4.2 旋转式压缩机基础

    本节适用于工作转速大于3000r/min的旋转式压缩机基础的设计。本节的条文都是建立在对机器工作转速大于3000r/min的旋转式压缩机和部分汽轮鼓风机、发电机基础等的工程实例、测振资料及参考文献的研究分析的基础上制定的，故不适用于下列基础：

    (1)旋转式压缩机当采用大块式或墙式基础时，其振动荷载应按现行国家标准《建筑振动荷载标准》GB/T 51228第4.2节确定，动力计算和构造可按本标准第5章的规定采用；

    (2)往复式压缩机、容积式压缩机(包括螺杆式及滑片式压缩机)的大块式或墙式基础，可按本标准第5章的规定采用；

    (3)工作转速等于或小于3000r/min的旋转式压缩机基础，当采用框架式基础时，可按本标准第4.1节的规定采用；

    (4)钢结构基础：国外已有应用，国内尚无实践经验。

    旋转式压缩机基础设计时，除了具备基本设计资料外，尚需要由压缩机制造厂提供有关压缩机性能的技术数据和资料，这是设计压缩机基础的基本依据，包括：①压缩机组各转动部件的质量、质心位置及固定方式；②压缩机组各转动部件在正常工作状态下所产生扰力的数值、方向、作用点及相对应的扰频；③同步电机的短路力矩及其作用点；④凝汽器的真空吸力及其作用点(仅适用于蒸汽透平压缩机)；⑤压缩机基础上各部位的安装荷载及操作荷载；⑥压缩机基础模板图，包括各部件几何尺寸、沟槽、孔洞、地脚螺栓和预埋件的尺寸和位置；⑦二次灌浆层的厚度、范围及材料等要求；⑧对压缩机基础振动、沉降及倾斜的特殊要求。

    设计入员得到压缩机组条件后，首先要判断条件的完整性及合理性，并与制造厂或工艺专业密切配合解决有关问题，包括：①机器的名称和转速：离心式压缩机组通常由多台机器组成，包括蒸汽机、电动机、压缩机、膨胀机、发电机等，一般布置在同一根轴线上；若原动机是电动机，其转速一般为1500r/min或3000r/min，当带动高转速的压缩机时，一定要配置变速箱，此时，变速箱两侧的机器会分别布置在两根轴线上，并工作在不同的转速下；②逐台确认各机器、各转动部件的质量及其质心位置是否齐全；③对于厂家提供的扰力数据，设计人员应结合工程经验做必要分析，或可用现行国家标准《建筑振动荷载标准》GB/T 51228提供的计算公式校核扰力的数值、方向、作用点是否合理；④厂家若对基础的容许振动有特殊要求时，应与现行国家标准《建筑工程容许振动标准》GB 50868规定的容许值进行比较，并分析其合理性。当厂家的要求过于严苛，基础设计很难满足时，应与厂家进行必要的协商。

4.2.1  当厂房内设有往复式机器或其他低频振动的机器与旋转式压缩机同时工作时，在机器的布置上，需考虑到往复式机器基础或其他低频机器基础振动对旋转式压缩机基础的不利影响。

4.2.2  本条强调压缩机基础的设计应根据地基土的物理特性确定地基方案和基础形式，力求避免基础产生有害的沉降和倾斜。因机器的主轴为多点支承在轴承上，对基础的沉降和偏沉比较敏感，与机器连接的高压管件由此将产生附加应力。基础的沉降和偏沉值一般不易得到精确的计算结果，因此，在设计时应认真研究确定地基处理方案。计算基础沉降时可仅考虑永久荷载。

4.2.3  压缩机基础一般应与建筑物基础分离，其原因之一是考虑到动力基础的振动能量经常不断地影响厂房基础及厂房结构，使厂房结构产生附力口应力，降低厂房结构的安全储备；其二是压缩机基础与厂房基础的荷载相差悬殊，从而产生不均匀沉降而相互影响；其三是为使压缩机基础受力明确。要求压缩机基础与相邻的厂房操作平台脱开，旨在减少压缩机振动对厂房结构和仪表的影响。

4.2.4  由于辅助设备安放于楼层与底层之间，故旋转式压缩机基础一般设计成独立的空间框架式结构，它占地面积少，构件尺寸经济、安全，利于设备管道的安装、操作和检修。框架式结构顶板应有足够的质量和刚度；当满足承载力和稳定性的要求时，宜通过优化柱截面尺寸调整基础动力特性；底板的尺寸应根据构造要求和地基土的性质确定，并应具有足够的刚度。在计算时可简化为嵌固于底板上的框架式结构，由顶板(横梁、纵梁)及柱子、底板组成正交结构体系。它与软件的计算假定比较接近，而且基础各构件受力简单明确，故目前仍采用空间正交框架的动力分析程序。这种结构形式可通过改变构件的截面尺寸，主要是柱子尺寸，调整基础的自频来得到良好的动力特性。框架式基础设计时，构件尺寸的确定十分重要，顶板宜厚，柱子宜柔，底板宜刚，以达到优化设计的目的。

4.2.6  基础可不做动力计算的条件是在保证机组正常运转的条件下，结合多年来的设计施工、实测和研究的经验而制定的。

4.2.7  理论分析框架式压缩机基则是一个无限自由度的空间结构，采用空间多自由度体系分析，从计算简图和理论研究观察比较接近基础的理想振动状态。

    但是由于存在着许多参数的不准确性、假设的差异性，使得理想的数学模型和精确运算结果最终仍未能反映实际。具体表现在扰力的取值、荷载分布的任意性，忽略了机座、机壳和管道的刚度(实际上它们与基础共同整体工作)，强劲的顶板计算中未按深梁考虑，机器的主轴并非刚性，混凝土的动弹性模量与静弹性模量的差异，以及阻尼随频率变化等因素。

    即使存在上述问题，但空间多自由度计算在理论方面仍能够比较逻辑地分析基础振动模式。由于在计算时考虑了机器工作转速±25％范围内的扫频计算，即对工作转速±25％以内的自频做共振计算，并将所得的最大振幅作为计算振幅，一般计算值均大于实测值，可满足工程要求。

    地基的弹性对框架式基础的振动有一定的影响，其影响是降低了基础的自频。对低频机器基础(例如转速在1000r/min及以下)影响较大，对高频机器基础影响较小，使基础自频远离于机器工作转速，其结果是偏安全的。为减少计算工作量，故可不考虑地基弹性的影响。

    因混凝土的弹性模量对结构自频影响较小，故在动力计算时可不考虑其受动态的影响，按混凝土强度等级查有关钢筋混凝土的规定即可。

    在动力计算中采用了振型分解法求解，阻尼系数采用E.C.索罗金滞变阻尼理论，为了使各个振型能完全分解，对于钢筋混凝土框架式基础取阻尼比为一常数，即0.0625。

4.2.8  本条规定针对基础承受多组不同频率的扰力作用时，计算x、y、z三个方向总振动速度的组合原则。

    旋转式压缩机组一般有多组不同频率的扰力同时作用在基础上，这些不同频率的扰力值和相位都是随机量。所计算的这些扰力值均为压缩机在正常运行状态时最大的扰力值。从概率分析，各扰力同时达到最大值的概率是极小的。而且，扰力的相位是随机的，各扰力的方向完全相同的概率也是极少的。假定扰力值在一定区间内发生变化，相位在0°～360°之间变化，根据概率理论分析，比较可能出现的最大动位移(即这些扰力产生的动位移幅值)是平方和的平方根。

4.2.10  本条为进行承载力计算时荷载标准值及荷载分项系数的确定原则。

    为保证压缩机基础的安全使用，适当地提高基础的安全度，根据国外工程公司提供的荷载条件要求，在进行框架式结构的承载力计算时，要求将安装在基础上的机组、辅助设备及管道等重量的荷载分项系数取为1.5。

    操作活荷载和安装活荷载应由工艺专业提出，也可按本标准给出的数值或按照现行行业标准《化工、石化建(构)筑物荷载设计规定》HG/T 20674确定。

    凝汽器的真空吸力是由于凝汽器内蒸汽的冷凝形成真空，与大气间产生压差所致。当凝汽器与汽轮机为柔性连接时(用波纹管或其他形式的补偿器)，该力以拉力作用于压缩机基础上；若为刚性连接时，真空吸力则形成为系统的内力，不作用于基础上。真空吸力仅存在于冷凝式汽轮机或中间抽汽式汽轮机作驱动机且凝汽器与汽轮机为柔性连接时，仅用于压缩机基础的承载力计算。

    若旋转式压缩机由同步电机驱动，当同步电机突然短路时，由于定子与转子之间的相互作用会产生短路力矩。该荷载为偶然荷载，其动力系数μ＝2，将短路力矩乘以动力系数，即简化为静力荷载。短路力矩应由制造厂提供，或可按本标准的公式计算。

    在做基础的承载力计算时，除上述静力荷载外，尚应考虑动力荷载的作用。该荷载是由转子不平衡所产生的扰力引起的，又称为当量静力荷载。现有的一些资料中，当量静力荷载计算的表达形式大致相同，一般是将转子的不平衡扰力乘以疲劳系数和动力系数，将它转化为一个等效静力荷载，但其中系数的取值差异较大，其表达式为：

N＝ηrF        (1)

式中：N——当量静力荷载；

           η——动力放大系数；

           r——疲劳系数；

           F——扰力。

4.2.11  按空间多自由度体系计算，当其一方向的主振型出现时，其他两个方向的分量一般都很小，而其动荷载已将正常运行时的扰力增大了，已有较大的安全储备。因此，当一个方向取最大动荷载时，其他方向的分量可以略去，无论竖向、横向、纵向都可以不进行叠加组合，即各项的当量静力荷载只考虑单向作用。

    偶然组合时的短路力矩、地震组合时地震作用的出现是以正常运行为标准的，而动力荷载是以压缩机极限不平衡为标准计算出来的，较正常运行不平衡增大了，故将当量静力荷载乘以1/4的荷载组合值系数。

4.2.12  为使结构简单施工方便，基础底板宜采用矩形平板，但不排除为支承其附属设备而使底板局部突出的情况。根据基础的具体情况，经方案比较，认为采用梁板式或井式板具有明显的优越性时仍可采用，所以本标准中没有对这两种形式加以排除和限制。

    规定底板最小厚度的目的是保证底板具有一定的刚度以减小基础不均匀沉降和降低基础顶板的振动，德国动力设备基础设计标准DIN4024.1要求旋转式压缩机框架式基础底板厚度约为底板长度的1/10。近年来，石油化工行业的生产能力不断增大，压缩机组的规模、体积、重量也大为增加，另外，目前压缩机组趋向于用一台原动机带动压缩机、电动机、膨胀机等多台机器，这样基础底板的纵向尺寸也会增大。故本标准对底板厚度的限制稍有放宽，取底板长度1/10～1/12，经工程实践检验，也能达到足够的刚度。当底板的厚度设计得太薄时，则会导致刚度不足。

    关于柱子截面，考虑此类机组的机器自重、转子重、转速的变化范围较大，故没有规定柱子截面的上限。但从基础的动力特性来看，加大柱子截面不一定有利，柱子柔一些反而对减小上部振动有利，所以基础设计者应该明确：在满足强度、稳定性要求的前提下，宜适当减少柱子刚度，设计成柔性柱。

    基础顶板应有足够的刚度和质量，厚度不宜小于其净跨度的1/4～1/5。

    总之，对于此类压缩机基础设计的底板、柱、顶板的截面尺寸，其要点是使压缩机基础的动力特性适应压缩机较高的工作转速。

4.2.13  通过大量工程实例分析，根据多年工程实践统计和现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010和《建筑抗震设计规范》GB 50011的构造要求，本条文给出了底板、柱、顶板的配筋要求，具体设计时配筋率大小应综合考虑振动荷载、地震作用以及板厚比等因素确定。

    顶板中的暗梁或明梁与柱子构成纵、横向框架，由于扰力值及其方向是随机的。因此，框架梁截面应上、下对称配筋，并需具有可靠的锚固长度。

    采取各种措施固定顶板上的螺栓或螺栓套管，使其位置准确，不致施工时因振捣混凝土造成移位，是压缩机安装的必要条件。顶板中的钢筋、螺栓或螺栓套管的直径都比较大，且纵横交错，应在设计中精确放样，避免施工困难。