2008收稿日期:2007-12-18; 修订日期:2008-02-20基金项目:教育部科学技术研究重点项目,山东省教育厅科技计划项目(207062);山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(b s 08003);地震工程与工程振动开放实验室项目(2007B01)作者简介:侯兴民(1970-),男,博士,副研究员,主要从事土-结构动力相互作用及信号分析处理方面的研究.E m ai:l houx m@yt .cn文章编号:1000 1301(2008)03 0131 07动力机器基础振动与设计若干问题的讨论侯兴民1,马小燕2,吴汉生2,田启强2(1.烟台大学土木工程学院,山东烟台264005;2.中国地震局工程力学研究所,黑龙江哈尔滨150080)摘要:讨论了 动力机器基础设计规范 (GB 50040-96)中的若干问题,包括质-弹-阻模型、地基动力参数、荷载组合和基础的构造要求等几个方面。
对动力响应,基于弹性半空间理论定义质-弹-阻模型中引入的各个参数(频变),基于该模型计算稳态荷载或暂态荷载作用下基础的动力响应;引入承载力、变形和稳定性等的验算,并在基础的形状尺寸、埋深、材料、配筋等构造方面为设计人员提供指导;对基础的重要程度进行分类,对重要基础,特殊场地条件下的基础,建造时宜考虑沉降等观测手段,及可改变基础固有特性和加固维修等相关的措施。
关键词:动力机器基础设计规范;质-弹-阻模型;地基动力参数;荷载组合;构造要求中图分类号:TU 476.1 文献标志码:ASo m e proble m s about vibration and design ofdyna m ic m achine foundati onHOU X ing m in 1,MA X i a oyan 2,WU H ansheng 2,T I A N Q i q iang2(1.Schoo l ofC i vil Engi n eeri ng ,Yan taiUn i versity ,Yan t a i264005,C h i na ; 2.Ins tit u te ofE ngi neeri ngM echan i cs ,C h i na E arthqu ake Adm i n istrati on ,H arb i n 150080,Ch i na)Abst ract :So m e d i s cussi o ns on Code for Dyna m icM ach i n e Foundati o n Desi g n (GB 50040-96)are had ,i n cl u di n g m ass-spring da m per m ode,l dyna m ic foundati o n para m eters ,load co mb i n ation and structura l requ ire m ents .Frequency dependent para m eters m ay be defi n ed for t h e m ass spring da m per m odel to ca lculate the dyna m ic re sponses to steady and transient l o ads .Foundation beari n g capacity ,defor m ation and stability verifications shou l d be i n troduced i n to the static design.And the struct u ra l requ ire m ents o f foundati o n shape ,size ,e m bedded depth ,m a terial and reinforce m ent shou l d be prescri b ed to guide the desi g n .The i m portant degree of a m ac h i n e foundation shou l d be classified to take d ifferentm easures for the foundation settle m ent observati o n and the possibility o f chan ging foundati o n natura l characteristi c s ,re i n force m ent and repa iri n g after constructi o n .K ey w ords :Code for Dyna m ic M ach i n e Foundation Design ;m ass spring da m per m ode;l dyna m ic foundati o n pa ra m eters ;load co mb i n ation ;str uctural require m ent动力机器基础与建筑物基础有所不同,表现在机器基础主要承受来自上部机器的作用力, 动力机器基础设计规范 (GB 50040-96)(以下简称!动规∀)[1]称之为扰力。
扰力可能是暂态的,也可能是稳态的,不仅能引起基础本身的振动,而且会影响邻近基础的建筑物、其他机器和工作人员。
所以,针对活塞式压缩机、汽轮机组和电机、透平压缩机、破碎机和磨机、冲击机器锻锤落锤、热模锻压力机、金属切削机床等承受荷载类型的不同,!动规∀提出了各自的动力响应计算方法及构造措施。
对动力机器基础设计的目的及要求,!动规∀的表述如下:为了在动力机器基础设计中贯彻执行国家的技术经济政策,确保工程质量,合理地选择有关动力参数和基础形式,做到技术先进、经济合理、安全适用。
动力机器基础设计手册 (以下简称 手册 )对基础动力响应的要求为:对于需要进行动力计算的机器基础,应使得基础振动不超过某一限值,这个限值由以下条件确定:(1)应保证机器本身的正常运转;(2)基础振动所产生的振动波的能量,通过土传播,对邻近人员、仪器、设备和建筑物不产生有害的影响[2]。
George Gazetas 在早期的一项综述文献中,提出机器基础设计的目的:机器基础设计的基本目标是限制其运动幅值以保证机器运行安全,同时不能影响附近的工作人员的正常工作[3]。
可见,3种表述都突出了基础运行的安全,和不能对附近人员、建筑物和机器设备的影响。
值得指出的一点是,!动规∀明确兼顾基础的建造成本。
对不同的机器类型的基础构造设计,应包含一般要求、构造要求、动力响应计算、承载力计算、变形和稳定性计算、检验与监测等方面的内容。
本文将从质-弹-阻模型(有文献称单质点模型,为计算基础动力响应引入的振动模型)、地基动力学参数(动力响应计算、承载力计算、变形和稳定性计算)、机器作用于基础的荷载组合(动力响应计算、承载力计算、变形和稳定性计算)、基础的构造设计等几个方面,在参考文献[4]的基础上,阐述对96!动规∀的一些认识。
1 质-弹-阻模型(单质点模型)为了达到机器基础设计的目的和要求,!动规∀第3.2.6条以基础在上部机器工作过程中所发生的最大振动线位移、速度和加速度作为基本的控制指标,如表1所列,按照!动规∀有关各章对各种型式机器的规定进行计算,幅值应满足如下的要求:A f #[A ](1)V f #[V](2)a f #[a](3)式中A f 、V f 、a f 分别为计算的基础最大振动线位移、速度和加速度,[A ]、[V]、[a ]分别为允许振动线位移、速度和加速度,按表1所列数据采用。
图1 质-弹-阻模型F i g .1 m ass-spri ng-da m per model为计算基础在已知外荷载作用下的最大振动响应,!动规∀采用了图1所示的质-弹-阻模型,正确地定义模型中的各个参数(皆为常数),以模拟基组下的无限半空间。
该模型基于如下的假定:基础为有质量的刚体,地基为无质量的弹簧,并起阻尼器作用。
计算表1所示的不同类型机器基础的动力响应指标,需准确地定义图1所示的抗压(剪、弯、扭)刚度、阻尼比和质量。
而基于地基土为均匀的、各向同性的半空间体的假定,弹性半空间理论已经证明:等价为单自由度模型的基组振动体系的这三个基本物理量都是外荷载频率的函数。
由于与频率无关的常参数质-弹-阻模型系统的稳态响应-频率关系与实际基础系统的相应响应-频率关系不符,为弥补该缺陷,陆顺永根据地基弹性系数与阻尼系数随频率变化的特征,提出了基础-地基振动系统具有频变参数的质-弹-阻模型,并将模型中的刚度定义为k =k 0-k 1 2,阻尼系数定义为c =c 0+c 1 ,利用稳态激励下基础共振位移峰值、共振圆频率、共振位移相位角和任一圆频率上位移的测量值确定引入的4个未知参数[5]。
针对!动规∀采用的单自由度模型,学者们作了很多工作。
比如:王振宇和刘晶波等利用三维粘-弹性人工边界借助大型通用有限元软件,考虑了地基-基础动力相互作用,认为!利用规范采用的质-弹-阻模型,结果过于保守∀[6]。
为克服由于模型影响基础动力响应计算精度,值得引入更复杂的模型,普遍能接受的一个观点是引入采用更多与频率无关的参数集总而成的集总参数模型。
在一般意义上,这是因为集总参数模型物理意义明晰,在外荷载频段上有足够的精度,便于考虑结构的非线性动力响应问题,便于解析或数值计算考虑土-结构动力相互作用问题的基础(或结构)的动力响应。
且尽管集总参数模型引入的各个参数与频率无关,但是整个体系所描述的力-位移关系随着外载频率的变化而改变,这样,适当增加集总参数模型的元件,理论上可以无限地逼近地基阻抗函数的解析解。
132 地 震 工 程 与 工 程 振 动 第28卷表1 !动规∀对不同类型机器基础的动力响应要求(机器制造商或厂家有特殊要求除外)T able1 Dynam ic response requ ire m ents f o r some types f o r mach i ne f oundati ons accordi ng to Code for D yna m ic M ach i ne F oundati on D esi gn 基础类型最大振动线位移最大振动速度最大振动加速度其他动力响应要求活塞式压缩机0.20mm 6.30mm/s汽轮机组和电机基础墙式或大块式基础同活塞式压缩机基础同活塞式压缩机基础框架式基础0.02mm(3000r/m i n)0.04mm(1500r/m i n)对小于75%工作转速范围内的计算振动线位移,应小于1.5倍的允许振动线位移低转速电机0.16mm(<500r/m i n)0.12mm(500~750)0.08mm(>750r/m i n)透平式压缩机 5.0mm/s破碎机基础0.25mm(#300r/m i n)可只做水平向振动计算0.20mm(300<n#750r/m in)0.15mm(>750r/m i n)磨机基础墙式或大块式磨机基础,可不进行动力计算锻锤基础0.8~1.20mm(一类土)0.85g~1.3g锤重不同,需适当0.65~0.80mm(二类土) 0.40~0.65mm(三类土) <0.40mm(四类土)0.65g~0.85g0.45g~0.65g<0.45g乘以不同的系数落锤基础2.5mm0.9g~1.2g一类土0.7g~0.9g 0.5g~0.7g 0.4~0.5g 二类土三类土四类土热模锻压力机基础0.5mm(f n#3.6H z)1.8/f n(3.6<f n# 6.0H z)f n为基组固有频率0.3(6.0<f n#15.0H z)0.1+3/f n(f n>15.0H z)金属切削机床比如W o lf和So m a i n i[7]利用M eek-Ve letsos[8]给出的五参数模型(图2(a))近似地代替埋深和表面基础地基的动力阻抗。