摘要：文章采用数值模拟的方法对某工业厂房楼盖结构中的振动部分进行分析，传递共振波的主要结构是直接承受设备动力荷载的结构，因而分析了该厂房中吊车梁承受动力荷载能力，以及吊车梁的变形允许限值，得出在工业厂房设计时，通过优化吊车梁设计方案，增大其整体刚度，布置有效构造措施等方法，可以有效避免结构共振现象的产生。
关键词：自振频率；工业厂房；防共振设计；吊车梁
1引言
工业厂房中由于动力设备和相连的楼盖结构产生共振从而对整体建筑结构产生危害，需要考虑增加适当的结构构造措施解决，也可以在工业厂房中调整设备布置要求，避免楼盖结构产生振动，但是考虑工业设备与结构的自振频率使其尽可能不相同，可以更好解决结构共振动问题。动力设备普遍存在于工业厂房中，如果在设计时对动力荷载考虑欠缺，设备工作时就会导致厂房的不良振动，在影响生产的同时，还会使结构产生裂缝，甚至引起结构破坏。对于有动力设备的厂房结构，发生振动往往无法完全避免，关键要把不必要的振动减少，使结构的振动达到规范限值[1]。工业生产厂房内常配备大型动力设备，往往由于工艺变更或设备的更新，致使原结构刚度和强度不能满足要求[2]。在现场调查、动力测试的基础上,围绕着如何避免厂房结构共振、斜支撑截面变化对振幅的影响[3]。而本文以工业厂房吊车梁为例，采用数值模拟进行分析，从吊车梁的整体刚度和构造措施进行设计，使吊车梁的布置满足生产、舒适度要求，为其它工业厂房防振动设计提供参考。
2工程概况
本工程位于安徽省颍上县，为单层门式刚架结构，抗震设防烈度为6度,房屋呈矩形，建筑面积2500m2，房屋主体结构为钢结构，抗震设防烈度为6度，场地类别为Ⅱ类。其设计基本加速度为0.05g，分组为第一组，属于抗震有利地段。采用柱下独立基础。屋面外板采用上板0.6mm厚彩钢压型板，下板0.5mm厚彩钢压型板，外面覆盖100mm厚岩棉保温层。该厂房墙面采用单层0.400mm镀锌彩墙面外钢板。厂房的刚架梁、钢柱、主次梁、梁柱端头板及连接板件均采用Q345B级钢。该厂房搭载25t桥式起重机,轨道采用43kg/m钢轨，轨道联接采用GDGL-1标准。由于设备运行荷载大需考虑共振设计。
3设计方法
3.1共振原因
按照《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012）中第六章中指出吊车荷载需考虑纵向和横向水平荷载，并考虑吊车荷载的动力系数取1.05，根据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）中重级工作制吊车梁的变幅疲劳取应力循环中最大的应力幅。工业厂房中设备的振动荷载，楼盖结构跟着设备振动产生振动波，而如果当其设备振动波的频率与楼盖部分自振频率相重合，就会产生整体共振或者局部共振。由于工业设备的振动频率很高，考虑动力产生的荷载放大效应取其等效荷载。设计之初就通过合理布置结构及细部构造，避免其自振频率一致。
3.2力学分析
按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）规定门式刚架按弹性方法计算，其地震作用阻尼比封闭式房屋取0.05，考虑吊车梁承受动力荷载，吊车梁竖向挠度限值l/600[5]，在设计时需考虑承重构件吊车梁约束为简支约束，设计吊车梁跨长为6m。楼盖结构的竖向振动加速度应采用时程分析方法进行计算[4]。
3.3计算方法
通过振动观测以及对建筑结构振动时的强度计算，可以采用《人民防空地下室设计规范规范》（GB50038-2005）中附录C里的单跨和等跨的等截面梁挠曲型自振圆频率公式计算：本工程中选择吊车梁材料为Q345每跨长6m，采用28a工字钢，B为7110cm4，吊车梁Ed为206×103N/mm2，m軓为43.492Kg/m，得到吊车梁的自振频率fω为0.18。从挠度上控制l/600即0.010m，满足自振频率要求同时满足其振幅要求即第一振型对应的最大振幅，减小吊车梁竖向变形，因此考虑调整吊车梁高度，提高吊车梁整体的刚度。在进行结构构件竖向自振频率计算后，经吊车梁截面由28a调整至32a，经厂家提供数据吊车的加速度介于0.05~0.098之间，振动位移位于0.0085~0.0082mm之间，而梁的自振频率区间由0.088~1.052变化为0.095~0.156，可见在这种情况下一定程度上能够改变梁的自振频率避免共振发生。但是调整梁截面时要考虑设备的要求，因此调整区间范围有限。所以通过调整梁截面尺寸使梁的自振频率与设备运行频率不一致或者不接近，可以避免在设备运行时发生共振从而造成结构破坏的现象。
3.4构造措施
现在工业厂房中，设置构造措施首先需要保证承重结构有足够的刚度，采取有效的结构构造措施可以起到隔振和减震的作用，比如说在工业设备或者在结构部分设置阻尼器等，可以减少设备运行产生的振动量和振动频率，还可以通过设置隔振墙，增设斜支撑和采用柔性连接等措施，保证吊车梁的整体稳定性，这样相当于在设备与承重结构之间改变了约束条件、自振频率，避免共振的产生。
3.4.1螺栓连接
根据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）中规定直接承受动力荷载重复作用的高强度螺栓连接，其疲劳计算应符合抗剪摩擦型连接计算，但计算连接处开孔主体金属，栓焊部分连接应力其全部剪力由焊缝承担。本工程刚架构件现场连接采用10.9级摩擦型高强螺栓，采用喷砂处理法,摩擦面抗滑移系数μ≥0.50，高强螺栓孔为Ⅰ类钻孔。其中各主要受力构件如檩条、檩托、隅撑之间的连接采用高强螺栓连接。而隅撑、斜梁、系杆、梁柱等次要受力部位连接采用普通螺栓连接，普通螺栓孔为Ⅱ类钻孔。其基础锚栓、焊钉采用Q235级。
3.4.2焊接方式
本工程中组合H型钢的腹板与翼缘的焊接应采用自动埋弧焊机焊,且四道连接焊缝均应双面满焊。而Q345与Q345钢材之间焊接选择采用E50型焊条，Q235与Q235钢材之间及Q345与Q235钢材之间焊接选择采用E43型焊条。对接焊缝要求全焊透，其焊缝等级为二级，当钢板厚度大于或等于8mm时，需做超声波探伤检测，如若板厚度小于8mm时，则按照二级焊缝标准做外观检查，端板与柱、梁翼缘和腹板的连接焊缝为全熔透剖口焊，质量等级为二级。
4数值模拟
4.1数值分析
采用ANSYS软件，对吊车梁采用beam梁单位进行模拟，先进行特征值分析即自振频率的计算，再定义时程荷载工况考虑为线性时程分析计算，需通过时程分析计算竖向振动加速度限制，而时程荷载函数考虑静力荷载及吊车梁运行时工况，定义振型阻尼，节点动力荷载，最后进行时程分析。对于不同结构形式比如工业建筑，其建筑物开始损坏时的振动速度值基础频率范围在20~50mms-1之间，本例考虑较大值40。
4.2计算结果
利用ANSYS软件对振动模态进行分析，得到各级模态振型，得出其自振周期和前5阶固有频率，其分布如表1，这个结果可以满足结构自振要求，在梁的整体刚度满足要求的情况下，设计注意结构自振的薄弱构件的加强。当吊车梁设备采用高阶频率，可能在运行过程中起较大作用，其频率对应的周期与设备周期接近会发生共振，位移会突变，进而破坏吊车梁。
5结语
由于结构产生共振对结构的稳定性造成影响，尽管不一定会直接造成结构破坏，但是长期会使结构变得不安全，得出以下结论：①首先需要在结构体系的选择上优先采取尽量规则的结构方案，设计承重构件考虑振动荷载的动力系数、挠度范围。②增大承重结构的整体刚度，考虑吊车梁抗弯模量EI，即增大吊车梁高度以增大EI从而有效减少设备振动的影响。③钢结构工业厂房考虑钢结构的构造措施、焊接方式可以改变其约束条件，可以在有效地减少吊车梁自振频率的同时减少共振现象。
参考文献
[1]王龙.某工业厂房动力机机器工作平台不良振动检测及减振对策研究[D].内蒙古科技大学，2015.
[2]徐浩轩.某工业厂房动力特性分析及减振加固方法研究[D].西安建筑科技大学，2014.
[3]沈梦来.基于ANSYS软件平台的某工业厂房结构优化设计[D].武汉理工大学，2008.
[4]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[5]GB50017-2017，钢结构设计标准[S].
作者:吕琳 单位:煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司
