建筑结构晃动工程实例

建筑结构振动或晃动工程实例(一)前言(二)武钢炼铁厂7#高炉(三)武钢烧结厂203转运站(四)鄂钢4号高炉斜桥(五)武钢一炼钢CD跨(六)小结(一)前言建筑物所受到的振动主要是来自设备、建筑施工及交通的影响，主要表现为墙皮剥落、墙壁龟裂、地板裂缝、基础变形或下沉等，严重的甚至倒塌。建筑物受到振动影响大小主要与如下因素有关：

1.振源的振幅和频率；

2.振源至建筑物的距离和振动传播介质的特性；

3.建筑物类型和陈旧程度；

4.建筑物整体及各部分构件的响应特性。德国允许振动的标准(DIN4150)美国建筑结构安全极限的标准ISO推荐的建筑振动标准日本烟中元弘归纳的建筑物振动允许界限1、位移的允许值(1)R.WESTWATER普通建筑物0.067mm强度特别好的建筑物0.135mm(2)A.G.REID设备和基础结构0.406mm可以有轻微受害的场所0.406mm住宅和建筑物0.203mm教堂、旧纪念馆0.127mm2、振动速度允许值(1)E.BANIK建筑物基本没有损坏

5m/s轻微损坏10m/s损坏较大50m/s损坏严重1000m/s(2)E.J.GRANDELL损坏的危险范围>84m/s损坏发生

>119m/s3、加速度允许值(1)E.BANIK安全范围

0.102g开始引起损坏>1.02g1990年《机器动荷载作用下建筑承重结构的振动计算和隔振设计规程》YBJ55-90的规定(二)武钢炼铁厂7#高炉武钢炼铁厂七号高炉由武汉钢铁设计研究院设计，于2004年10月15日破土动工，2006年6月28日投产，总投资12.98亿元，占地面积15.67万平方米，有效容积3200立方米，是完善炼铁与炼钢、轧钢生产能力相配套的工程，设计日产达7360吨。武钢炼铁厂7#高炉投产后发现在高炉上部天车运行时吊车梁所在平台与高炉除尘下降管道振动较大，为掌握吊车梁所在的平台结构和下降管的振动情况、寻找引起振动的主要原因，并为减少振动所采取的处理措施等提供技术依据，对其振动位移幅值与频谱特性进行测试。测试工况工况Ⅰ：正常生产（吊车未运行）；工况Ⅱ：吊车空车运行,大车、小车往复运行。平台结构最大振动幅值测试结果（mm）测点测试项目最大振幅工况Ⅰ：正常生产（吊车未行驶）工况Ⅱ：吊车空车运行,大车、小车往复运行2横向水平位移0.6423.1430.2616.0240.100.1750.031.11蓝线表示工况Ⅰ：正常生产（吊车未行驶）

红线表示工况Ⅱ：吊车空车运行,大车、小车往复运行(三)武钢烧结厂203转运站203转运站2005年建成投产，该转运站为10层四柱组成的规则混凝土框架结构，纵横向柱距均为9m，结构高度约50m，框架柱在29m处截面由900×900变为700×700，从地面到标高39m基本未设置楼板，在标高39m平台布置混-205皮带机(南北向)，标高42.2m平台布置混-204皮带机(东西向)，两皮带机呈90度布置，具体标高39m和标高42.2m结构平面图。该转运站建成后发现在混-205皮带机、混-204皮带机启动和停止运行时，结构振动明显，为保证结构安全，2006年6月设计单位提出了沿框架四周全高设置钢支撑，但厂方反映采取措施后振动并未明显减小。

将拾振器双向布置在框架柱变截面标高处(29.0m)、皮带机位置标高39m和标高42.2m处。皮带机的启动对转运站来讲是典型的冲击激励，在此激励下结构出现比较典型的强迫振动特点，属有阻尼的简谐振动，从结构开始接受冲击到振动达到最大值、再到振动衰减到正常状态的时间大约在6～9秒之间，有比较明显的振动增大和衰减段。

各测点最大位移测试结果

测区测点标高测试项目单峰值(mm)峰峰值(mm)1＃42.0m南北向位移4.68.61＃东西向位移3.77.82＃39.0m东西向位移3.26.02＃南北向位移4.99.13＃29.0m南北向位移3.57.03＃东西向位移3.05.6加固方案转运站结构变形的主要途径是增大结构的刚度，而增大结构刚度一般有两种途径：增大结构构件的截面和采用刚度更大的结构形式(原来增设钢支撑的加固方案也属此类)。根据以上思路提出如下两种加固方案：方案一：框架柱：沿全高外包钢筋混凝土，混凝土强度等级C35，加固后的柱截面尺寸均为1100mm×1100mm。框架梁：外包钢筋混凝土，混凝土强度等级C35，加固后尺寸为400mm×1000mm。方案二：在框架四面沿全高度各层梁柱之间形成带洞口的钢筋混凝土墙，墙厚400mm。洞口尺寸：6500mm×3500mm。计算结构加固方案实际计算时考虑了6种结构形式：结构形式一：原结构；结构形式二：设计单位提出的增设钢支撑的方案；结构形式三：所有柱子均扩大截面到1100mm×1100mm，用C35混凝土；结构形式四：剪力墙厚度为400mm，考虑开洞6500×3500；结构形式五：同时考虑增设钢支撑和增大构件截面；结构形式六：同时考虑增设钢支撑和增设大洞口剪力墙。原设计截面增设支撑增设支撑及加大截面增设支撑及增设剪力墙部分层计算位移汇总表

序号标高(m)U(X)(mm)U(Y)(mm)原结构增设钢支撑原结构增设钢支撑1-0.1000025.00.5110.1500.5290.118329.07.5131.8198.0501.849439.011.6902.92012.6403.154542.212.5693.21914.3543.850649.313.7083.84316.5805.175部分层计算位移汇总表

结构形标

式高

(m)U(X)(mm)U(Y)(mm)一二三四五六一二三四五六-0.100000000000014.02.6820.6471.9570.3870.5020.2882.8130.5832.0840.3910.4720.28329.07.5131.8195.7730.9711.3790.7998.0501.8496.3351.0471.4330.84439.011.6902.9208.4341.5522.1401.30412.6403.1549.6261.6722.3701.39442.212.5693.2199.1021.7182.3621.45514.3543.85010.6851.9212.7851.622小结

1.对该转运站振动测试结果实测南北向最大位移是标高39.0米平台处，为9.1mm，东西向在标高42.0米平台，为7.8mm。

参照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)的规定：高层混凝土框架结构的层间侧移标准值不得超过结构层高的1/550；该转运站结构框架高度约42米(考虑测试位置)，其顶部侧移限值是42000/550=76mm，实际振动位移明显小于顶部侧移限值。

参照冶金工业厂房《钢筋混凝土柱设计规程》(YS09-78)的规定：露天吊车栈桥柱按照独立悬臂柱计算，其吊车梁顶面处的侧移值应不大于10mm。一般的露天栈桥柱高度不超过20米，而该转运站结构框架高度约42米，其实测振动最大不超过10mm，应该在允许的范围内。

2.在设计单位给定荷载下，该转运站实测最大位移对应位置的南北方向最大计算位移是11.690mm(标高39.0米平台)，东西方向最大的位移是14.354mm(标高42.2米平台)，计算位移比实测值大，说明在皮带机启动冲击荷载作用下该转运站的变形在允许的范围内，可以认为是一种正常的结构反应。

3.对该转运站考虑两种加固方案的计算结果表明：加大截面的方案，结构的位移可以减小约25%；将框架结构改为剪力墙结构后位移可以减小约80%，同时考虑增设钢支撑和增大构件截面和同时增设钢支撑和增设大洞口剪力墙控制位移的效果更好。计算结果表明在加固方案实施后可以明显减小结构的位移，但前期条件是处理好两者之间的构造连接，要原结构与后增结构协同工作。

5.从理论上讲，2006年6月采取钢支撑加固后效果应不错，计算结果表明增设钢支撑控制变形的效果比增大构件截面的方案还要好，与增设剪力墙的效果比较接近；在钢支撑存在的条件下进行混凝土框架的加固有一定的难度，主要是加固用混凝土在框架节点处无法同原结构很好的连接，无法保证两者的共同工作，加固效果无法保证。

6.结合对该转运站结构的振动测试、原结构及加固后结构的计算分析，认为目前该转运站结构振动是正常的结构反应，还在结构安全和相关规范要求的范围内，即使不加固，结构的安全使用也是有保证的；从另外一个角度考虑，也可以对已加固的钢支撑连接节点进一步进行处理，通过钢支撑的设置进一步增强结构抵抗变形的能力，使钢支撑作为一种耗能构件存在，也不失为一种解决问题的思路。(四)鄂钢4号高炉斜桥鄂钢1号高炉(1080高炉)易地大修工程中的高炉上料斜桥由武汉钢铁集团设计研究院设计，武汉武钢高炉长寿技术公司总承包，重庆三环建设监理咨询有限公司监理，中国第十九冶金建设公司施工，2004年10月建成验收合格、投入使用。鄂钢1号高炉(1080高炉)易地大修工程高炉上料斜桥主要承重结构为两榀焊接钢桁架及空间支撑组成，斜桥桁架下端支承于混凝土基础，上部支承于高炉钢框架。投产使用过程中相关人员反应振动较大，尤其是侧向(南北向)振动大。

振动测试结果

测试期间生产正常进行，根据测试结果发现支座处动位移很小；较大动位移出现在悬臂端端部1测区处、平台端部3测区处和桁架跨中上弦5测区处，单峰最大值约为1.4mm，峰-峰最大值约为2.6mm。

应力测试斜桥测试数据统计表单位：Mpa测区测点上行极值上行均值下行极值下行均值变化幅度变化幅度均值115.85536.3995.43704.99797.40277.543426.94274.55877.6841234.93515.48363.34594.2666.23178.001746.03215.18615.7716354.47564.47562.67672.67676.23176.231747-5.56257.0841-4.34965.31166.52448.17658-8.6056-6.27359.8285结构计算斜桥结构采用空间结构模型，杆件为三维梁单元，梁截面按实际情况考虑。下边两支座限制三个方向的平移，上边两支座限制y和z两个方向的平移。料车空车时的自重为10t，装料后自重为21.2t，钢丝绳的拉力按拖动料车匀速运行时的拉力考虑，根据实际情况，钢丝绳的拉力在斜桥桁架平面外有一个分量。为模拟料车运行情况，考虑了多种荷载工况，反映出料车的一个完整运行过程。对斜桥桁架每根杆件进行承载力验算，控制杆件为桁架上弦第4节间杆件，考虑稳定系数后的计算应力达到198MPa，小于材料强度设计值205MPa，说明结构承载能力满足要求。由于结构存在偏心荷载作用，斜桥晃动不属于异常现象，在没有缺陷损伤的情况下，结构是安全可靠的。为减小晃动幅度，应加固斜桥入口处的立柱，增强其抗侧移刚度。料车作用下最大应力水平（MPa）

测点号位置计算应力实测应力1腹杆0~18.60~7.52下弦杆0~34.30~8.03腹杆0.5~15.90~6.24上弦杆-23.1~0-8.2~0处理建议1.对高炉斜桥下端部入口钢架进行处理，增大其刚度，控制变形。2.对高炉斜桥桁架上下弦支撑进行改造处理，将单角钢支撑更换为双角钢支撑或其他形式刚度较大的支撑；将斜桥桁架下端部连接不合理的下弦支撑进行改造处理。3.对南侧小车及其轨道进行检修，尽量减小小车运行中的振动对斜桥桁架的冲击作用。4.建议加强对改向绳轮平台以上部分斜桥桁架的变形检查，若出现更加明显的平面外变形，应立即进行整体处理。(五)武钢一炼钢CD跨

武钢一炼钢厂主厂房C—D跨14—21线于1998年建成，为全钢结构，跨度22m，柱距为18m+4×12m＋18m＋15m＝99m。在该区域内有3台180/75t软钩吊车，工作制为A7级。建成投产后，当有吊车作用时厂房结构有较大晃动，缺乏安全感。另外，在D列吊车梁梁端支承加劲肋相互之间的高强度螺栓连接，有多处螺栓断裂。在正常生产工况下，柱顶处最大横向动位移为1.6mm，最大峰－峰动位移值为3.2mm，吊车梁顶处柱的最大横向动位移为1.7mm，最大峰－峰动位移值为2.9mm；吊车梁跨中最大横向动位移为1.1mm，最大峰－峰动位移值为2.9mm，结构晃动均在正常范围之内。

构件测点最

值峰峰值备注柱D/201－1