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1動力機器基礎的概念設計

在動力荷載作用下，如基組固有頻率與機器擾力頻率相同就會產生共振效應。影響基礎振動的主要因素是機器的擾頻、地基剛度、基組質量等。防止共振的發生就要使基組的固有頻率與擾力頻率盡量錯開。動力機器基礎振動對機器及環境都會產生不利的影響，振動事故處理的難度也較大，因此，在動力機器基礎設計伊始，結構設計人員就應該對振動問題產生足夠的重視。

2動力機器基礎概念設計的基本內容

根據對動力設備基礎的研究以及對振動產生危害的總結、多年工程實踐經驗所形成的設計原則，構成了如下概念設計的基本內容。

2.1動力機器資料的收集

動力設備基礎的設計，離不開設備制造廠家資料的提供，尤其是新型關鍵設備的基礎設計，需要廠家配合土建設計人員共同完成設計任務，各有關的動力機器基礎設計標準都明確提出了設備制造廠家應該提供的技術資料內容，及建造單位需要配合提供的技術資料。其中動力機器的擾力由設備制造廠家提供尤為重要。考慮設備制造廠家不是都能夠提供機器擾力，《有色金屬工程設備基礎技術規范》(報批稿)(簡稱“報批稿”)在附錄B和有關章節中給出了一些動力設備擾力的計算式，以方便設計時參考使用。

2.2動力機器基礎的容許振動標準

目前國內關于動力機器基礎設計的幾個標準:GB50868—2013《建筑工程容許振動標準》、GB50040—96《動力機器基礎設計規范》、GB50463—2008《隔振設計規范》、冶金工業部1977《制氧機等動力機器基礎勘察設計暫行條例》、HG20544《活塞式壓縮機基礎設計規范》、SH3091《石油化工壓縮機基礎設計規范》、HG/T20643—2012《化工設備基礎設計規范》、DL5022—2012《發電廠土建結構設計技術規定》，這些標準都根據不同類型的機器及環境要求，用容許振動線位移或容許振動速度作為控制標準。動力機器基礎的設計必須結合具體工程要求，正確選擇適合的容許振動限值。“報批稿”對機器基礎振動容許標準，選取了振動速度作統一表述，根據不同類型的機器、轉速，用容許振動速度作為控制標準匯總在一個表格中，統一了動力機器基礎振動控制的口徑，并與最近頒布的GB50868—2013基本協調一致，以供設計參考，當需要用其他指標控制時，可按給出的算式換算。

2.3確定天然地基剛度系數及基礎的埋深

天然地基的抗壓剛度系數Cz值，宜由現場試驗來確定，對于特別重要的動力機器基礎的設計，應該強調這一要求的必要性;對于一般動力機器基礎，在沒有試驗數據時，可按GB50040—96提供的根據地基承載力特征值確定的天然地基抗壓剛度系數Cz值;也可按“報批稿”根據地基土的變形模量確定天然地基抗壓剛度系數Cz值，作為對GB50040—96的補充。由于基礎四周的回填土能提高地基剛度，從而提高基礎的固有頻率，基礎埋置深度對基底尺寸的比值越大，其影響越大，特別對抗彎和抗剪剛度的提高尤為明顯。當基礎與剛性地面相連時，地基的抗彎、抗剪和抗扭剛度都有較大的提高。動力基礎計算時，應合理調整基底面積，以調整天然地基抗壓剛度系數Cz，避免因設計基礎的固有頻率與機器擾頻接近而發生共振。

2.4確定動力機器基礎的結構形式

根據動力機器的特性、類型、工藝配置、管道布置和振動限值等要求，應合理地采用大塊式基礎、墻式基礎、構架式基礎或隔振基礎。

2.5基礎與機器的質量比值

這一問題的提出，是由于動力機器基礎的計算工作量大且較繁瑣，而實踐證明大量的中小型動力機器并不需要繁瑣的動力計算，也能保證基礎能夠滿足振動限值的要求，因此需要對動力機器基礎的設計，區分為可不做動力計算的基礎、可簡化動力計算的基礎、必須進行振動計算等三種。“報批稿”根據以往的設計經驗和習慣，提出設計大塊式機器基礎可以不做動力計算時基礎質量與各類機器質量的比值表格，供設計者參考使用。基組質量與地基剛度構成了基組的固有頻率。為避免共振，并非基礎質量越大就越好，還與基礎底面尺寸和埋深等有關。

2.6動力機器基礎的偏心率控制

偏心是指基礎底面形心與基組質心間的水平距離，設計時應使偏心距與平行于偏心方向的基礎底面邊長之比滿足相關建筑標準的規定，是概念設計的組成部分，必須認真執行。控制偏心率除了防止基組偏心沉降外，同時可使在動力計算中不考慮質量偏心的影響，將豎向振動、扭轉振動和水平回轉耦合振動分別計算，可簡化動力機器基礎的振動計算。

2.7動力機器基礎應盡量考慮隔振設計

傳統的動力機器基礎設計，常常不將隔振作為優先的設計方案。而近年來有的新型動力機器、設備本身就帶有隔振裝置(如有的破碎機帶有隔振支座)，能減小機器運轉時作用于基礎上的動力荷載;有的設備工藝要求進行隔振設計，也必須通過隔振設計才能滿足環境要求。所以無論是設備本身還是環境要求，動力機器基礎的設計都應該優先考慮采用隔振設計來達到經濟合理的目的。

3動力機器基礎的結構設計

根據動力機器的特性和類型、工藝配置、管道布置等要求，確定基礎形式及各部分構件的尺寸及相互連接要求后，繼而按合理的力學簡圖進行結構的動、靜力計算，使其滿足振動限值和結構強度的要求。

3.1靜力計算的內容

包括基礎底面平均靜壓力計算、破碎機和磨機基礎底面邊緣最大靜壓力計算，當對地基變形有控制要求時，還應包括靜力作用下的地基變形驗算。計算基礎底面地基的平均靜壓力時，上部荷載包括基礎的重量和基礎上的回填土的重量、機器設備的重量以及傳至基礎上的其他荷載的標準值。計算基礎底面邊緣的最大靜壓力時，還應計及機器的當量荷載產生的彎矩作用。按基礎上的靜荷載和動荷載換算成當量靜荷載之和作為設計荷載，對構架式基礎構件進行強度和配筋計算。對天然地基應考慮動力荷載和機器重要性對地基承載力的折減，同時也應考慮地基土的種類和特性對地基承載力的折減。對于樁基只考慮機器重要性對地基土承載力的折減。

3.2動力計算的內容

包括機器擾力計算、當量荷載計算、基礎的固有頻率計算、基礎振動線位移、振動速度、振動加速度的計算以及振動的合成。動力計算中的振動合成問題，需要根據各臺機器的轉速特點、是獨立振源還是非獨立振源以及相位差等因素，按照相應的理論確定。在荷載分類及其組合中，溫度應力、氣缸膨脹

4動力機器基礎設計中的其他問題

在動力機器基礎結構設計中，以下幾個問題也應引起設計人員的重視。

4.1大塊式、墻式基礎的構造要求

對大塊式基礎不必進行強度計算，但基礎體積大于40m3時應沿基礎頂面、底面及四周配置鋼筋網，目的是防止溫度應力和收縮應力導致裂縫。鋼筋網要求細而密。基礎體積為20～40m3時可只在基礎頂面配置鋼筋網，目的是防止設備安裝、檢修時，混凝土表面遭受撞擊損壞，所有基礎底板和上頂板懸臂部分，配筋均需按強度計算確定。墻式基礎由頂板、縱墻(或橫墻)、底板三部分構成，基礎上部尺寸由機器安裝要求確定。基礎各構件之間的相互連接應能保證基礎的整體剛度，設計和施工時尤其要注意加強各構件之間的連接。墻式基礎一般均為構造配筋，沿墻面應配置鋼筋網，水平鋼筋在墻的端部應搭接形成閉合形式，豎向鋼筋直徑可根據高度取偏大一些，保證鋼筋網片堅挺。

4.2往復式壓縮機大塊式基礎設計的幾個問題

4.2.1機器擾力

往復式壓縮機的擾力包括旋轉部分偏心產生的慣性力及各汽缸質量往復運動產生的慣性力，其中各列汽缸分擾力向曲軸布置中心點平移形成總擾力和擾力矩;電機的短路力矩僅瞬時出現，而大塊式和墻式基礎強度的安全儲備較高，所以電機的短路力矩不必考慮;電機轉子不平衡慣性力相對于壓縮機擾力而言是很小的，所以一般可不考慮電機擾力的影響。在精度要求較高，振動限值要求很嚴的壓縮機設計時，則應考慮電機擾力的影響。

4.2.2基礎的偏心沉降

解決基礎的偏心沉降主要有3個途徑:1)使基礎偏心率不超過規定;2)將基礎設置在比較均勻的土層上;3)當地基為軟弱土層時，應采用人工地基。

4.2.3基礎調頻

當基礎的固有頻率與動力機器的擾頻相接近時，會產生很大的振動，此時就需要對基礎采用調頻措施，以改變基礎的固有頻率。提高基礎固有頻率的方法有采用人工地基、采取加大基礎底板、減少基礎質量、減小基礎埋深、基礎施工后夯實四周回填土、基礎與地面采用剛性連接等措施。

4.2.4聯合基礎的應用

當機器的擾頻較低或擾力數值較大、容許振動限值較嚴，可采用聯合基礎的形式。聯合基礎一般只取2～3臺聯合。聯合基礎能大大提高基礎的抗彎和抗扭剛度。

4.3關于溫度問題

動力機器基礎不應設置溫度伸縮縫，當基礎尺寸過大時，可采取施工縫、用低熱水泥、增大骨料直徑、降低水膠比、增加基礎上表面鋼筋設置等措施;混凝土澆灌后的收縮問題非常重要，應該在設計中強調混凝土澆灌后的前期養護工作。

4.4樁基基礎

GB50040—96對樁基豎向抗壓剛度的計算方法是采用剛性樁的理論，樁的豎向剛度與樁長呈正比增長，樁越長豎向剛度越大;“報批稿”采用變形樁理論計算，即將樁當作埋入土中的彈性桿件，樁周表面與土緊密接觸，樁周圍土層是由無限薄層組成的線彈性體，此時有一個有效樁長問題，樁并不是越長越好，按照桿件縱向振動理論，并簡化后求得的。變形樁理論的計算結果與現場實測的結果比較接近，特別是對于長樁和端承樁，這是因為考慮樁本身剛度修正后，當樁長超過一定值后，樁的抗壓剛度不再增加。對于以水平振動為主的機器基礎，當采用預制樁基時，為增加地基的水平剛度，可采取加大基礎底面積、降低基礎高度等措施。

5結語

由于動力機器基礎設計與土的動力特性關系極大，計算與實測相差較大，而且與靜力問題不同，所以進行概念設計尤為必要。對于設計者來說，掌握振動的原理和基本概念，采用合理的結構形式和構造要求在動力機器基礎的設計中是十分重要的。

作者：劉茂盛張應之郭永生單位：中國恩菲工程技術有限公司