機器基礎(chǔ)激發(fā)與反應(yīng)

一般彈性振動體系有四要素：擾力Q(t）或x(t）、質(zhì)量m、剛度K與阻尼系數(shù)C。就機器基礎(chǔ)-土體系而言，質(zhì)量是指機器與基礎(chǔ)的質(zhì)量，剛度與阻尼系數(shù)由地基土動力特性決定。引起振動的外因是激發(fā)，它分自然激發(fā)（風(fēng)、浪、地震）和人工激發(fā)（爆炸、車輛、施工、機器）。它們以擾力Q(t）或擾動x(t）的形式作用于基礎(chǔ)。擾力是大小或方向隨時間改變的力，擾動是大小或方向隨時間而改變的運動，故激發(fā)是時間的函數(shù)。根據(jù)該函數(shù)形式的不同，激發(fā)可分周期激發(fā)與非周期激發(fā)、連續(xù)型與非連續(xù)型。

動力反應(yīng)是激發(fā)引起的后果。它通常指基礎(chǔ)的運動狀態(tài)，且大都用基礎(chǔ)的振動時程曲線（振動波形）表示，但有時也用基礎(chǔ)的振幅頻率曲線即共振曲線表示。除運動狀態(tài)外，動力反應(yīng)也可指基礎(chǔ)的動應(yīng)力狀態(tài)。

當(dāng)動力反應(yīng)以振動波形表示時，它是時間的函數(shù)。受穩(wěn)態(tài)擾力的基礎(chǔ)，其振動波形總是余弦型而與穩(wěn)態(tài)擾力類型及阻尼無關(guān)（阻尼是能量隨時間與距離的耗散）。

同一基礎(chǔ)受兩類不同穩(wěn)態(tài)擾力的作用，其振動波形均為余弦型，但共振曲線不同，定幅擾力下的共振曲線有截距、峰點為c、以ω 軸為漸近線；頻變擾力下的共振曲線無截距、峰點為e、以平行于ω 軸的直線為漸近線；兩者的峰點頻率相比，后者大于前者。

機器基礎(chǔ)按擾力可分為產(chǎn)生周期力的基礎(chǔ)，如往復(fù)式壓縮機基礎(chǔ)或透平機基礎(chǔ)；和產(chǎn)生非周期力的基礎(chǔ)，如鍛錘基礎(chǔ)。按結(jié)構(gòu)可分為大塊式、箱式、墻式、構(gòu)架式、混合式及片筏基礎(chǔ)（見基礎(chǔ)）。

機器基礎(chǔ)綜述

動力機器基礎(chǔ)概念設(shè)計就是針對不同的動力機 器基礎(chǔ)提出合理的結(jié)構(gòu)形式，平、立面配置，基本構(gòu)件 尺寸和構(gòu)造，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。 概念設(shè)計不 等于結(jié)構(gòu)設(shè)計，僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)和前提條件。 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(chǎn)生共振效應(yīng)。 影響基礎(chǔ)振動的主 要因素是機器的擾頻、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 錯開。 動力機器基礎(chǔ)振動對機器及環(huán)境都會產(chǎn)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(chǔ)設(shè)計伊始，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員就應(yīng)該對振動 問題產(chǎn)生足夠的重視 。

其目的在于保證機器本身的正常使用和防止對鄰近機器、建筑物的危害及減少對周圍人員的影響。設(shè)計機器基礎(chǔ)時應(yīng)先確定基礎(chǔ)對動荷載的反應(yīng)。動荷載引起的慣性力，如果是基礎(chǔ)所受的全部荷載中的一個重要部分，則應(yīng)對基礎(chǔ)作動力計算；如果運動是緩慢的，慣性力可以略去不計時，則可以不考慮荷載的動力特性，而將動荷載變?yōu)楫?dāng)量靜荷載考慮。對后一情況，基礎(chǔ)不需要進行動力計算（如一般的機床基礎(chǔ)和水壓機基礎(chǔ)）。

對于需要進行動力計算的機器基礎(chǔ)，都應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和周圍環(huán)境，首先滿足靜荷載下地基土的設(shè)計要求，然后再滿足動荷載所附加的設(shè)計要求，即基礎(chǔ)的振動不超過容許振動限值。容許振動限值根據(jù)下列條件制定：①應(yīng)保證機器的正常運轉(zhuǎn)；②由基礎(chǔ)產(chǎn)生的振動，對鄰近的儀表、機器、建筑物以及附近的人員不產(chǎn)生有害的影響。

機器基礎(chǔ)設(shè)計依據(jù)

設(shè)計機器基礎(chǔ)前，須收集下列資料作為依據(jù)：①機器的技術(shù)性能，包括型號、工作轉(zhuǎn)速、重量（機器總重、有些機器還應(yīng)列出轉(zhuǎn)子或定子的重量）、軸的臨界轉(zhuǎn)速、功率、傳動方式、重心位置及輪廓尺寸等。②機器的不平衡擾力和擾力矩及作用位置，其他荷載的分布位置、面積、大小、方向等。③工藝布置圖，包括各種動力機器的位置（如螺栓安裝位置、輔助機器及管道安裝位置等），需隔振的機器、儀表的位置及隔振要求。④對基礎(chǔ)的要求，包括機器底座的輪廓尺寸和基礎(chǔ)平面位置圖；輔助機器、管道位置以及溝、坑、洞的位置和尺寸圖；二次灌漿的厚度和尺寸；錨固螺栓、預(yù)埋件的尺寸和位置等。⑤擬建場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，包括室內(nèi)或原位測試所得的土動力參數(shù)。

機器基礎(chǔ)設(shè)計步驟

① 確定容許振動限值。對承受動荷載的基礎(chǔ)應(yīng)采用工作狀態(tài)（或某一特定頻率）時振幅的極限值，或峰值速度的極限值，或峰值加速度的極限值作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。這些極限值是根據(jù)設(shè)計功能遭到“破壞”的原則確定的。

② 確定動荷載。動荷載的類型不同，隨時間改變的規(guī)律也各異，作用于機器基礎(chǔ)上的性質(zhì)也就不同。如果動荷載隨時間的變化是已知的（這種荷載稱為非隨機荷載，如諧振荷載、周期荷載、沖擊荷載等）。則反應(yīng)分析通常稱為數(shù)定分析。如果荷載隨時間的變化不是完全已知的（這種荷載稱為隨機荷載），則反應(yīng)分析可從統(tǒng)計結(jié)果中進行，稱為非數(shù)定分析。

動荷載作用下的基礎(chǔ)反應(yīng)用基礎(chǔ)位移表示。數(shù)定分析能導(dǎo)出相應(yīng)于非隨機荷載下的位移-時間過程?；A(chǔ)的其他數(shù)定反應(yīng)（如應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力等反應(yīng)）可從位移反應(yīng)中求得。非數(shù)定分析只能提供有關(guān)位移的統(tǒng)計資料；由于位移隨時間的變化是不確定的，基礎(chǔ)的其他數(shù)定反應(yīng)必須用特定的非數(shù)定分析方法直接計算。

③ 選擇機器基礎(chǔ)計算模型。常用的計算模型有基床反力模型和彈性半空間模型（見機器基礎(chǔ)計算模型）。為了盡量避免基礎(chǔ)與機器發(fā)生共振，必須慎重選擇地基土的動力參數(shù)。

④ 選擇基礎(chǔ)方案、確定基礎(chǔ)形式和尺寸?；A(chǔ)振動的大小直接與機器本身擾力的大小和擾力作用點的位置有關(guān)。因此，要求機器盡量減少擾力并降低作用點的位置，力求機器與基礎(chǔ)聯(lián)合重心與基礎(chǔ)底面形心位于同一垂直線上，并盡量使擾力作用線與機組軸線位于基礎(chǔ)對稱面內(nèi)。

基礎(chǔ)尺寸最后應(yīng)保證振動計算值在容許振動限值以內(nèi)，否則應(yīng)采取減振措施（如調(diào)整擾力；增大阻尼、剛度或質(zhì)量；設(shè)置吸振器等）或隔振措施（見機器基礎(chǔ)隔振）。

機器基礎(chǔ)不宜與建筑物以及它們的基礎(chǔ)連接，以免基礎(chǔ)振動對建筑物的影響。對承受振動的管道不宜直接擱置在建筑物上，以免管道振動傳到建筑物上引起建筑物局部共振。此外，必須注意機器基礎(chǔ)的構(gòu)造，并保證基礎(chǔ)整體剛度，防止構(gòu)件的過大變形和開裂。

機器基礎(chǔ)對激發(fā)的動力反應(yīng)主要表現(xiàn)為振動。振動緊密地聯(lián)系于激發(fā)，首先聯(lián)系于基礎(chǔ)本身機器的運動類型。視機器運動類型的不同，振動有以下幾種形式：

機器基礎(chǔ)簡諧振動

是單純余弦波型的振動。發(fā)電機、電動機的基礎(chǔ)的振動屬于此類（圖2a）。簡諧振動是最簡單的一種周期運動。周期振動是對周期激發(fā)的動力反應(yīng)。

機器基礎(chǔ)復(fù)合周期振動

為兩個或數(shù)個頻率不同的余弦型振動的疊加，具有曲柄連桿的空壓機基礎(chǔ)的振動屬于此類（圖2b）。復(fù)合周期振動雖亦屬于周期振動，但其波形不再呈余弦型。

以上都屬于強迫振動，其特點是：振動與擾力同時存在，兩者同頻率，且每有一個擾力即有一個同頻的振動與之對應(yīng)，在連續(xù)周期激發(fā)下振動的大小周而復(fù)始，不隨時間衰減和消逝，故也稱穩(wěn)態(tài)振動 。

機器基礎(chǔ)瞬時振動

是有阻尼的自由振動，如鍛錘基礎(chǔ)的振動屬于此類。自由振動由初速度引起或由初位移所引起。有阻尼自由振動的特點是：擾力作用時間很短，在擾力撤離之后，基礎(chǔ)按其固有頻率振動，但因阻尼的存在，振動逐漸衰減，終歸于靜止，故有阻尼振動亦稱瞬時振動。2100433B

其目的在于保證機器本身的正常使用和防止對鄰近機器、建筑物的危害及減少對周圍人員的影響。設(shè)計機器基礎(chǔ)時應(yīng)先確定基礎(chǔ)對動荷載的反應(yīng)。動荷載引起的慣性力，如果是基礎(chǔ)所受的全部荷載中的一個重要部分，則應(yīng)對基礎(chǔ)作動力計算；如果運動是緩慢的，慣性力可以略去不計時，則可以不考慮荷載的動力特性，而將動荷載變?yōu)楫?dāng)量靜荷載考慮。對后一情況，基礎(chǔ)不需要進行動力計算（如一般的機床基礎(chǔ)和水壓機基礎(chǔ)）。

對于需要進行動力計算的機器基礎(chǔ)，都應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和周圍環(huán)境，首先滿足靜荷載下地基土的設(shè)計要求，然后再滿足動荷載所附加的設(shè)計要求，即基礎(chǔ)的振動不超過容許振動限值。容許振動限值根據(jù)下列條件制定：①應(yīng)保證機器的正常運轉(zhuǎn)；②由基礎(chǔ)產(chǎn)生的振動，對鄰近的儀表、機器、建筑物以及附近的人員不產(chǎn)生有害的影響。

《動力機器基礎(chǔ)》是由清華大學(xué)工程系組編的“簡明土木工程系列專輯”中的一本。動力基礎(chǔ)主要有大塊式和剛架式兩種類型，《動力機器基礎(chǔ)》著重介紹了其中的金屬切削機床基礎(chǔ)、鍛錘基礎(chǔ)和汽輪機組基礎(chǔ)。由于動力基礎(chǔ)的設(shè)計還涉及振動力學(xué)方面的知識，所以《動力機器基礎(chǔ)》也對此做了相關(guān)介紹，以供從事這方面工作的工程人員參考。

《動力機器基礎(chǔ)》可供從事建筑工程設(shè)計、施工、勘察和科研人員使用，也可供大專院校有關(guān)師生參考。

設(shè)計機器基礎(chǔ)前，須收集下列資料作為依據(jù)：①機器的技術(shù)性能，包括型號、工作轉(zhuǎn)速、重量(機器總重、有些機器還應(yīng)列出轉(zhuǎn)子或定子的重量)、軸的臨界轉(zhuǎn)速、功率、傳動方式、重心位置及輪廓尺寸等。②機器的不平衡擾力和擾力矩及作用位置，其他荷載的分布位置、面積、大小、方向等。③工藝布置圖，包括各種動力機器的位置（如螺栓安裝位置、輔助機器及管道安裝位置等），需隔振的機器、儀表的位置及隔振要求。④對基礎(chǔ)的要求，包括機器底座的輪廓尺寸和基礎(chǔ)平面位置圖；輔助機器、管道位置以及溝、坑、洞的位置和尺寸圖；二次灌漿的厚度和尺寸；錨固螺栓、預(yù)埋件的尺寸和位置等。⑤擬建場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，包括室內(nèi)或原位測試所得的土動力參數(shù)。