動(dòng)力機(jī)器的概念設(shè)計(jì)形式及內(nèi)容范文

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1動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)

在動(dòng)力荷載作用下，如基組固有頻率與機(jī)器擾力頻率相同就會(huì)產(chǎn)生共振效應(yīng)。影響基礎(chǔ)振動(dòng)的主要因素是機(jī)器的擾頻、地基剛度、基組質(zhì)量等。防止共振的發(fā)生就要使基組的固有頻率與擾力頻率盡量錯(cuò)開(kāi)。動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)機(jī)器及環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生不利的影響，振動(dòng)事故處理的難度也較大，因此，在動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)伊始，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就應(yīng)該對(duì)振動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生足夠的重視。

2動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

根據(jù)對(duì)動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)的研究以及對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生危害的總結(jié)、多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所形成的設(shè)計(jì)原則，構(gòu)成了如下概念設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容。

2.1動(dòng)力機(jī)器資料的收集

動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，離不開(kāi)設(shè)備制造廠家資料的提供，尤其是新型關(guān)鍵設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，需要廠家配合土建設(shè)計(jì)人員共同完成設(shè)計(jì)任務(wù)，各有關(guān)的動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都明確提出了設(shè)備制造廠家應(yīng)該提供的技術(shù)資料內(nèi)容，及建造單位需要配合提供的技術(shù)資料。其中動(dòng)力機(jī)器的擾力由設(shè)備制造廠家提供尤為重要。考慮設(shè)備制造廠家不是都能夠提供機(jī)器擾力，《有色金屬工程設(shè)備基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(報(bào)批稿)(簡(jiǎn)稱“報(bào)批稿”)在附錄B和有關(guān)章節(jié)中給出了一些動(dòng)力設(shè)備擾力的計(jì)算式，以方便設(shè)計(jì)時(shí)參考使用。

2.2動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn):GB50868—2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》、GB50040—96《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50463—2008《隔振設(shè)計(jì)規(guī)范》、冶金工業(yè)部1977《制氧機(jī)等動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)暫行條例》、HG20544《活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、SH3091《石油化工壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、HG/T20643—2012《化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、DL5022—2012《發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，這些標(biāo)準(zhǔn)都根據(jù)不同類型的機(jī)器及環(huán)境要求，用容許振動(dòng)線位移或容許振動(dòng)速度作為控制標(biāo)準(zhǔn)。動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)必須結(jié)合具體工程要求，正確選擇適合的容許振動(dòng)限值。“報(bào)批稿”對(duì)機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)容許標(biāo)準(zhǔn)，選取了振動(dòng)速度作統(tǒng)一表述，根據(jù)不同類型的機(jī)器、轉(zhuǎn)速，用容許振動(dòng)速度作為控制標(biāo)準(zhǔn)匯總在一個(gè)表格中，統(tǒng)一了動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)控制的口徑，并與最近頒布的GB50868—2013基本協(xié)調(diào)一致，以供設(shè)計(jì)參考，當(dāng)需要用其他指標(biāo)控制時(shí)，可按給出的算式換算。

2.3確定天然地基剛度系數(shù)及基礎(chǔ)的埋深

天然地基的抗壓剛度系數(shù)Cz值，宜由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定，對(duì)于特別重要的動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)這一要求的必要性;對(duì)于一般動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)，在沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按GB50040—96提供的根據(jù)地基承載力特征值確定的天然地基抗壓剛度系數(shù)Cz值;也可按“報(bào)批稿”根據(jù)地基土的變形模量確定天然地基抗壓剛度系數(shù)Cz值，作為對(duì)GB50040—96的補(bǔ)充。由于基礎(chǔ)四周的回填土能提高地基剛度，從而提高基礎(chǔ)的固有頻率，基礎(chǔ)埋置深度對(duì)基底尺寸的比值越大，其影響越大，特別對(duì)抗彎和抗剪剛度的提高尤為明顯。當(dāng)基礎(chǔ)與剛性地面相連時(shí)，地基的抗彎、抗剪和抗扭剛度都有較大的提高。動(dòng)力基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，應(yīng)合理調(diào)整基底面積，以調(diào)整天然地基抗壓剛度系數(shù)Cz，避免因設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的固有頻率與機(jī)器擾頻接近而發(fā)生共振。

2.4確定動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)動(dòng)力機(jī)器的特性、類型、工藝配置、管道布置和振動(dòng)限值等要求，應(yīng)合理地采用大塊式基礎(chǔ)、墻式基礎(chǔ)、構(gòu)架式基礎(chǔ)或隔振基礎(chǔ)。

2.5基礎(chǔ)與機(jī)器的質(zhì)量比值

這一問(wèn)題的提出，是由于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的計(jì)算工作量大且較繁瑣，而實(shí)踐證明大量的中小型動(dòng)力機(jī)器并不需要繁瑣的動(dòng)力計(jì)算，也能保證基礎(chǔ)能夠滿足振動(dòng)限值的要求，因此需要對(duì)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，區(qū)分為可不做動(dòng)力計(jì)算的基礎(chǔ)、可簡(jiǎn)化動(dòng)力計(jì)算的基礎(chǔ)、必須進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算等三種。“報(bào)批稿”根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣，提出設(shè)計(jì)大塊式機(jī)器基礎(chǔ)可以不做動(dòng)力計(jì)算時(shí)基礎(chǔ)質(zhì)量與各類機(jī)器質(zhì)量的比值表格，供設(shè)計(jì)者參考使用。基組質(zhì)量與地基剛度構(gòu)成了基組的固有頻率。為避免共振，并非基礎(chǔ)質(zhì)量越大就越好，還與基礎(chǔ)底面尺寸和埋深等有關(guān)。

2.6動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的偏心率控制

偏心是指基礎(chǔ)底面形心與基組質(zhì)心間的水平距離，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使偏心距與平行于偏心方向的基礎(chǔ)底面邊長(zhǎng)之比滿足相關(guān)建筑標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，是概念設(shè)計(jì)的組成部分，必須認(rèn)真執(zhí)行。控制偏心率除了防止基組偏心沉降外，同時(shí)可使在動(dòng)力計(jì)算中不考慮質(zhì)量偏心的影響，將豎向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和水平回轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)分別計(jì)算，可簡(jiǎn)化動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)計(jì)算。

2.7動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)應(yīng)盡量考慮隔振設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，常常不將隔振作為優(yōu)先的設(shè)計(jì)方案。而近年來(lái)有的新型動(dòng)力機(jī)器、設(shè)備本身就帶有隔振裝置(如有的破碎機(jī)帶有隔振支座)，能減小機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)作用于基礎(chǔ)上的動(dòng)力荷載;有的設(shè)備工藝要求進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，也必須通過(guò)隔振設(shè)計(jì)才能滿足環(huán)境要求。所以無(wú)論是設(shè)備本身還是環(huán)境要求，動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)都應(yīng)該優(yōu)先考慮采用隔振設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。

3動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)動(dòng)力機(jī)器的特性和類型、工藝配置、管道布置等要求，確定基礎(chǔ)形式及各部分構(gòu)件的尺寸及相互連接要求后，繼而按合理的力學(xué)簡(jiǎn)圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜力計(jì)算，使其滿足振動(dòng)限值和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

3.1靜力計(jì)算的內(nèi)容

包括基礎(chǔ)底面平均靜壓力計(jì)算、破碎機(jī)和磨機(jī)基礎(chǔ)底面邊緣最大靜壓力計(jì)算，當(dāng)對(duì)地基變形有控制要求時(shí)，還應(yīng)包括靜力作用下的地基變形驗(yàn)算。計(jì)算基礎(chǔ)底面地基的平均靜壓力時(shí)，上部荷載包括基礎(chǔ)的重量和基礎(chǔ)上的回填土的重量、機(jī)器設(shè)備的重量以及傳至基礎(chǔ)上的其他荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。計(jì)算基礎(chǔ)底面邊緣的最大靜壓力時(shí)，還應(yīng)計(jì)及機(jī)器的當(dāng)量荷載產(chǎn)生的彎矩作用。按基礎(chǔ)上的靜荷載和動(dòng)荷載換算成當(dāng)量靜荷載之和作為設(shè)計(jì)荷載，對(duì)構(gòu)架式基礎(chǔ)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和配筋計(jì)算。對(duì)天然地基應(yīng)考慮動(dòng)力荷載和機(jī)器重要性對(duì)地基承載力的折減，同時(shí)也應(yīng)考慮地基土的種類和特性對(duì)地基承載力的折減。對(duì)于樁基只考慮機(jī)器重要性對(duì)地基土承載力的折減。

3.2動(dòng)力計(jì)算的內(nèi)容

包括機(jī)器擾力計(jì)算、當(dāng)量荷載計(jì)算、基礎(chǔ)的固有頻率計(jì)算、基礎(chǔ)振動(dòng)線位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度的計(jì)算以及振動(dòng)的合成。動(dòng)力計(jì)算中的振動(dòng)合成問(wèn)題，需要根據(jù)各臺(tái)機(jī)器的轉(zhuǎn)速特點(diǎn)、是獨(dú)立振源還是非獨(dú)立振源以及相位差等因素，按照相應(yīng)的理論確定。在荷載分類及其組合中，溫度應(yīng)力、氣缸膨脹

4動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的其他問(wèn)題

在動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以下幾個(gè)問(wèn)題也應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的重視。

4.1大塊式、墻式基礎(chǔ)的構(gòu)造要求

對(duì)大塊式基礎(chǔ)不必進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，但基礎(chǔ)體積大于40m3時(shí)應(yīng)沿基礎(chǔ)頂面、底面及四周配置鋼筋網(wǎng)，目的是防止溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力導(dǎo)致裂縫。鋼筋網(wǎng)要求細(xì)而密。基礎(chǔ)體積為20～40m3時(shí)可只在基礎(chǔ)頂面配置鋼筋網(wǎng)，目的是防止設(shè)備安裝、檢修時(shí)，混凝土表面遭受撞擊損壞，所有基礎(chǔ)底板和上頂板懸臂部分，配筋均需按強(qiáng)度計(jì)算確定。墻式基礎(chǔ)由頂板、縱墻(或橫墻)、底板三部分構(gòu)成，基礎(chǔ)上部尺寸由機(jī)器安裝要求確定。基礎(chǔ)各構(gòu)件之間的相互連接應(yīng)能保證基礎(chǔ)的整體剛度，設(shè)計(jì)和施工時(shí)尤其要注意加強(qiáng)各構(gòu)件之間的連接。墻式基礎(chǔ)一般均為構(gòu)造配筋，沿墻面應(yīng)配置鋼筋網(wǎng)，水平鋼筋在墻的端部應(yīng)搭接形成閉合形式，豎向鋼筋直徑可根據(jù)高度取偏大一些，保證鋼筋網(wǎng)片堅(jiān)挺。

4.2往復(fù)式壓縮機(jī)大塊式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題

4.2.1機(jī)器擾力

往復(fù)式壓縮機(jī)的擾力包括旋轉(zhuǎn)部分偏心產(chǎn)生的慣性力及各汽缸質(zhì)量往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，其中各列汽缸分?jǐn)_力向曲軸布置中心點(diǎn)平移形成總擾力和擾力矩;電機(jī)的短路力矩僅瞬時(shí)出現(xiàn)，而大塊式和墻式基礎(chǔ)強(qiáng)度的安全儲(chǔ)備較高，所以電機(jī)的短路力矩不必考慮;電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡慣性力相對(duì)于壓縮機(jī)擾力而言是很小的，所以一般可不考慮電機(jī)擾力的影響。在精度要求較高，振動(dòng)限值要求很?chē)?yán)的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，則應(yīng)考慮電機(jī)擾力的影響。

4.2.2基礎(chǔ)的偏心沉降

解決基礎(chǔ)的偏心沉降主要有3個(gè)途徑:1)使基礎(chǔ)偏心率不超過(guò)規(guī)定;2)將基礎(chǔ)設(shè)置在比較均勻的土層上;3)當(dāng)?shù)鼗鶠檐浫跬翆訒r(shí)，應(yīng)采用人工地基。

4.2.3基礎(chǔ)調(diào)頻

當(dāng)基礎(chǔ)的固有頻率與動(dòng)力機(jī)器的擾頻相接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，此時(shí)就需要對(duì)基礎(chǔ)采用調(diào)頻措施，以改變基礎(chǔ)的固有頻率。提高基礎(chǔ)固有頻率的方法有采用人工地基、采取加大基礎(chǔ)底板、減少基礎(chǔ)質(zhì)量、減小基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)施工后夯實(shí)四周回填土、基礎(chǔ)與地面采用剛性連接等措施。

4.2.4聯(lián)合基礎(chǔ)的應(yīng)用

當(dāng)機(jī)器的擾頻較低或擾力數(shù)值較大、容許振動(dòng)限值較嚴(yán)，可采用聯(lián)合基礎(chǔ)的形式。聯(lián)合基礎(chǔ)一般只取2～3臺(tái)聯(lián)合。聯(lián)合基礎(chǔ)能大大提高基礎(chǔ)的抗彎和抗扭剛度。

4.3關(guān)于溫度問(wèn)題

動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)不應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫，當(dāng)基礎(chǔ)尺寸過(guò)大時(shí)，可采取施工縫、用低熱水泥、增大骨料直徑、降低水膠比、增加基礎(chǔ)上表面鋼筋設(shè)置等措施;混凝土澆灌后的收縮問(wèn)題非常重要，應(yīng)該在設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)混凝土澆灌后的前期養(yǎng)護(hù)工作。

4.4樁基基礎(chǔ)

GB50040—96對(duì)樁基豎向抗壓剛度的計(jì)算方法是采用剛性樁的理論，樁的豎向剛度與樁長(zhǎng)呈正比增長(zhǎng)，樁越長(zhǎng)豎向剛度越大;“報(bào)批稿”采用變形樁理論計(jì)算，即將樁當(dāng)作埋入土中的彈性桿件，樁周表面與土緊密接觸，樁周?chē)翆邮怯蔁o(wú)限薄層組成的線彈性體，此時(shí)有一個(gè)有效樁長(zhǎng)問(wèn)題，樁并不是越長(zhǎng)越好，按照桿件縱向振動(dòng)理論，并簡(jiǎn)化后求得的。變形樁理論的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果比較接近，特別是對(duì)于長(zhǎng)樁和端承樁，這是因?yàn)榭紤]樁本身剛度修正后，當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)一定值后，樁的抗壓剛度不再增加。對(duì)于以水平振動(dòng)為主的機(jī)器基礎(chǔ)，當(dāng)采用預(yù)制樁基時(shí)，為增加地基的水平剛度，可采取加大基礎(chǔ)底面積、降低基礎(chǔ)高度等措施。

5結(jié)語(yǔ)

由于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與土的動(dòng)力特性關(guān)系極大，計(jì)算與實(shí)測(cè)相差較大，而且與靜力問(wèn)題不同，所以進(jìn)行概念設(shè)計(jì)尤為必要。對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，掌握振動(dòng)的原理和基本概念，采用合理的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造要求在動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中是十分重要的。

作者：劉茂盛張應(yīng)之郭永生單位：中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司