中石化工程建设有限公司 北京市 100192
摘要：随着海外项目逐渐增多，对于结构的精细化设计的日益严苛，往复式压缩机基础的动力分析需要详细阐述。关于海外项目中规范和设计上，对于大块式基础设计的特点，本文进行了阐述，并结合工程实例，给出了详细的介绍。
关键词：海外项目；大块式压缩机基础；扰力；动力分析
引言
在石化行业中，压缩机基础一般采用两种形式，即构架式压缩机基础和大块式压缩机基础，均采用混凝土的基础形式。压缩机基础的形式取决于压缩机本身的运动方式。而在石化工程中，压缩机一般分为离心式压缩机和往复式压缩机。离心式压缩机转速较高，工作转速在3000r/min以上，一般采用钢筋混凝土框架式基础。而往复式压缩机转速低，一般采用大块式（或墙式）基础的形式。往复式压缩机一般由电动机和压缩机及一些其他设备组成，产生不平衡力或弯矩的一般为机组的转子部分，而机组的定子部分由设备螺栓与基础连接。
采用大块式基础的形式，也是因为压缩机运转时会产生较大的不平衡力（扰力）及弯矩，这些不平衡惯性所引起地基和基础的震动，会对其自身以及周围建筑物产生不良影响，或干扰其正常使用，因此需要对压缩机基础进行动力分析，确保震动位移控制在允许范围内。在实际工程中，对于平衡不太好，激振力大的情况，实际原则为尽量采用小块基础，缩小地板面积，核算土壤弹簧，调高基础频率。本文基于泰国某PP化工工程项目中1B单元R1脱气压缩机组为例，分别按照美国规范和中国规范计算了相应参数，再采用Staad.Pro 软件进行往复式大块式压缩机基础的动力分析。
海外项目特点
规范使用的不同
在海外项目中，需要使用的标准规范跟国内现行可用的标准略有不同。由于地域不同，设计理念的不同，为了避免不必要的麻烦，在该项目中，使用的标准为美国规范和欧洲规范，和部分国内标准。使用的规范为：
1.英标：CP2012-1：1974 FOUNDATION FOR MACHINERY-PART1：foundations for reciprocating machines
2.美标：ACI 351.3R-04 FOUNDATIONS FOR DYNAMIC EQUIPMENT
3.国标：GB50040－96 《动力机器基础设计规范》
GB50010-2010 《混凝土结构设计规范》
GB50007－2002 《建筑地基基础设计规范》
SH3091－2012 《石油化工压缩机基础设计规范》
HG-T20554-1993 《活塞式压缩机基础设计规定》
方案设计
由于场地原因，无法符合规范中对于压缩机厂房基础和压缩机基础脱开的要求。无施工空间。所以压缩机厂房柱基础与压缩机基础合为一体。由于厂房为钢结构，震动频率低，性柔，且在极端情况下如强震时，不会跟压缩机扰力发生组合。根据此原因，仅在动力分析时，在压缩机基础的相应位置输入上部结构荷载。
基础上除了厂家要求的伸出地面的压缩机配套组件的混凝土墩，还有一些配管专业所需混凝土管墩和配套钢平台基础。钢平台为检修平台，顶标高为2.7m。为保证施工进程的考虑，再加上钢平台本身荷载较小，采用了设置预埋板，后期焊接连接的柱脚方式。
技术要求
在该项目中，不但需要参照国外的相关标准执行，而且由于压缩机的重要性，压缩机厂家及业主也提出了具体规定。需要符合的技术要求有：
基础重量应是压缩机自重的5倍以上
基础的自振周期需要在0.7~1.3Fn（Fn-设备周期）以外
核算基组的总重心与基础底面的形心在横向和纵向两个方向的偏心距，不应超过偏心方向底板边长的3%。
振幅小于0.03mm（峰值到峰值，即15μm）
所需资料
主要是压缩机厂商所提供的设备资料，其中包括机器的型号、转速、规格及轮廓尺寸；荷载部分包括组件的质量及重心位置。还需要提供扰力的大小，方向，若有扰力矩时，同样需要相关数据。设备厂商对灌浆层厚度和具体材质也会有特殊要求。基础上的涉及到其他专业所需要的配件，如沟、坑、及管墩尺寸的详细资料。
工程概况
地质条件
根据ASTM D 2487[8]分类，SAND的定义为50%的土的粒径小于4.75mm。
结合地勘报告，根据对比，USCS分类中0.425mm<d<2mm，为中砂，相较于 GB50021-2001的粒径要求大，已经具备了我国标准中“粗砂”的特性。根据地勘报告，场地的土层从上至下依次为 [7]
基础形式和几何尺寸
承台基础在计算时根据计算结果调整，试算700mm厚承台。基于力求基础自振频率与机器震动频率不处于共振状态，减小振幅，一般有两种方法调频。低调频方法，为增大基础质量，或降低地基刚度值，使基础自振频率圆圆高于机器扰动频率。高调频方法，为减小基础质量，或者增加基础刚度，使基础自振频率高宇机器扰动频率。在本项目中，拟采用第二种方法，所以设置了桩，调整了地基刚度值，而且在设计过程中，尽量缩小了基础承台的面积。
设备基础采用块体式混凝土基础。依据设备外形，基础的平面尺寸不小于10.8mX12.6m。根据工程实际要求，地勘报告，及设备条件，采用了桩基筏板形式。试桩报告显示至30米处深的土质情况，根据该报告，项目统一规定打桩深度至21.4米处。共计18根，直径为600的灌注桩。桩身长度21.4m。桩承载力：垂直承载力：800kN；水平承载力：100 kN；抗剪承载力：80 kN。
压缩机基础动力分析
刚度计算
美规中桩抗压刚度的计算
美规中抗压刚度的计算方法
埋入的桩的动力性能取决于桩和土的频率和特性。桩的特性包括其长度，弯曲刚度，侧向刚度，桩尖和桩端的状况，质量和桩锤。土的性质包括其特性及各层的厚度。桩承基础的动力反应取决于桩的动刚度和阻尼比。桩的这些特性可以被定义为抗阻或者刚度以及等效黏性阻尼。可用公式表示为：
ki*=ki+iωmci
单桩刚度可采用实验值或者理论值，但工程中通常采用理论值。理论来讲，动刚度是通过计算在桩端产生的在指定方向的单位震动幅度所需要的力。对于单桩，有效弹簧竖向刚度：
Kvi=（EpA/r0）fv1 （eq.4-25a，Ref.3）
对于单桩，有效弹簧横向刚度：
Kuj=（EpIp/r03）fu1 （eq.4-25b，Ref.3）
Cuj=（EpIp / r02vs）fu2 （eq.4-25b，Ref.3）
美规中桩抗压刚度的计算结果根据地勘报告的相应土质及Table 4-8[4] 给出的抗剪刚度系数，采用土体Gs平均值，Gs=10000psi，桩半径r0=11.8in（300mm），l=1199in（30.45m），rs=1.87t/m3=117pcf。桩的弹性模量Ep=3.5x106 psi，rp=150pcf。
通过eq.5-6[4] 中给的公式，计算Vs =（Gsg/rs）0.5 = [10000（144x32.2）/118]0.5=626.856Vc =（Epg/rp）0.5 = [3.5x106（144x32.2）/150]0.5=10401.538Vs/Vc=0.06l/r0=1199/11.8=101.62查Fig.5-1a[4]，得f18，1=0.062，f18，2=0.037Kz1=（EpA/r0）f18，1 = [3.5x106（11.8）2π]0.062 = 8.044x106 lb/in = 1.367x106kN/mCz1=（EpA/vs）f18，2=[3.5x106（11.8）2π/626.856（12）]0.037=7.53x103 lb-sec/in即，抗压刚度为1.367x106kN/m。国标中桩抗压刚度的计算桩抗压刚度计算桩抗压刚度分为两部分，桩尖抗压刚度系数及桩周土各层土的抗压刚度系数。跟据《动力机器基础设计规范》（GB 50040-96）3.3.13规定[1]，灌注桩的抗压刚度根据下公式3.3.13-1计算。根据表3.3.14，根据土层各性质，取相应的抗剪刚度系数。根据表3.3.15，根据桩尖土层性质，取相应的桩尖土的当量抗压刚度系数。得到单桩抗压刚度为1.07x106kN/m。
桩抗剪刚度计算根据GB500400-96 中3.3.17规定[1]，抗剪刚度可采取相应的天然地基抗剪刚度的1.4倍。根据SH/T 3091-2012 中4.2.2规定[5]，在该项目中，地基承载力fak=100kPa，Cz=18000kN/m³，通过表格计算C∑z=25703kN/m³天然地基抗剪刚度系数Cx=0.7（25703）=17992 kN/m³桩基抗剪刚度系数==25189 kN/m³桩基抗剪承载力 =254912kN/根
单桩抗扭刚度按2.2.17[1]规定，抗扭刚度可采用相应的天然地基抗扭刚度的1.4倍。即：KΨ=1.4CxI=1.4（0.7）CzI天然地基抗扭刚度KΨ=109x106kN，单桩抗扭刚度=6.07x106kN荷载输入数据静力荷载
Table4.各组件质量动力荷载
机器正常工作转速为490转/分钟。在一谐扰力作用下，为8.17Hz，扰力在水平向有6kN的荷载，在水平和垂直方向均有弯矩，分别是30kNm和5kNm。在二谐作用下，为16.33Hz，扰力在水平向有2kN的荷载，弯矩仅在水平向有，为2kNm。
动力计算需要分两个次进行，分别计算在一谐，二谐相应转速的扫频范围内的最大振幅和最大转速。即：
一谐扫频范围：0.7fn~1.3fn，即5.72Hz ~ 10.62Hz
二谐扫频范围：0.7fn~1.3fn，即11.43Hz ~ 21.23Hz
结果
根据分别通过美国规范和中国规范进行桩抗压刚度的计算，美国规范和中国规范计算出的抗压刚度值仅略有差异。在工程项目允许时，可按照中国规范进行桩强度的计算。
振幅要求，根据表格选取最大值，得出一谐扰力作用下，最大振幅在Z方向，为1.08X10-5m。在二谐扰力作用下，最大振幅同样在Z方向，为6.34x10-6m。
虽然设备厂家及业主对最大震速没有具体要求，但是为了符合ACI 351以及BSI（英国）规范，统计的最大震速，在一谐扰力作用下，最大震速为Z方向上的1.77x10-4s/m，未超出规范要求。
经过Staad.Pro动力分析后，计算出基础顶板顶标高处所有节点的X、Y、Z三个方向的振动位移及振动速度。经统计，三个方向的节点最大振动速度，均满足规范中振动速度不大于5mm/s的要求，三个方向的节点最大振动位移，均小于压缩机制造商提出的15um的要求。
Reference：
1.《动力机器基础设计规范》（GB50040-96），中国计划出版社，1996
2.British Standards Institution（BSI），Code of Practice for foundation for machinery（CP 2012）.1974
3.ACI 351.3R-04，Foundation for Dynamic Equipment
4.Arya，S.C.；O’Neill，M.W.；and Pincus，G.，1979，Design of Structures and Foundations for Vibrating Machines，Gulf Publishing Co.，Houston，Tex.
5.SH/T 3091-2012，石油化工压缩机基础设计规范，中华人民共和国工业和信息部，2012
6.闫华林，设备的钢结构动力分析，《山西建筑》第42卷第22期，2016年8月
7.陈越楠，孙岳，中美规范关于土的分类方法对比与分析，石油天然气勘察技术中心站第二十二次技术交流会论文集，2016年8月
8.ASTM D 2487，Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purpose（Unified Soil Classification System）.《岩土工程勘探规范》（GB50021-2001），中华人民共和国建设部，2009.
论文作者:李冰阳
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/4
标签：刚度论文; 基础论文; 压缩机论文; 动力论文; 荷载论文; 抗压论文; 振幅论文; 《基层建设》2017年第27期论文;