公共建筑结构设计中的设备振动问题

【摘要】公共建筑室内通常会设置各种设备机房，结构设计不仅要考虑常规设备的运行荷载，还须考虑设备在运行过程中产生的振动影响。本文提出了在公共建筑结构设计中，如何通过优化结构布置、选用合适的设备隔振措施以及调整合适的结构自振频率等措施解决设备振动问题。

【关键词】设备振动；结构设计；自振频率；隔振

Equipment vibration problems in structure design of public buildings

Liang Jizhong

（CCCC Airport Investigation and Design Institute Co.， Ltd.，Guangzhou 510230，China）

【Abstract】Structure design should not only consider the running load of equipment， but also consider the vibration effects of equipment operation. In public buildings， in order to solve the problem of equipment vibration， structural design by optimizing the structure arrangement， choose the right equipment vibration isolation device and adjust the structure of the natural frequency of vibration.

【Keywords】Equipment vibration；structural design；natural frequency of vibration；vibration isolation

近年来，公共建筑基本沿着大跨度大柱距的方向发展，为了配合建筑功能及造型需要，结构设计也需要向着轻质、高强、高刚度的目标发展。然而，公共建筑通常需要涵盖各类的设备使用功能，会在室内设置有各种的设备机房，设备机房内的动力设备运行荷载通常会较大，动力设备在运行过程将会产生明显的振动响应，其中，动力设备主要有通排风电机、柴油发电机、消防水泵以及冷却塔设备等。

面对公共建筑内的各种设备振动问题，如何有效确保建筑使用功能的正常使用以及结构的安全可靠就成了结构设计的关键。

1、 设备振动的影响

机房设备在运行过程中会通过设备支座将设备的振动效应传递到结构楼盖，致使结构楼盖产生较大的振动响应，局部的结构构件甚至会随之发生异常振动。另外，由于设备的振动会使结构构件产生受迫振动，这种受迫振动将对公共建筑的使用功能、结构楼盖性能以及结构设计产生以下影响：

1） 使用功能方面

设备的振动效应会通过结构楼盖向周边房间传递，剧烈的振动感觉会对处在设备机房周边的活动人员产生不舒适感，特别对处在设备机房其中的工作人员产生明显的不良感觉，进而会对人体产生较大的心理、生理影响，甚至危害人体健康。

2） 结构楼盖性能方面

剧烈的设备振动会使结构楼盖产生过大的振动响应，如若结构的自振频率与设备运行产生的扰力频率相近时将会引起共振，从而会影响结构楼盖本身的性能，造成结构构件的材料性能下降，严重地甚至会引起结构构件的破坏。

3） 结构设计方面

根据相关规范要求，对承受动荷载的结构应进行振动分析。在结构设计时为了避免进行复杂的结构振动分析，针对承受动力荷载的结构，可参考《选煤厂建筑结构设计规范》[1]相关规定，当其固有自振频率或振动位移满足相关条件时，可不进行动内力计算，但应按动力系数法对结构进行静力计算。

因此，在公共建筑结构设计时必须考虑机房内的设备振动影响，以确保建筑使用功能的正常使用以及结构的安全可靠。

2、 结构设计的原则

为了取得经济合理的结构设计方案，在初步确定建筑平面功能布置时，应结合实际情况针对不同的设备提出具体的结构布置方案，在方案设计阶段将设备振动对结构可能产生的负面影响控制在有限的范围。

在设备用房的柱网、层高以及主要结构形式确定之后，面对机房内的设备振动问题，结构设计遵循的原则是：优化结构布置、选用合适的设备隔振措施以及调整合适的结构自振频率。

1） 结构布置

在设备用房内采用合理的结构布置可有效地减少设备振动产生的负面影响，结构布置时可按以下原则进行：

（1） 在满足建筑功能的前提下宜在机房周边区域设置隔振缝或减振缝，将振动影响范围减少；

（2） 承受动力荷载的楼盖宜采用现浇钢筋混凝土肋形楼盖或装配整体式楼盖，支承梁和楼板的最小截面尺寸要求见表1；

（3） 有强烈振动的设备或对振动很敏感的设备宜布置在建筑物底层；

（4） 动力设备宜布置在楼盖刚度较大的主要承重结构上，但不能放在悬臂结构上；

（5） 垂直扰力较大的设备宜布置在梁的支座附近，水平扰力较大的设备宜布置与梁的轴线方向一致。

表1：支承梁和楼板的最小截面尺寸[3]

肋形楼盖 装配整体式楼盖 主梁高跨比

板高跨比 次梁高跨比 现浇面层厚度（mm） 板肋高跨比 板厚（mm）

1/18 1/15 60 1/20 30 1/10

2） 设备隔振措施

为了降低设备振动对结构楼盖产生过大的振动响应，在设备支座设计时，通常会对设备支座进行隔振设计。设备隔振通常分为主动隔振和被动隔振，对建筑物周围环境产生有害振动影响的动力设备应采用主动隔振设计，对周围环境振动反应敏感而不能正常使用的设备应采用被动隔振设计。在公共建筑内的设备隔振方式主要有：支承式隔振、悬挂式隔振和悬挂兼支承式隔振，具体的隔振方式见图一。

1-隔振对象；2-隔振器；3-刚性吊杆

图一，隔振方式示意图[2]

当设备支座采用隔振设计时，隔振方案的选用应经多方案比选后确定，并经隔振计算后选用合适的定型产品，设备支座隔振器应同时具备耐久性好、性能稳定、弹性好、刚度低、承载力大以及阻尼适当等性能特点。

3） 结构自振频率计算

一般地说，结构的自振频率若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、停时，会发生强迫振动频率穿越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[5]。因此，调整结构最低自振频率并使其高于设备扰力频率是避免共振的有效措施。

由于《混凝土结构设计规范》[4]没有对混凝土结构楼盖的竖向自振频率计算做出明确要求，故在结构设计时可参考《选煤厂建筑结构设计规范》[1]所列出的梁最低自振频率公式（6.3.11-1）以及最低自振频率计算值公式（6.3.12-1），从公式来看：

式中的参数主要涉及梁抗弯刚度B（B=EI）、梁上单位长度的均布质量m和梁的计算跨度。在确定梁的自振频率时，应根据实际的结构布置情况确定计算简图，从公式参数可知，梁的自振频率将会随其刚度的增大而提高，随其均布质量和跨度的增大而降低。考虑到设备机房的结构自重以及设备重量是基本不变的，因此，在满足建筑使用功能的前提下，调整梁自振频率最直接有效的设计方法是调整梁刚度。在计算梁刚度时，只需调节梁的高度，便能得到合适的结构自振频率；如果当梁的高度受到其它因素的限制时，亦可采用增加梁宽和提高混凝土弹性模量的方法以增大梁的刚度。

在公共建筑中，机房设备主要以中、低频类的动力设备为主，在经过隔振设计后的设备扰力频率一般在6～10Hz左右，设计时只需将支承梁的最低自振频率计算值控制在10Hz以上，便可满足《选煤厂建筑结构设计规范》[1]第6.3.16条所要求的条件“梁的第一频率密集区内最低自振频率计算值大于设备的扰力频率”，结构设计时对支承梁可不必进行复杂的动内力计算，只需按动力系数法对支承梁进行静力计算即可。

3、 工程实例

某隧道办公楼为混凝土框架结构，横向柱距最大为7.5m，纵向柱距为9m，为了满足隧道排风功能要求，在办公楼平面的中心位置设置了一个3层高的排风机房，并在二层机房楼面设置了多台轴流风机设备，根据厂家提供的设备资料，轴流风机运行时的扰力频率≈10Hz。

首先，为了有效地解决轴流风机设备的振动问题，在确定初步结构设计方案时，对排风机房内具有振动特性的轴流风机设备区域进行了仔细研究，考虑排风机房与周边办公用房的不同使用功能，设备机房区域的结构布置进行了两方面的优化设计：一方面是在机房周边设置了隔振缝（兼做结构抗震缝），将排风机房与周边办公用房进行了物理隔离，使设备振动辐射范围控制在机房区域，尽可能地缩小设备振动的影响范围；另一方面，为了加强结构楼盖的整体刚度，轴流风机区域内采用了现浇混凝土井字梁板结构，并将轴流风机设备基础放置在井字梁承重结构上，支承梁和楼板的截面尺寸均按照规范[3]的构造要求进行布置。具体布置见图二。

图二，二层楼面结构布置图

其次，为了减轻设备振动对结构楼盖产生过大的振动响应，在轴流风机设备产品招标后，对轴流风机设备支座采用了隔振设计，设备支座经多方案比较后选用了“隔而固”的主动隔振方案，并采用支承式隔振方式，设备隔振支座由专业的隔振设计单位按规范[2]进行深化设计。

最后，为了提高结构最低自振频率计算值并使其高于轴流风机的扰力频率，避免共振的发生，设计时把提高结构自振频率作为主要的优化目标。参照《选煤厂建筑结构设计规范》[1]对支承梁的自振频率进行估算，经过多次优化调整，支承梁的截面从300x600调整到500x950，相应的结构最低自振频率计算值从7.4Hz提高到12.2Hz，结果见表2。根据估算结果判断，当支承梁选用500x950截面时，梁的第一频率密集区内最低自振频率计算值已大于设备的扰力频率10Hz，便可有效地避免了共振的发生，且支承梁也不必进行复杂的动内力计算，只需按动力系数法对结构支承梁进行静力计算即可。

表2：楼盖最低自振频率表

支承梁截面 300x600 300x700 400x800 500x950

最低自振频率计算值 7.4Hz 8.9Hz 10.2Hz 12.2Hz

另外，考虑到规范公式[1]并没有考虑实际的结构布置对支承梁刚度计算的影响，故采用SAP2000有限元软件对轴流风机区域补充了模态分析（仅选取了横向2跨及纵向3跨区域），分析结果如图三，当支承梁截面选用500x950时，轴流风机区域在第一模态的结构楼盖自振频率计算值约为12.8Hz，分析结果与规范公式的估算结果基本一致。

图三：sap2000有限元软件模态分析结果

至此，本办公楼通过优化结构布置而有效地控制了设备振动的影响范围，通过选用合适的设备隔振措施使得设备振动对支承结构的负面影响降到了最低，以及通过调整合适的结构自振频率而有效地避免了共振的发生并简化了支承结构的设计方法，最终达到了确保建筑使用功能的正常使用以及结构的安全可靠的预期目标。

4、 结语

面对公共建筑内的各种设备振动问题，结构设计的关键是通过优化结构布置、选用合适的设备隔振措施以及调整合适的结构自振频率等一系列措施，减少设备振动产生的负面影响、确保建筑使用功能的正常使用以及结构的安全可靠。所以，在公共建筑结构设计时只有充分考虑到设备振动所带来的负面影响，并采取适当、可靠的措施方可确保建筑使用功能的正常使用以及结构的安全可靠。

参考文献：

[1] GB 50583-2010，《选煤厂建筑结构设计规范》[S]. 北京：中国计划出版社，2010

[2] GB50463-2008，《隔振设计规范》[S]. 北京：中国计划出版社，2009

[3] GB50190-93，《多层厂房楼盖抗微振设计规范》[S]. 北京：中国计划出版社，1994

[4] GB50010-2010，《混凝土结构设计规范》[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[5] 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