工程設(shè)計中常見的振動危害及防治

1、工程設(shè)計中常見的振動危害及防治茅玉泉北方設(shè)計研究院050011 （石家莊）提要：本文根據(jù)工程設(shè)計和生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到或發(fā)生的振動 問題，分析了其振源特性，闡述了危害建筑結(jié)構(gòu)安全和生產(chǎn)、工作、 生活的現(xiàn)狀，提出了防振設(shè)計和處理振動問題的有效治理措施。在工程設(shè)計中，應(yīng)充分考慮各類機械設(shè)備在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的 振動及其危害，以免影響到建筑結(jié)構(gòu)的壽命和安全，影響到精密設(shè)備 和精密儀器、儀表的加工、計量與檢驗，影響到人們正常生產(chǎn)、工作 和生活的環(huán)境。以往工程設(shè)計中曾對振動危害和防治作過許多工作, 但由于認識不夠或考慮不周，曾發(fā)生過許多振動影響問題。因此，在 工程設(shè)計中尚需認真地對待這些常見的振動危害，妥善

2、的采取相應(yīng)的 措施加以解決；對生產(chǎn)中存在的振動影響和危害，要及時予以治理, 從而確保正常使用。這是設(shè)計中需要解決的一個重要課題。一、振源分析在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常發(fā)生振動影響、惡化環(huán)境的有三類振源。第一類是瞬態(tài)性振源。其中主要有鍛錘、水爆清砂、落錘和壓力 機（沖床）等，這些振源屬沖式撞擊，振源振動能量很大，其頻譜帶 較寬，影響范圍很廣。例如750kg氣錘，錘基振幅可達到50 300|im,l16t錘，錘基振幅可達1001200 nm；壓力機基礎(chǔ)振幅可20400|im。是發(fā)生振動危害最突出的振源。第二類是穩(wěn)態(tài)性振源。主要有空壓機、振動篩，以及制冷壓縮機（冷動機）、發(fā)電機、發(fā)動機、風機和水泵等，這些振

3、源屬有規(guī)律周 期性反復(fù)作用。其中空壓機振動能量較大（60100/8空壓機基礎(chǔ)振 幅達20loojim以上），頻率較低（58hz）,振動衰減較慢,影響 范圍較廣；振動篩直接懸掛支承在結(jié)構(gòu)上，動力影響很大；冷動機、 發(fā)電機、發(fā)動機等振源的振動能量較小，如冷凍機基礎(chǔ)振幅只有5 lom,但頻率較高，振動衰減較快，影響范圍也較小，但當布置在 樓層上時,特別是冷凍機、風機往往因空調(diào)需要布置在靠近精密設(shè)備， 其影響不能忽視。第三類是隨機性振源。主要有火車、汽車、吊車和車床類，這些 振源因受概率支配，其振動過程則假設(shè)為平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機過程。 其中火車振動能量較大，范圍影響較廣，有時1公里外尚有23pm o

4、吊車支承在柱或梁上，振動影響直接；廠內(nèi)外汽車，當?shù)缆房拷?筑物周圍布置時，則與精密設(shè)備相距較近，有時振動影響明顯；機床 振動能量雖然較小，但當布置在樓層上時，可能影響到周圍的精密設(shè) 備。上述三類振源，有些設(shè)備本體振動能量雖小，但由于使用安裝和 布置不當，或缺少應(yīng)有的檢查、維護和修理，在長期運行過程中因部 件磨損過大，從而增大偏心或不平衡性，隨之擾力增加，振動影響增 大，對周圍發(fā)生嚴重的影響和危害。二、常見振動的危害各種設(shè)備振源發(fā)生不同程度的振動影響是常見的，其危害主要有 三個方面。（一）危機結(jié)構(gòu)安全常見振動的危害之一，是危機結(jié)構(gòu)安全。由于機械設(shè)備運轉(zhuǎn)過 程中產(chǎn)生不平衡擾力，結(jié)構(gòu)在動荷載作用下

5、，將引起構(gòu)件的動應(yīng)力, 動力疲勞，應(yīng)力集中，整體或局部的動力穩(wěn)定；產(chǎn)生基礎(chǔ)下沉或不均 勻下沉，墻體、構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，建筑物傾斜，甚至局部損壞。1動應(yīng)力和動力疲勞在實際生產(chǎn)中，引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動應(yīng)力問題的設(shè)備有；0.56t 鍛錘、50t-m落錘、所有大小鑄件的水爆清砂a、1000t水壓機 40/8空壓機、以及振動篩，其振動主要作用在支承結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)上, 并通過地基傳遞到設(shè)備附近的廠房屋蓋。根據(jù)以往對5t鍛錘100t-m. 落錘和水爆清砂對廠房屋蓋影響的振動測定表明：附近三十米以內(nèi)的 屋蓋構(gòu)件引起的動應(yīng)力約在5-10%以內(nèi)，個別構(gòu)件可大于10%；因 此設(shè)計時對鍛錘5t以下與大于5t分別取10%和15%。這

6、些振源的 危害，還往往引起梁、柱、墻圍護結(jié)構(gòu)以及裝飾板的裂縫；引起屋架 斜拉桿，上弦端節(jié)點，特別是端節(jié)點虎口處應(yīng)力集中而出現(xiàn)的裂縫, 引起構(gòu)件連接處松動、掉物、甚至破壞，引起焊接（或因存在缺陷） 應(yīng)力集中而破壞；水爆清砂還因型砂塊體飛出，撞擊廠房，造成門、 窗、墻及構(gòu)件的局部損壞；引起管道接頭松動或斷裂，造成漏油、漏 氣和漏水。至于較大型a40/8型空壓機，由于干擾頻率分別為46hz和 10-15hz,它與廠房的水平方向固有頻率35hz和屋蓋垂直方向的 固有頻率10-15hz接近或一致。因此，在實際使用中如發(fā)生共振或 接近共振,將引起的動應(yīng)力達數(shù)倍增加，而導(dǎo)致墻體開裂，連接松動， 門窗晃動，屋

7、蓋掉物，嚴重的危及結(jié)構(gòu)安全。如某廠二臺臥式空壓機 頻率6.3hz屋蓋自振頻率6.2hz,每八分鐘發(fā)生一次共振。即出現(xiàn)“拍” 現(xiàn)象；又如某煉鋼廠5臺壓縮機引起薄腹梁橫向振動后進行了加固。 又如某廠1100/8,560/8 （l型）空壓引起屋蓋和墻體振動顯著， 窗間墻體最大振幅達3mm,事后也進行了加固。對于裝置在樓層上的號風機，如因葉片磨損或損壞，螺栓 螺帽松動，又未及時維修，則擾力增大，可能危害機構(gòu)安全或影響精 密設(shè)備的正常使用；甚至風機的錨固螺栓發(fā)生斷裂。冷凍機、發(fā)電機 等平衡性雖好，但由于干擾頻率處于15-25hz居多，易與樓層垂直 振動的第一頻率共振區(qū)接近或發(fā)生共振，機構(gòu)將引起較大的動應(yīng)

8、力。另外，結(jié)構(gòu)在動荷重作用下，其反復(fù)效應(yīng)將引起疲勞，影響 程度與材料、應(yīng)力幅度,疲勞次數(shù)有關(guān)，最大可達動應(yīng)力的三倍之多。 焊縫在動應(yīng)力疲勞狀態(tài)下，強度迅速降低。動力疲勞作用下，所引起 的局部損壞，會導(dǎo)致內(nèi)力重分布，嚴重時將促使結(jié)構(gòu)整體性損壞。1 基礎(chǔ)下沉，房子開裂和傾斜動荷載作用下，地基強度隨著振動加速度的增大而減小，鍛 錘的地基容許承載力將降低1020%左右。同時土體的凝聚力和內(nèi) 摩擦角減小，引起土體顆粒移動和增密。當?shù)叵滤惠^高時，不但 振動傳遞的影響范圍擴大，還可能造成粉砂層地基的局部液化。從 而造成設(shè)備基礎(chǔ)及附近建筑物基礎(chǔ)下沉或不均勻下沉，引起建筑物 的開裂和傾斜，嚴重時建筑物將不能正

9、常使用或繼續(xù)使用。為了防 止基礎(chǔ)的不均勻沉降。設(shè)計鍛造車間時，對砂土粘土和黃土上的柱 基其允許振動加速度a宜分別控制在so.lg, <0.15g和<0.3go否則， 應(yīng)對鍛錘基礎(chǔ)采取措施，如采用柱基等提高地基剛度，減小錘基振 動，減小對廠房的影響?；蚪档偷鼗休d力，對鍛錘動力降低系數(shù) a r =l/（l+pha/g）直山為土動沉陷影響系數(shù)。（二）精密設(shè)備不能正常使用常見振動的危害之二，是影響精密設(shè)備的正常使用。振動將導(dǎo) 致降低精密加工精度，降低精密儀器儀表的測示檢驗和計量精度， 降低精密設(shè)備的使用壽命，嚴重時還將造成精密設(shè)備的損壞。1降低精密加工精度各類精密加工設(shè)備，對不同加工精度

10、有其不同的允許振動要 求，其允許振動速度控制指標一般在003mm/sl5rrim/s范圍內(nèi)。 當外界振動超過其允許振動速度的控制指標，就會對產(chǎn)品的光潔 度、波紋度、不圓度、垂直度或尺寸精度的累積誤差發(fā)生不 良的影響，由測定表明：對摟層上的精密車床、磨床、搪床、銃 床等設(shè)備加工精度（如尺寸精度、光潔度）可能降低一至二級， 甚至達不到合格要求，從而降低產(chǎn)品質(zhì)量，造成廢品，嚴重時使 精密加工設(shè)備降低精度和使用壽命，甚至設(shè)備損壞。例如某廠機 修車間1t自由鍛振動引起剛屋架晃動，并對50m外的磨床加工和計量儀器發(fā)生嚴重影響，而后搬出。2降低精密儀器、儀表檢驗精度各類精密計量、理化分析及其他儀器、儀表，均

11、有其相應(yīng)于 正常檢驗測出時的振動條件，其允許振動速度控制指標一般在 0.03mm/sl.5mm/s范圍內(nèi)。當外界振動超過其允許振動控制指標 時，則精密儀器、儀表的檢驗測示和指示（或指針）系統(tǒng)發(fā)生晃動 或顫動，致使無法判定指示值，造成檢驗測示系統(tǒng)誤差，甚至無法 工作。嚴重時將降低檢驗精度和使用壽命，甚至造成刀口損壞，指 針失靈，內(nèi)部機構(gòu)松動或損壞而報廢。因此，許多工廠在生產(chǎn)過程中，將精磨加工設(shè)備，精密儀器、 儀表的使用時間與有影響的振源設(shè)備交替叉開，或改在夜間使用， 有的甚至遷走，造成許多不便。（三）影響生產(chǎn)及人們的身心健康常見的危害之三：是干擾人們的正常生產(chǎn)、工作和生活。在不同的 時間內(nèi)，根據(jù)

12、人們的生理特征，能承受的振動是有限的。當振動影 響到人們的正常生活，特別是外界振動的干擾頻率與人體某部位固 有頻率接近或一致而發(fā)生共振，它將致使人們難受，情緒不安，心 情煩躁，精神分散，在長期有害振動條件下生產(chǎn)、工作和生活，還 會造成“振動病”。1造成操作誤差為了保證正常的生產(chǎn)操作和操作人員的身體健康，操作區(qū)的 受振影響在不同條件下的允許振動速度應(yīng)控制在3.264mm/s范 圍。否則由于操作區(qū)的過大振動，操作人員根據(jù)其承受能力，易造 成操作誤差，產(chǎn)品質(zhì)量下降，生產(chǎn)效率降低，甚至無法操作。2造成人們身心健康正常工作和生活環(huán)境振動要求，比操作區(qū)嚴格得多。對不同 使用特點的允許振動速度差別較大；要求

13、最高為0.13025mrn/s, 一般在0.5l.omnn/s范圍內(nèi)。車間范圍辦公區(qū)則可放寬到2.8mm/s. 當超過允許振動值時，將降低工作效率影響居民的正常休息，由于 環(huán)境處于長期不安寧的狀況，必將損害人們的身心健康。三、振動危害的防治在工程設(shè)計中，必須充分考慮振動引起的危害，采取必要的 防振措施，避免或減少振動的影響。對實際生產(chǎn)過程中發(fā)生的振動 影響，應(yīng)及時加以治理，以確保建筑結(jié)構(gòu)的正常使用，確保精密設(shè) 備的正常工作，滿足人們正常的生產(chǎn)、工作、學習的生活等活動。 對振動危害的防治要根據(jù)實際情況綜合考慮，首先采取減少振源處 的振動輸出，或采取隔離外界振動輸入，必要時同時考慮減少振動 輸出和

14、隔離振動輸入，達到滿足生產(chǎn)、設(shè)備和人所能承受的允許振 動能力。（一）合理布置振源工程設(shè)計時，首先要根據(jù)生產(chǎn)的可能性，盡量將較大振源和 有精密要求的部分分區(qū)設(shè)置相互遠離。然后根據(jù)振源設(shè)備運行的特 點，將同類設(shè)備布置成對稱或反對，避免同類設(shè)備多臺運行時處于 同向、同步狀態(tài)，以便使其振動在不同相位上互相有抵消.把振源 設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運動方向和水平往復(fù)運動方向不對準精密設(shè)備，并與支 承結(jié)構(gòu)剛度大的方向一致。在多層廠房內(nèi)的振源布置時，要充分利用伸縮縫和樓梯間的 減振作用，將振源與有防振要求的精密設(shè)備分開，并不設(shè)置在一個 接層單元內(nèi)；或?qū)⒂杏绊懙恼裨?單獨設(shè)置；當生產(chǎn)需要不能遠離 時，應(yīng)單獨設(shè)置在與接層脫開的

15、構(gòu)架式基礎(chǔ)上，或?qū)⒃摬糠謽前搴?支設(shè)置，并在支承處采取減振措施。在多層廠房內(nèi)設(shè)有精密設(shè)備時 不應(yīng)設(shè)置吊車；必要時將吊車宜設(shè)在底層地面上，并與廠房結(jié)構(gòu)脫 開，采取單獨設(shè)立柱的搖臂吊或懸掛吊，或做成落地門式吊車。另外，在精密設(shè)備周圍不宜布置通過重型汽車的主干道，非 通過不可時應(yīng)限速或定時運行。（二）減少振動輸出減少振動輸出就是要設(shè)法減少振源振動能量。一般是選擇動 平衡好的機械設(shè)備，對振源采取“剛、柔”法積極隔振。1、選擇動平衡性能好的設(shè)備，定期維修或更換設(shè)計時，首先要注意到選用動平衡性能好的機械設(shè)備，它擾 力小，輸出的振動能量亦小。使用中要定期維修，有利于調(diào)整平衡 性能。當發(fā)現(xiàn)使用中設(shè)備動態(tài)不平衡

16、增加，應(yīng)及時檢修，調(diào)整其聯(lián) 接處間隙的松動和固定松緊不一，使之恢復(fù)其平衡性能。如因長期 運行引起傳動部件的磨損，應(yīng)及時更換。當設(shè)備已陳舊無法檢修調(diào) 整應(yīng)予更新，重新選用動平衡性能好的設(shè)備，以確保生產(chǎn)使用要求。2、剛性減振剛性減振，就是提高支承結(jié)構(gòu)（包括基礎(chǔ)）剛度和整體性。 從而減小振源振動的輸出。（1）提高結(jié)構(gòu)剛度為了滿足動力荷載作用下的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定，滿足對周圍精 密設(shè)備允許振動要求，受振結(jié)構(gòu)通過動力分析，確定其必要的斷面 和剛度。但應(yīng)避免只滿足強度而剛度過小，不能滿足允許振動的控 制，尚因避免降低結(jié)構(gòu)垂直自振頻率，造成與干擾頻率接近或一致， 而出現(xiàn)共振或“拍”的現(xiàn)象影響精密設(shè)備的使用。當使

17、用中如出現(xiàn) 結(jié)構(gòu)剛度偏小，而發(fā)生共振危害時，應(yīng)增強支承結(jié)構(gòu)剛度的措施， 采取增加構(gòu)件斷面，或減小結(jié)構(gòu)的跨度的立柱和斜撐，從而提高支 承結(jié)構(gòu)的自振頻率，使之遠離共振區(qū)，實現(xiàn)剛性減振。例某廠鍛工 車間2t錘開動，屋蓋發(fā)現(xiàn)晃動而增加縱向垂直支撐；又如某廠鍛工 車間設(shè)有it、400kg、250kg錘、400kg使用時，冷灘瓦掉下，后改 為剛碗屋蓋，增加屋面剛度。（2）提高地基基礎(chǔ)剛度和整體性為了減少機械設(shè)備基礎(chǔ)的振動，設(shè)計時尚可考慮提高地基基礎(chǔ) 的剛度。增強地基基礎(chǔ)剛度的辦法，一般可采用硅化或灌注水泥漿膠 結(jié)松散地基；在基礎(chǔ)周邊打樁；加大設(shè)備基礎(chǔ)底面積；加深基礎(chǔ)或加 強地面與設(shè)備基礎(chǔ)上部的整體聯(lián)接，均

18、能在一定程度上達到提高地基 剛度的目的。當同類設(shè)備設(shè)置在一起時，還可以把兩臺或多臺設(shè)備基礎(chǔ)聯(lián)合 在一起，提高地基剛度，增加基礎(chǔ)質(zhì)量，降低基底應(yīng)力，從而減小振 源振動。例如將三臺60/8的空壓縮機基礎(chǔ)聯(lián)合設(shè)置，在水平回轉(zhuǎn)振 動下，測得聯(lián)合基礎(chǔ)比單獨基礎(chǔ)的垂直振動和水平振動平均減小達 40%以上。大型設(shè)備基礎(chǔ)由于受到動力荷載作用或受力不均勻，以及溫度 變化等影響，又能夠在基礎(chǔ)周邊和底部配置足夠的鋼筋，以確保受力 的需要，并起增強剛性和整體性。如基礎(chǔ)未配筋或配筋不足而出現(xiàn)裂 縫，則應(yīng)采取外包鋼筋混凝土套加以補救。如發(fā)現(xiàn)設(shè)備基礎(chǔ)傾斜，待 穩(wěn)定后加固修補填平，重新調(diào)整安裝設(shè)備后方可使用。3、隔離輸出振源

19、隔離輸出振源，就是采取積極隔振措施減少振源輸出的振動能 量。對抗力大的機械設(shè)備，其振動影響范圍很廣，采取上述1、2的 措施無法實現(xiàn)，或尚不能滿足精密設(shè)備的防振要求時，應(yīng)考慮對振源 隔振。特別是當該設(shè)備因生產(chǎn)線流程的需要，無法改變布置位置，而 增大支撐結(jié)構(gòu)剛度又不經(jīng)濟時，應(yīng)對該設(shè)備基礎(chǔ)釆取柔性隔振，以減 少振源振動的輸出。例如某廠白銀車間，由于工藝需要將250kn的 空氣錘布置在多層廠房的底層，為了解決對相距35-40米處三層樓上 精密儀器的影響，對空氣錘基礎(chǔ)采用空氣彈簧隔振、隔振后現(xiàn)場實際 測定，離開空氣錘操作區(qū)基坑外的地面上其振幅為0.51|im,說明隔 振后空氣錘對樓層的影響已基本消除，對

20、精密儀器已無任何影響。至于汽車振源的影響，可將周圍的路面設(shè)計為柔性路面，并適 當加厚瀝青層，一邊吸收能量，減少其振動影響；必要時還可限制車 速通過，減弱振源振動。當某些管道（氣流或液流）脈動對附近精密設(shè)備發(fā)生影響時， 可將管道穿過墻或樓板的支承處，采用彈性墊隔離，管道的吊點處采 用彈性吸振器，管道的聯(lián)接處采用柔性軟管聯(lián)接，從而消除管道高頻 脈動對精密設(shè)備的影響。（三）減少振動的輸入和放大任何區(qū)域的精密設(shè)備，都可能受到某些振源通過支承結(jié)構(gòu)和土 質(zhì)介質(zhì)傳遞而發(fā)生的振動干擾影響，當不可能消除外界振動影響時, 有必要采取振動輸入措施的消極隔振，使之滿足精密設(shè)備正常使用的 要求。1、遠離振源設(shè)計時，要充

21、分考慮精密計量、理化的儀器、儀表和精密搪床、 磨床、車床、刻線機等設(shè)備受外界振動的影響，可通過振源振動的地 面振動衰減計算或?qū)嵉仄諟y，將精密設(shè)備布置在受振影響允許的區(qū)域 范圍內(nèi)，這是一種最簡單有效的方法。如果高精密設(shè)備（如光柵刻線 機）在使用過程中受振后發(fā)生無法正常工作時，亦可通過普測找到一 個振動最小的區(qū)域，遷移到該區(qū)域內(nèi)設(shè)置，從而滿足使用精度要求。2、增大地面剛度和質(zhì)量由于精密設(shè)備受到影響的周圍設(shè)備振源，大多數(shù)振動能量較小, 則可將混凝土地面設(shè)計成厚地面，其厚度3500mm,并與建筑物設(shè) 縫加以分開，使精密設(shè)備間的地面形成一個大塊體的剛性質(zhì)量，利用 地面剛度的增大和大質(zhì)量的慣性作用，減小外

22、界振動影響；必要時還 可在大塊體地面下鋪設(shè)200-300mm厚的砂墊層，從而達到減振的目 的。精密儀器、儀表間地面不允許直接采用木地板，這是因為木地 板剛度小，人走動時對精密設(shè)備將會發(fā)生顯著影響。因此，宜將精密 間地面做成剛性的混凝土或水磨石地面,然后再鋪設(shè)地毯或橡膠布或 木地面，可有效地避免由于操作人員走動所引起的振動影響。3、采用剛性工作臺根據(jù)以往許多工廠出現(xiàn)的精密儀器、儀表受振影響，不少由于 其支承結(jié)構(gòu)是木制工作臺。木制工作臺質(zhì)量輕，有一定彈性，當受外 界振動干擾時，經(jīng)常發(fā)生振動放大現(xiàn)象，實測表明：木制工作臺上的 振動比樓面、地面的振動放大23倍。因此，設(shè)計時宜采用水磨石剛 性工作臺，可明顯地降低外界振動的干擾，使臺面上的振動，基本上 能恢復(fù)到與樓面、地面差不多的振動狀態(tài)。4、門、窗彈性密縫設(shè)在樓層上計量、理化等精密間及其附近房間的門窗，宜在其 四周采用彈性密封條襯墊，可以避免因開、關(guān)門窗時由于碰撞引起的 振動干擾；特別是門、窗打開后，被風吹動關(guān)閉，將引起墻和樓板的 突然性撞擊而產(chǎn)生強烈振動，嚴重地影響到精密儀器儀表的正常工作。5、設(shè)置防振溝當精密設(shè)備受到外界一般機床、高速