熊永华，陈昆鹏，王少杰

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 4300151；2.武汉大学，湖北 武汉 430072）

0 引言

随着我国工业建筑厂房数量增多,将大型机械布置到楼层上，其经济性效果显著，已经成为一个必然趋势。设备搁置与楼板之上，设备振动会引起结构楼板随之振动，若设备振动频率与楼层结构振动频率相似将会引起楼层结构的共振，甚至会导致结构的损坏。在工业建筑中，如何减振、避振已经成为设计中的一个难题，要解决振动的问题，可以对结构进行动力测试，掌握结构自身的振动频率、阻尼特性等特征，采取合适的结构布置方案，使结构振动频率远离设备振动频率，从而达到减振隔振的目的[1]。

本文以武汉市某污水处理厂深邃为研究对象（见图1），基于ANSYS 有限元数值分析软件建立有限元数值模型进行模态分析，得出深邃泵房固有频率及振型，根据模态分析的结果提出合理的深邃泵房加固方案以减少振动的影响。

图1 深邃泵房典型平面及剖面图

1 深邃泵房有限元分析

1.1 泵房模型和材料

本研究对象的混凝土强度等级为C35，弹模为3.15×104MPa，密度为25 t/m3，泊松比取为0.2。研究[1]显示当承受动力荷载时，结构的动弹模会随动力大小发生改变，在动应力值较小时，混凝土的动弹模与静弹模基本接近，随着动应力的增大动弹模会随之增大，并在动应力达到一定值时趋于稳定，一般动弹模是静弹模的1.05 倍。本工程案例中混凝土的动弹模取等于静弹模。深邃泵房设计图纸见图1。

根据设计图，建立深邃泵房的总体模型见图2。模型通过三维建模软件根据设计图纸建立了地面以下的结构。深邃泵房地下部分类似桶状结构，分为6层，泵房最外层为地下连续墙，最下两层分别放置了蜗壳、电机，中间三层放置吊车，上层为泵房电缆层及工作活动区。

图2 泵房有限元几何模型

1.2 管道网格划分

模型网格划分情况如下，总节点数为776 847，总单元数为352 272，网格质量合格。管道有限元网格划分见图3。

图3 深邃泵房总体网格划分

1.3 泵房约束

泵房结构的约束情况示意见图4。将各层板、梁柱与地下连续墙连接处设置为固定约束。泵房墙壁外侧与土层接触采用水平弹簧单元模拟，弹簧刚度根据本工程地勘报告提供的基床系数确定，取深度加权值10 000 kN/m2。

图4 泵房总体约束设置

1.4 泵房模态分析结果

泵房模态分析结果见图5。模态分析包括结构的自振频率计算和振型计算，借助振型图确定结构构件自振频率分布。

图5 泵房前10 阶模态

泵房前10 阶振型图及振型说明见图5 及表1。

表1 前10 阶模态振型说明

水泵从启动至正产工作频率范围为0~8.25 Hz，由模态分析结果可知，水泵工作主频（8.25 Hz）在1阶频率和2 阶频率之间。为避免共振的发生，泵房结构自振频率需避开水泵的主频（8.25 Hz）。根据泵房前10 阶模态的振型图可得出：随机振动产生振幅较大的部位是泵房中心墙，相对标高11.50 m 层、相对标高42.50 m、相对标高46.30 m 层。前10 阶模态振型分析结果显示：易产生振动变形的位置为各层板的中心处、层板被梁或墙分成两区域后两个半圆的形心处，这些地方振动振幅较大的区域。

综上分析，可考虑在相对标高27.00 m 与34.75 m层处增加梁以提高固有频率到泵的主频以上，减少共振影响。

1.5 增加梁后泵房模态分析结果

图6 所示为在相对标高27.00 m 与34.75 m 层处每层增加四道轴向截面为900 mm×1 600 mm 的梁后的厂房三维模型，其余层板等尺寸不变。

图6 增加梁后的深邃泵房模型

图7 为厂房模态分析结果，表2 为前4 阶模态振型说明。表3 为增加梁的尺寸与厂方固有频率关系。

表3 梁截面尺寸与厂方固有频率关系

图7 前4 阶模态振型

表2 前4 阶模态振型说明

由模态分析结果可知：各阶模态频率与振幅差别不大，增加梁后的泵房1 阶频率高于泵的主频25%以上，不易和泵产生共振影响。

2 结论

（1）基于ANSYS 有限元数值分析软件建立了深邃泵房有限元数值分析模型，从而进行模态分析，结果显示，最容易产生振动变形的部位是各层板的中心处、层板被梁或墙分成两区域后两个半圆的形心处，这些地方属于振幅较大的区域。

（2）增加梁后的泵房1 阶频率高于泵的主频25%以上，不易和泵产生共振影响。通过结构有效布置可减少振动和变形，对于解决泵房振动问题是有效的。