多層鋼結(jié)構(gòu)廠房振動(dòng)探討

高金鎖

(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限公司，天津 300120)

摘 要：針對(duì)選煤廠主廠房設(shè)備多，結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，大型設(shè)備(篩子，離心機(jī)等)運(yùn)行中常常有動(dòng)荷載和其引起的振動(dòng)問題，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)由設(shè)備引起的廠房振動(dòng)的問題，采用傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化計(jì)算(單根梁)和有限元方法進(jìn)行了對(duì)比，分析發(fā)現(xiàn)設(shè)備振動(dòng)的原因。結(jié)果表明：設(shè)備入料端與出料端支座高差較大時(shí)，采用整體計(jì)算的有限元方法能夠較為真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的固有頻率；另外從減小設(shè)備對(duì)廠房振動(dòng)的角度，設(shè)備的布置宜布置在廠房的低端。

關(guān)鍵詞：多層鋼結(jié)構(gòu)；主廠房；設(shè)備振動(dòng)；振動(dòng)頻率

伴隨我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)黃金十年的發(fā)展，我國(guó)煤炭工程得到了長(zhǎng)足發(fā)展，礦井選煤廠主廠房的建設(shè)也越來越多，主廠房結(jié)構(gòu)形式多以多層鋼結(jié)構(gòu)廠房為主，廠房?jī)?nèi)振動(dòng)設(shè)備(篩子，離心機(jī)等)多，結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜。設(shè)備的振動(dòng)表現(xiàn)兩個(gè)方面：一是設(shè)備自身的振動(dòng)；二是設(shè)備之間的互相振動(dòng)疊加，疊加使設(shè)備的振動(dòng)被放大，設(shè)備振動(dòng)引起廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，甚至是共振，對(duì)廠房結(jié)構(gòu)帶來不利的影響。受設(shè)備振動(dòng)的影響降低了廠房?jī)?nèi)機(jī)器的動(dòng)態(tài)精度和使用性能，振動(dòng)過大使工作人員感覺不舒適。但設(shè)備運(yùn)行的過程中，廠房的振動(dòng)往往是不可避免的，如何將振動(dòng)的影響降低到安全范圍內(nèi)或最低，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員廠房設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 設(shè)計(jì)原則和結(jié)構(gòu)布置

依據(jù)動(dòng)力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制因素主要包括以下兩方面：一是結(jié)構(gòu)承受的激振力，即外來擾力源；二是結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性(跨度，剛度等)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的固有頻率和外來擾力源的頻率完全吻合時(shí)，即發(fā)生共振。共振是能量聚集的一個(gè)過程，共振導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振幅變得很大，結(jié)構(gòu)振動(dòng)明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)本身和人員工作環(huán)境不利。減弱受動(dòng)荷載機(jī)器作用的方法包括以下方法：

1)機(jī)器本身的防振，振動(dòng)設(shè)備的支座下增加隔振墊，達(dá)到減弱樓板振動(dòng)的效果，此方法適用于轉(zhuǎn)速不低于500r/min的機(jī)器。

2)改變結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)構(gòu)自振頻率和設(shè)備工作頻率應(yīng)該避開合理的范圍。設(shè)備選型完畢后，其工作頻率已確定，防止共振就得從結(jié)構(gòu)本身調(diào)整。結(jié)構(gòu)本身調(diào)整主要是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度，包括：增大橫截面積尺寸，縮短梁的跨度，在機(jī)器的底下設(shè)置剛而輕的機(jī)座以保證機(jī)座與結(jié)構(gòu)本身的連接強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)時(shí)縮短梁的跨度方法有：①合理布置柱網(wǎng)，盡量減少梁的跨度；②在承受動(dòng)荷載的鋼梁下增設(shè)斜向支撐，作為梁的支點(diǎn)，減小梁的計(jì)算跨度；③在承受動(dòng)荷載的梁下(設(shè)備支座附近)設(shè)置柱子，達(dá)到減小梁的跨度效果。以上方法都可以明顯減小梁的振幅。

3)改變樓板上機(jī)器的排列布置。應(yīng)該根據(jù)振動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方式布置設(shè)備的位置。

4)改變?cè)O(shè)備的轉(zhuǎn)數(shù)和平衡慣性力。若設(shè)備的轉(zhuǎn)數(shù)在一定范圍內(nèi)可以調(diào)整，可以通過合理的調(diào)整設(shè)備的轉(zhuǎn)速避開結(jié)構(gòu)的固有頻率。平衡設(shè)備的慣性力，減弱因某些反復(fù)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備或具有較大偏心距的旋轉(zhuǎn)體所產(chǎn)生的振動(dòng)。

5)共振分為共振前區(qū)、共振后區(qū)。結(jié)構(gòu)處在共振前區(qū)，可以采取增加梁的截面或者減少梁的跨度等剛性方案；處在共振后區(qū)在滿足承載力的要求下，可以考慮減少結(jié)構(gòu)的剛度，使其共振頻率處在共振后區(qū)，這樣也可以達(dá)到減振的效果。

結(jié)構(gòu)方案與設(shè)備選型緊密相關(guān)，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)與結(jié)構(gòu)的布置緊密結(jié)合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)在設(shè)計(jì)之初盡早參與設(shè)備布置的研究，合理的布置能夠減輕設(shè)備振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響，結(jié)構(gòu)方案布置應(yīng)遵循以下兩個(gè)原則：一是垂直振動(dòng)為主的設(shè)備布置在梁支座處和柱子附近；二是水平振動(dòng)為主的布置在梁的跨中部位，設(shè)備的擾力與梁的軸線方向盡量重合[1，2]；從方便計(jì)算的角度可以考慮振動(dòng)梁布置成單跨梁。礦井選煤廠主廠房設(shè)計(jì)涉及選煤、機(jī)制、建筑結(jié)構(gòu)、水暖電、總圖等相關(guān)專業(yè)，是一個(gè)多專業(yè)共同合作的工程，選煤和機(jī)制專業(yè)一般作為牽頭專業(yè)，負(fù)責(zé)各個(gè)專業(yè)的協(xié)調(diào)工作，工藝專業(yè)設(shè)備布置時(shí)應(yīng)及時(shí)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員溝通，結(jié)構(gòu)專業(yè)人員按工藝的布置設(shè)計(jì)，這樣在設(shè)計(jì)之初可以很好的預(yù)防共振的發(fā)生。結(jié)構(gòu)的自振頻率主要取決于結(jié)構(gòu)本身的剛度，在梁的布置時(shí)應(yīng)盡量采取增強(qiáng)梁的剛度，同時(shí)減小梁的跨度。

2 計(jì)算方法

目前，對(duì)于振動(dòng)計(jì)算一般采用靜力計(jì)算方法，將動(dòng)力荷載放大乘以一個(gè)1.3～2.0的動(dòng)力系數(shù)，將放大后的荷載作用在結(jié)構(gòu)上[3]。在靜力計(jì)算的基礎(chǔ)上，通常采用動(dòng)力計(jì)算進(jìn)行修正和調(diào)整，我國(guó)的動(dòng)力計(jì)算方法基本沿用的原蘇聯(lián)規(guī)范，1957年原冶金工業(yè)出版社的《動(dòng)荷載機(jī)器作用下的建筑物承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算規(guī)范》[4]是我國(guó)最早的動(dòng)荷載計(jì)算規(guī)范，2010年出版的《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]是對(duì)原規(guī)范的修正和沿用，其中規(guī)定：①梁第一頻率密集區(qū)內(nèi)最低自振頻率計(jì)算值大于設(shè)備的擾力頻率；②梁與柱的最大振動(dòng)位移扣除支座位移后不超過自身長(zhǎng)度的1/40000。滿足上述條件可不進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，但按動(dòng)力系數(shù)方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常只計(jì)算直接承受動(dòng)力荷載的梁，作為直接振動(dòng)梁支座的間接振動(dòng)梁，一般不考慮避振。參照《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，梁的自振頻率，應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中：i為頻率密集區(qū)的順序，i=1，2，…；fil為梁第i頻率密集區(qū)內(nèi)最低自振頻率，Hz；fih為梁第i頻率密集區(qū)內(nèi)最高自振頻率，Hz；為梁上單位長(zhǎng)度的均布質(zhì)量，kg/m；l0梁的計(jì)算跨度，m；φil、φih為第i頻率密集區(qū)的自振頻率系數(shù)。

梁的自振頻率與其剛度成正比，與均布質(zhì)量和跨度成反比。均布質(zhì)量要考慮結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備重，以及那些長(zhǎng)期作用的荷載。均布質(zhì)量主要由靜荷載和動(dòng)荷載引起，在計(jì)算過程中，應(yīng)保證承受靜載荷和動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)的承載力滿足要求，并滿足結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷下的位移限制，同時(shí)在此范圍內(nèi)，設(shè)備的振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)和人員是無害的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，盡量保證結(jié)構(gòu)的自振頻率高于設(shè)備的擾力頻率。如果結(jié)構(gòu)的自振頻率低于設(shè)備的擾力頻率，當(dāng)設(shè)備在開機(jī)或停機(jī)時(shí)，會(huì)發(fā)生設(shè)備擾力頻率穿越結(jié)構(gòu)自振頻率，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生穿越共振。

上述方法作為簡(jiǎn)化方法，一定程度的控制了局部振動(dòng)的問題。單根梁的結(jié)構(gòu)自振頻率計(jì)算準(zhǔn)確性差，在設(shè)有眾多不同類型的大型動(dòng)力設(shè)備的多層鋼結(jié)構(gòu)廠房，結(jié)構(gòu)振動(dòng)是十分復(fù)雜的，一方面是設(shè)備的振動(dòng)源；另一方面是結(jié)構(gòu)本身，振動(dòng)往往表現(xiàn)為多根梁、板的組合振動(dòng)，設(shè)計(jì)很難準(zhǔn)確把握。故比較準(zhǔn)確的方法是采用較復(fù)雜的有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體動(dòng)力特性分析計(jì)算。而在實(shí)際設(shè)計(jì)中往往選取一定樓板區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，這樣可以快速的定性判斷，也可以較好反映結(jié)構(gòu)實(shí)際動(dòng)力特性。

3 工程實(shí)例分析

山西段王煤業(yè)選煤廠為多層鋼框架結(jié)構(gòu)，樓板為鋼格板，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，主要建筑為三層，局部五層。由于工藝專業(yè)從投資方面考慮，且結(jié)構(gòu)專業(yè)未參與前期布置，建筑物的面積和體積卡的比較緊，設(shè)備布置的比較局促，結(jié)構(gòu)層的概念不是很清晰，整體性較差。在調(diào)試期間，標(biāo)高31.400m弛張篩運(yùn)行時(shí)，廠房振動(dòng)明顯。弛張篩的參數(shù)見表1，入料端和出料端支座高差4.5m，支座下端為跨度8.5m的鋼梁，如圖1所示，梁截面為HN750×300×13×24。

表1 弛張篩技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目靜載荷/kN垂向動(dòng)載荷/kN垂向縱向橫向入料端845261804排料端644211503驅(qū)動(dòng)處55030301

注：轉(zhuǎn)速800r/min，電機(jī)功率55kW。

圖1 支座布置圖(mm)

依據(jù)文獻(xiàn)[5]，梁上均布荷載=203kg/m，梁的最低自振頻率(考慮0.3折減系數(shù))fil=19.7Hz，大于設(shè)備的擾力頻率800/60=13.3Hz，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示，Q1、Q2、Q3代表集中力大小，x1、x2、x3代表集中力作用點(diǎn)。滿足動(dòng)力計(jì)算設(shè)計(jì)要求，但設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

簡(jiǎn)化方法只是考慮單根梁的振動(dòng)問題，但是無法提前預(yù)知整個(gè)框架在設(shè)備擾力激勵(lì)下的振動(dòng)情況，在本次設(shè)計(jì)中采用有限元對(duì)包括主梁、次梁、支撐、鋼柱為一體的動(dòng)力特性進(jìn)行分析計(jì)算。采用Sap2000對(duì)篩下結(jié)構(gòu)在擾力作用下的動(dòng)響應(yīng)分析，建立的局部模型如圖3所示，采用諧響應(yīng)分析法，計(jì)算結(jié)構(gòu)在0Hz至20Hz范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 Sap2000計(jì)算模型

圖4 Sap2000計(jì)算模型結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)在擾力頻率10.2Hz時(shí)出現(xiàn)共振峰值，設(shè)備工作頻率13.3Hz在共振密集區(qū)范圍內(nèi)。單根梁簡(jiǎn)化計(jì)算方法與有限元分析出現(xiàn)了較明顯的差異，差異原因如前所述。

綜合分析，出現(xiàn)振動(dòng)的原因可能包括以下因素：

1)振動(dòng)設(shè)備布置在頂層，設(shè)備基礎(chǔ)未與主體脫開。

2)設(shè)備入料端與出料端支座高差大，達(dá)到4.5m，由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和水平問題，未沿支座方向設(shè)置支撐，導(dǎo)致此方向振動(dòng)明顯。

3)多臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，易引起同一方向共振。

4)工藝布置過于緊湊，結(jié)構(gòu)布局不完全合理，結(jié)構(gòu)層的概念不清晰。

5)結(jié)構(gòu)樓板采用的是鋼格板，設(shè)備振動(dòng)引起鋼格板跨中振動(dòng)明顯，有放大效果，不能作為結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備考慮。

6)單根梁簡(jiǎn)化計(jì)算方法雖理論計(jì)算清晰，但未考慮設(shè)備之間的振動(dòng)影響和結(jié)構(gòu)本身的布置?？衫糜邢拊椒ㄟM(jìn)行校核比對(duì)。

4 結(jié) 論

廠房振動(dòng)問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，本文結(jié)合工程實(shí)際遇到的問題，通過采用傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化計(jì)算(單根梁)和有限元分析方法，對(duì)工業(yè)廠房的振動(dòng)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：

1)設(shè)備入料端與出料端支座高差較大時(shí)，采用整體計(jì)算的有限元方法能夠較為真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的固有頻率。

2)振動(dòng)設(shè)備盡量布置在廠房的低端。

3)對(duì)于支座高差較大時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生沿支座方向的縱向力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以重視。同時(shí)廠房的振動(dòng)和設(shè)備之間振動(dòng)的傳遞規(guī)律仍有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 丁文濤.臨渙選煤廠煤泥重介工藝分組粗煤泥的應(yīng)用研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2014.

[3] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4] H-200-54 MCHMXH，動(dòng)荷載機(jī)器作用下的建筑物承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算規(guī)范[S].

[5] GB 50583—2010，選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯 楊蛟洋)

Discussion on vibration of multi-story industrial building

GAO Jin-suo

(Tianjin Design Engineering Chinacoal Co.，Ltd.，Tianjin 300120，China)

Abstract：Aiming at the dynamic load and vibration caused by large equipment (sieve，centrifuges，etc.)，as there are many equipment in main workshop of coal preparation plant，and the structure arrangement is complex，the cause of equipment vibration was studied，with the comparison of the traditional simplified calculation (single beam) and finite element method.Results show that，when the elevation difference between the supports of material inlet and outlet，the overall finite element calculation result is close to natural frequency of the structure；and from the perspective of reducing structure vibration caused by equipment operation，equipment shall be arranged on lower level of the building.

Keywords：multi-story steel structure；main workshop；equipment vibration；vibration frequency

doi：10.11799/ce201705008

收稿日期：2016-11-29

作者簡(jiǎn)介：高金鎖(1983—)，男，吉林長(zhǎng)春人，碩士，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，E-mail：155119088@qq.com。

引用格式：高金鎖.多層鋼結(jié)構(gòu)廠房振動(dòng)探討[J].煤炭工程，2017，49(5)：24-26.

中圖分類號(hào)：TD948；TU393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0959(2017)05-0024-03