张国玲 刘炳强

(1.中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210019; 2.山东华元建设集团，山东 诸城 262200)

1 概述

在工业厂房的设计中，动力设备基础的设计涉及土建和机械两个专业，计算复杂，若缺乏精确计算，将使得设计的基础过于庞大，工程中急需合理地解决空间构架式动力设备基础的设计问题。

向红［1］利用振幅法对构架式基础进行了动力计算满足国内规范要求，通过静力计算对地基强度、基组偏心值及构架式基础强度进行了验算。黄铠生、谢秀［2］等对空间构架式机器基础设计与计算的方法和步骤进行了说明。

2 空间构架式基础的计算原则

空间构架式基础一般由横梁、纵梁组成顶板，顶板和基础底板之间以成对的柱子支承。空间构架式基础是一个无限自由度的空间体系，其影响因素很多，如基础本身质量、设备的质量、刚度的分布和刚度、地基的影响、扰力大小和相位等。由于机器的不平衡扰力使机组和基础产生振动［3，4］，因此构架式动力基础多自由度振动计算，多采用平面连续梁模型和空间框架模型。本文在计算构架式动力基础中采用空间框架模型［5-7］。

3 SAP2000功能

SAP2000［8］采用基于对象的非线性有限元技术，可以模拟能量耗散装置、材料非线性等一系列的特性。基于对象的有限元技术可以采用复杂的自动网格划分功能。SAP2000对节点个数没有限制，具有框架单元、壳单元、实体单元、连接单元，这些单元组合起来可模拟复杂的结构［9］。SAP2000强大的分析功能表现在:顺序施工、混凝土徐变与收缩、冲击分析、多基激励、基础隔振与阻尼器、大位移分析、屈曲分析等。SAP2000在结构非线性静力计算方面弥补了当今不少结构计算软件的不足之处。

SAP2000的特点［8］:三维结构整体性能分析，空间建模方便，荷载计算功能完善，可从CAD等软件导入，文本输入输出功能完善。结构弹性静力及时程分析功能相当不错，效果高，后处理方便。

4 工程实例

4.1 实例概况

已建成使用的某钢厂电动鼓风机基础(该基础在使用过程中状况良好)，基础顶板标高7.390 m，长14.1m，宽7m，板厚2m，柱3列，每列两根，纵向柱距分别为6.3 m和6.9 m，横向柱距6.1 m，柱截面0.9 m×0.9 m，混凝土C25。机组设计参数见表1，表2。荷载作用点布置图见图1。

表1 机组性能表

图1 荷载作用点布置

4.2 计算分析

建立模型时，基础顶板采用板单元，柱采用框架单元。在整体坐标系中的精确位置进行组装，在组装时应确保各部分的单元节点充分连接。柱脚采用嵌固端，建成模型见图2。

荷载考虑基础自重、机组设备重、X方向、Y方向和Z方向扰力，机器频率78 Hz～115 Hz，机组设备重量在动力计算时作为附加质量。

4.3 模态分析结果

模态分析用于确定结构的模态，考虑了动力荷载的空间分布，可以得到更精确的结果。为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。前12个主振型的自振频率和周期见表3。

表2 机组荷载表

图2 鼓风机基础模型图

表3 前12个主振型的自振频率和周期表

4.4 动力计算—稳态分析

结构在动力荷载作用下，其振动由两部分组成，第一部分是由荷载引起的按荷载频率的强迫振动，第二部分是按自振频率的振动即伴生的自由振动，经过一段时间后，伴生的自由振动由于存在阻尼随时间t的增长很快衰减掉，而强迫振动则持续下去，形成振动的稳态过程，这一过程中的振动称为稳态振动。通过对结构振动的稳态分析，计算出其振动加速度和振幅，按《动力机器基础设计规范》来判断结构设计是否合理。

4.5 计算结果

SAP2000采用的是有限元分析，每个单元节点都有其相对应的位移、速度和应力，本文只给出荷载点所简化的质量节点的Z向振幅、速度以及整个模型的最大值，结果是:Z向最大振幅0.005 3 mm，Z向最大振动速度3.01 mm/s，质量集中点相同位置Z向振幅、速度见表4。

通过计算，基础振动速度小于5 mm/s，说明所取的柱子断面及平台顶板厚度是可行的，再加上投产以后的运行情况是良好的，说明运用SAP2000计算空间构架式动力基础是可行的。

5 动力基础设计中的强度问题

在动力基础设计中，不仅要控制其振动速度和位移，其强度也是设计关注的要点。SAP2000可以通过定义不同的荷载工况进行内力分析，分析结果能够客观展现动力基础的实际受力情况。依次确定基础的极限承载力。在大型的动力机器基础设计时需进行动内力分析，SAP2000对此能够进行分析，从而确定基础的断面尺寸，达到预计的设计强度。

6 动力基础设计中的刚度问题

动力基础中刚度问题同样值得关注，结构的刚度决定了结构的自振频率，即刚度越大则自振频率越高。由于机器频率一般比较高，动力基础设计必须使其自振频率远离机器的激振频率以避开共振区(在本文算例模型多次试算中增大柱子截面自振频率增高，尤其是前3个主振型)，如果结构刚度低了，结构的强度和变形则有可能满足不了使用要求。为了解决这一矛盾，需要对结构进行反复调整、计算，以确定合理的结构形式及各构件的截面，利用SAP2000程序处理起来则比较方便。

表4 SAP2000计算结果表

7 结语

1)SAP2000分析计算功能十分强大，利用面向对象的操作方法来建模，它集荷载计算、静动力分析、线性和非线性计算等所有计算分析于一体，容纳了最新的静力、动力、线性和非线性分析技术，计算快捷，分析结果合理可靠。

2)风机基础运行情况表明，用SAP2000程序计算受简谐振动的设备基础是可行的。可以为空间构架式动力基础的强度设计及刚度设计提供快速有效的计算手段，能发挥很好的作用。

［1］向 红.透平压缩机组空间构架式基础的设计和计算［J］.医药工程设计，2004，25(1):15-18.

［2］黄铠生，谢 秀.浅谈空间构架式动力机器基础设计与计算［J］.山西建筑，2002，28(11):20-21，34.

［3］张荣山.工程振动与控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［4］GB 50040，动力机器基础设计规范［S］.

［5］徐 建.建筑振动工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［6］侯兴民，马小燕，吴汉生，等.动力机器基础振动与设计若干问题的讨论［J］.地震工程与工程振动，2008，28(3):131-137.

［7］王锡康.动力机器基础振动学科在我国的发展及需研究的若干问题［J］.工业建筑，2007，37(6):83-90.

［8］北京金土木软件公司.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［9］周锡元，马东辉.叠层钢板橡胶垫的稳定性分析和温度验算［J］.建筑科学，1997(6):17-19.