结构设计中的动力机器基础分析

□□李成峰，田敬淼

结构设计中的动力机器基础分析

Foundation Analysis for Motive Power Machine in Structure Design

□□李成峰1，田敬淼2

动力机器基础的设计是建筑工程中的一项复杂的问题，其特点是机器运转时会产生较大不平衡惯性力，根据机器对基础的作用特征，所以称为动力机器。

1 动力机器的分类

动力机器常按对基础的动力作用形式分为以下两类：

1.1 周期性作用的机器

（1）往复运动的机器，例如活塞式压缩机等，它们的特点是平衡性差，振幅大，而且由于转速低，有可能引起附近建筑物或其中部分构件的共振。

（2）旋转运动的机器：例如电机，汽轮机组及风机等，汽轮机组的特征一般是工作频率高，平衡性能好和振幅小。

1.2 间歇性作用或冲击作用的机器

2 动力机器基础的结构类型

动力机器基础的结构类型主要有实体式、墙式及框架式三种:

（1）实体式基础，通常作成刚度很大的钢筋混凝土块体，因而可按地基上的刚体进行振动计算；

（2）墙式基础则由承重的纵、横向墙组成；

（3）框架式基础一般用于平衡性较好的高频机器，其上部结构是由固定在一块连续底板或可靠基岩上的立柱以及立柱上端刚性连接的纵、横梁组成的弹性体系，因而可按框架结构计算。

3 动力机器基础设计的要求

动力机器的动荷载必然会引起地基及基础的振动，从而可能产生不良影响，如降低地基土的强度并增加基础的沉降量，影响正常生产，机器零件易于磨损，因此动力机器基础设计应满足下列基本要求：

（1）地基和基础不应产生影响机器正常实用的变形；

（2）基础本身应具有足够的强度、刚度和耐久性；

（3）基础不产生影响工人身体健康及妨碍机器正常运转和造成建筑物开裂和破坏的剧烈振动；

（4）基础的振动不应影响邻近建筑物、构筑物或仪器设备等的正常使用；基础应与厂房结构或其他构筑物基础分开;当基础埋置深度相同时，其净距不宜小于100mm；当振动管线搁置在建筑物上时，应采取可靠的防振措施,防止厂房及平台受压缩机基础的影响。

4 动力机器基础设计

4.1 动力机器基础设计时应具备的工艺资料

（1）机器的型号、转速、功率、规格及轮廓尺寸图等；

（2）机器自重及中心的位置；

（3）机器底座外廓图、辅助设备、管道位置和坑、沟、孔洞尺寸和灌浆层厚度、地脚螺栓和预埋件的位置等；

（4）机器的扰力和扰力矩及其方向；

（5）基础的位置及其邻近建筑物的基础图；

（6）建筑场地的地质勘察资料及地基动力试验资料;

（7）对于磨机基础设计尚应具备以下资料：

a磨机、电机和减速器的相互位置及传动的方式；

b磨机内碾磨体及物料的总重；

c磨机筒体中心线距基础面的距离（磨机的墙式和大块式可不进行动力计算）。

4.2 荷载取值

设计动力机器基础的荷载取值应符合下列规定：

（1）当进行静力计算时，荷载应采用设计值；

（2）当进行动力计算时，荷载应采用标准值。

4.3 基础埋深

基础的埋置深度及尺寸一般要根据地质资料、厂方基础及管沟埋深等条件综合确定。基础的外形尺寸一般根据制造厂提供的机器轮廊尺寸及附件、管沟等的布置加以确定，同时还须满足基础整体刚度方面的构造要求。

4.4 校核地基承载力

振动作用下地基土的抗剪强度的降低幅度与振幅、频率及振动加速度有关。一般来说，振动越强烈地基土的强度降低也就越多。由于地基土在动荷作用下抗剪强度有所降低，并出现附加沉降，因而地基承载力设计值应予以折减。这样，设计机器基础时应满足下列条件：

式中：αf——动力折减系数

对曲柄连杆机器，其振幅虽较大，但频率低，因此不须折减，即αf=1.0；

对汽轮机组与电机，因为它们具有对沉降敏感的转动长轴，故取αf=0.8；

锻锤基础一般有较大的附加沉降（因冲击振动大），须作较大的折减，其折减系数详见具体规范规定；

对其他振动加速度较小的机器基础，一般可取αf=1.0。

4.5 基础偏心计算

基础设计时应力求使基组（包括机器、基础和基础底板上的附属设备及填土）重心与基础底面形心位于同一垂直线上，当不在同一垂直线上时，两者之间的偏心距和平行偏心方向基底边长的比值不应超过下列限值：

（1）对汽轮机组和电机基础为3%；

（2）对金属切削机床基础以外的一般机器基础：

当地基承载力标准值fk≤150kPa时为3%；

当地基承载力标准值fk＞150kPa时为5%。

4.6 动力计算

进行动力计算，这个是动力机器基础设计的关键，其内容为确定固有频率（自振频率）的振动量（位移、速度或加速度的幅值等），并控制这些振动量不超过一定的允许范围。对大多数动力机器基础而言，主要是控制振幅值和速度值，而对振动能量较大的动力基础，则还须控制加速度值。

对实体式基础的振动计算，目前主要的理论有两种：（1）质量-弹簧模型理论以及改善过的质量-弹簧-阻尼器模型理论；（2）刚体-半空间模型理论（简称半空间理论）。

质量-弹簧模型理论把实际的机器、基础和地基体系的振动问题简化为放在无质量的弹簧上的刚体的振动问题，其中基组（包括基础、基础上的机器和附属设备，以及基础台阶上的土）假定为刚体，地基土的弹性作用以无质量弹簧的反力表示，这种理论也称为动力机床系数法。后来为了考虑共振区的振动特性，又在此基础上加一新的元件——阻尼器，从而形成了质量-弹簧-阻尼器模型，阻尼器所具有的粘滞阻力反映了振动时体系所受的地基阻尼作用；质量-弹簧-阻尼器模型中的质量M通常取为基组的质量m，但有时也包括了基础下面一部分地基土的质量，此种理论的关键是如何正确确定振动体系的质量m,刚度K及阻尼系数N。

刚体-半空间理论的计算模型是把地基视为半空间（半无限连续体）、基础作为半空间上的刚体的一种模型。机器基础的振动就是以这个刚体的振动表示。利用动力弹性理论分析地基中波的传播，由数学分析法或数值法求出基础与基底上的动应力。利用这种动应力就可以确定刚体的运动方程，从而可以确定基础的振动状态。

实体基础的振动可分解为相互独立的三种运动：a沿OZ轴的竖向振动；b在XZ及YZ平面内的水平回转耦合振动；c绕OZ轴的扭转振动。此三种振动可以分开计算，然后叠加。

根据计算结果验算基础与机器发生共振的可能性，使其满足：

1.25＜基础自振频率/扰力频率＜0.75的要求。

在设计中必须严格遵循《动力机器基础设计规范》（GB 50040-96）及相应动力机器基础设计规范的有关规定，根据机器的布置、动力特性、制造厂商提供的数据及要求、岩土工程条件、生产和工艺对压缩机基础的技术要求等因素，选择有关动力参数和基础形式。

4.7 构造规定

（1）边缘至基础边缘的距离不宜小于100mm。除锻锤基础以外，在机器底座下应预留二次灌浆层，基厚度不宜小于25mm。二次灌浆层应在设备安装就位并初调后，用微膨胀混凝土填充密实，且与混凝土基础面结合。

（2）动力机器基础底脚螺栓的设置应符合下列规定：

a底脚螺栓的埋置深度不应小于20倍螺栓直径，带锚板地脚螺栓的埋置深度不应小于15位螺栓直径。

b底脚螺栓轴线距基础边缘不应小于4倍螺栓直径，预留孔边距基础边缘不应小于100mm，当不能满足要求时，应采取加强措施。

c预埋底脚螺栓底面小的混凝土净厚度不应小于50mm，当为预留孔时，则孔底面下的混凝土净厚度不应小于100mm。

（3）动力机器基础的混凝土强度等级不宜低于C15，对按构造要求设计的或不直接承受冲击力的大块式或墙式基础，混凝土的强度等级可采用C10。

（4）动力机器基础的钢筋宜采用Ⅰ、Ⅱ级钢筋，不宜采用冷轧钢筋。受冲击力较大的部位，宜采用热轧变形钢筋。钢筋连接不宜采用焊接接头。

（5）重要的或对沉降有严格要求的机器，应在其基础上设置永久的沉降观测点，并应在设计图纸中注明要求。在基础施工、机器安装及运行过程中应定期观测，作好记录。

总之,对于动力机器的设计主要是要减少振源的振动，调整建筑物或构筑物的结构刚度，改变系统的固有频率以避免共振；采用减振装置和隔振措施，避免振动对车间和设备的损坏，以保证生产的正常运行。

[1]中华人民共和国机械工业部.动力机器基础设计规范[M].北京：中国计划出版社，1997.

[2]杨位洸.地基及基础[M].北京：中国建筑工业出版社，1988.

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