多層轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制與加固分析

成祎民 ，尚 鵬 ，閆春生

（1. 浙江工業(yè)大學(xué)工學(xué)部， 浙江 杭州 310023；2. 浙江省衢州市建筑工程管理處， 浙江 衢州 324000；3.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055）

轉(zhuǎn)運(yùn)站是設(shè)在兩臺(tái)高架固定帶式輸送機(jī)之間的中轉(zhuǎn)站，它主要用于長距離運(yùn)輸過程的中間傳遞或改變物料的輸送方向，在工業(yè)運(yùn)輸中起著重要的樞紐作用．轉(zhuǎn)運(yùn)站多為敞開式空間框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)本身高寬比較大，層高不規(guī)則，除設(shè)備層外其余各層通常不設(shè)置樓板，屬典型的高聳柔性結(jié)構(gòu)；而且皮帶張力和動(dòng)力設(shè)備擾力作為引發(fā)轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要激振源，均作用于結(jié)構(gòu)較高部位[1-3]．因此，在抗振動(dòng)方面，無論是結(jié)構(gòu)形式還是受力性質(zhì)，轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)都要比一般建筑結(jié)構(gòu)不利得多．結(jié)構(gòu)剛

度較小，過大且持續(xù)的振動(dòng)都將降低結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性，影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部機(jī)器設(shè)備的工作性能和生產(chǎn)安全，并會(huì)對操作和檢修人員的舒適性甚至身體健康產(chǎn)生不利影響，降低工作效率[4-6]．

對轉(zhuǎn)運(yùn)站這一特殊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題，國內(nèi)外尚沒有系統(tǒng)的研究成果可以借鑒并應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和在役結(jié)構(gòu)的加固維修．調(diào)查顯示，在我國鋼鐵企業(yè)中轉(zhuǎn)運(yùn)站絕大部分不能達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)使用50年的要求，特別是有振動(dòng)設(shè)備的轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)在使用期間需要反復(fù)進(jìn)行維修，一般在10～25年間就要大修加固，更有甚者因破壞嚴(yán)重，不得不提前拆除重建，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)秩序．結(jié)合典型工程案例，對振動(dòng)系統(tǒng)所受各種激勵(lì)及所產(chǎn)生的響應(yīng)之間的關(guān)系進(jìn)行了探討[7-8]，提出了更加符合實(shí)際的轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法，為新建轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和在役轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)加固維修提供依據(jù)．

1 結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)控制方法

對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)剛度的常用加固方案主要有以下兩種：

(1) 加設(shè)鋼支撐．鋼支撐宜采用雙角鋼交叉支撐，通過鋼板套箍與原框架構(gòu)件可靠連接．鋼支撐布置如圖1（a）所示．

（2）增設(shè)鋼筋混凝土“門式”剪力墻．考慮轉(zhuǎn)運(yùn)站與通廊接口布置、機(jī)器設(shè)備吊裝和底部交通需要，將后設(shè)剪力墻立面做成“門”形，中部適當(dāng)開洞，并與原框架采用錨筋或現(xiàn)澆鋼筋混凝土套可靠連接，形成框架—剪力墻結(jié)構(gòu)．剪力墻立面布置如圖1(b)所示．

圖1 鋼筋混凝土框架加固方案示意圖 Fig.1 The schematic drawing of the strengthening scheme of reinforced concrete frame

2 多層轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的力學(xué)模型及振動(dòng)分析

2.1 力學(xué)模型的建立

轉(zhuǎn)運(yùn)站系某鋼鐵公司焦化廠煤料輸送系統(tǒng)工程之一，為四層六柱組成的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)載單元為頂部兩層，轉(zhuǎn)載方向?yàn)?0°．結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則，橫向軸線尺寸5.70 m+5.30 m，縱向軸線尺寸8.70 m，總高度18.70 m，一、二層敞開無圍護(hù)結(jié)構(gòu)，一層（標(biāo)高4.000 m處）無樓板，三、四層局部外圍由砌體填充并開設(shè)門窗洞口．框架柱截面尺寸均為500 mm×500 mm．轉(zhuǎn)運(yùn)站在四層和三層分別與 R3、R4通廊和 R5、R6雙機(jī)通廊相連．四層布置R3、R4兩臺(tái)輸送機(jī)機(jī)頭、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速箱，三層布置R5、R6兩臺(tái)輸送機(jī)機(jī)尾．

結(jié)構(gòu)建模分析采用 ETABS Non-linear V8.48軟件，混凝土和鋼材均采用線彈性、各向同性材料模型，樓板單元選用膜單元（Membrane），膜厚度采用樓板厚度設(shè)計(jì)值．為模擬鋼桁架通廊的支撐作用，在建立力學(xué)分析模型時(shí)將鋼桁架通廊簡化為四個(gè)Y方向的彈簧支座，布置在轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的相應(yīng)位置；同樣，對R5、R6雙機(jī)通廊在X方向上做類似的簡化處理，如圖2所示．原結(jié)構(gòu)剖面和計(jì)算模型見圖3(a)、圖3(b)．

圖2 簡化彈簧支座布置示意圖Fig.2 The schematic drawing of simplified spring support

（1）鋼支撐加固方案

在原框架結(jié)構(gòu)外圍柱間設(shè)置鋼支撐，建立計(jì)算模型，支撐選用雙角鋼2∟160×10（a=8 mm），鋼材牌號(hào)為Q235-B，計(jì)算模型如圖3(c)所示．

（2）鋼筋混凝土剪力墻加固方案

在原框架結(jié)構(gòu)外圍柱間增設(shè)鋼筋混凝土剪力墻，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30．新增的剪力墻厚度h=250 mm，墻肢寬lw=600 mm（四層AB軸兩端墻肢寬1 200 mm），連梁高lz=（1 200－h(huán)KL）mm，hKL為新增連梁頂部原框架梁的截面高度．考慮工藝要求，建模時(shí)在通廊入口和設(shè)備吊裝入口處適當(dāng)改變剪力墻墻肢的寬度，墻體單元選用殼單元（Shell），控制最大剖分尺寸為 500 mm．計(jì)算模型如圖3（d）所示．

圖3 多層轉(zhuǎn)運(yùn)站原結(jié)構(gòu)及兩種加固方案計(jì)算模型Fig.3 The original structure and computing models of two strengthening schemes

2.2 兩種加固方案的動(dòng)力分析

（1）兩種加固方案的效果評(píng)價(jià)

將原結(jié)構(gòu)和兩種加固方案的基本自振頻率對比情況列于表1，將原結(jié)構(gòu)和兩種加固方案在靜荷載及1.70 Hz激振力作用下各參考點(diǎn)的水平位移、加速度幅值計(jì)算結(jié)果列于表2排-表7，比較兩種方案的加固效果．

表1 原結(jié)構(gòu)和兩種加固方案的基本自振頻率計(jì)算結(jié)果對比

表1 原結(jié)構(gòu)和兩種加固方案的基本自振頻率計(jì)算結(jié)果對比Tab.1 Comparison of vibration frequency between original structure and strengthening schemes

表2 原結(jié)構(gòu)及加固方案在Y向靜荷載作用下的水平位移Tab.2 Horizontal displacements of original structure and strengthening schemes under static loading in Y direction

表3 原結(jié)構(gòu)及加固方案在X向靜荷載作用下的水平位移 Tab.3 Horizontal displacements of original structure and strengthening schemes under static loading in X direction

表4 原結(jié)構(gòu)及加固方案在Y向1.70 Hz激振力作用下的水平位移幅值Tab.4 Horizontal displacements of original structure and strengthening schemes under 1.70 Hz exciting force in Y direction

表5 原結(jié)構(gòu)及加固方案在X向1.70 Hz激振力作用下的水平位移幅值Tab.5 Horizontal displacements of original structure and strengthening schemes under 1.70 Hz exciting force in X direction

表6 原結(jié)構(gòu)及加固方案在Y向1.70 Hz激振力作用下的水平加速度幅值 Tab.6 The amplitude of horizontal acceleration of original structure and strengthening schemes under 1.70 Hz exciting force in Y direction

表7 原結(jié)構(gòu)及加固方案在X向1.70 Hz激振力作用下的水平加速度幅值Tab.7 The amplitude of horizontal acceleration of original structure and strengthening schemes under 1.70 Hz exciting force in X direction

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）增設(shè)鋼支撐或鋼筋混凝土剪力墻，均能有效提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，結(jié)構(gòu)加固后的自振頻率可以避開1.00～2.23 Hz低頻動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)頻率，防止共振現(xiàn)象的發(fā)生．

（2）兩種加固方案均能使結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)位移幅值、加速度幅值得到有效控制．加固后，在1.70 Hz的轉(zhuǎn)運(yùn)站振動(dòng)頻率處，結(jié)構(gòu)各層水平振動(dòng)位移幅值控制在安全極限標(biāo)準(zhǔn)0.90 mm以內(nèi)；各層水平加速度幅值控制在人體舒適性界限標(biāo)準(zhǔn) 0.26 m/s2以下．

（3）鋼支撐加固是一種干作業(yè)法，施工簡便快捷，基本不影響正常的生產(chǎn)活動(dòng)．對于跨度和層高較小的結(jié)構(gòu)，鋼支撐加固效果較好；當(dāng)結(jié)構(gòu)跨度和層高較大時(shí)，所需鋼支撐長度增加，其剛度相對降低；且以往的工程加固經(jīng)驗(yàn)表明，該方法不易保證鋼板套箍與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的緊密性和牢固性；同時(shí)，受生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)底部交通的限制，鋼支撐通常不能做到均勻布置，加固效果難以保證．

（4）采用鋼筋混凝土剪力墻加固，工序復(fù)雜、工期較長，同時(shí)施工過程會(huì)影響正常的生產(chǎn)活動(dòng)．但采用剪力墻加固可以根據(jù)生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)底部交通的需要靈活改變布置形式；鋼筋混凝土剪力墻的側(cè)向剛度較大，且與原有結(jié)構(gòu)能夠可靠連接，使兩者在動(dòng)荷載作用下協(xié)同工作．

（5）原結(jié)構(gòu)各樓層參考點(diǎn)的最大水平位移對應(yīng)激振頻率不一致，水平力作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向變形不均勻，如圖4（a）和圖5（a）所示．加固后，由于結(jié)構(gòu)整體剛度提高，彈簧支座對結(jié)構(gòu)局部樓層剛度的改變不再明顯，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)各層頻率―位移曲線波峰均對應(yīng)于相同的激振力頻率，同時(shí)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形趨于均勻，如圖 4（b）、（c）和 5（b）、（c）所示．圖4和圖5表示考慮通廊水平支撐作用時(shí)，1.0～5.0 Hz頻率段簡諧水平激振力作用下結(jié)構(gòu)在Y方向和X方向的共振頻率及相應(yīng)各參考點(diǎn)的位移幅值．

圖4 R3、R4（水平力標(biāo)高12.000 m）作用下Y方向的共振頻率及參考點(diǎn)峰值位移 Fig.4 Resonance frequency and peak displacement in Y direction under R3, R4 excitation

圖5 R5、R6（水平力標(biāo)高7.500 m）作用下X方向的共振頻率及參考點(diǎn)峰值位移 Fig.5 Resonance frequency and peak displacement in X direction under R5, R6 excitation

3 結(jié)論

（1）多層轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)自身剛度較低及由于通廊的作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部剛度改變，結(jié)構(gòu)在計(jì)算頻段（0.5～5.0 Hz）內(nèi)的多個(gè)頻率點(diǎn)發(fā)生共振現(xiàn)象，設(shè)置交叉鋼支撐或鋼筋混凝土剪力墻兩種加固方案均可改善多頻率點(diǎn)發(fā)生共振和結(jié)構(gòu)側(cè)向變形不均勻現(xiàn)象．

（2）雖然在原框架柱柱間均勻增設(shè)交叉鋼支撐或鋼筋混凝土剪力墻，均可有效提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小結(jié)構(gòu)水平位移，但受生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)底部交通等條件限制，鋼支撐往往不能保證均勻布置，建議優(yōu)先選用鋼筋混凝土“門式”剪力墻加固方案．

（3）一般情況下，只要采用的梁板剛度不低于界限剛度，即可不考慮樓蓋的豎向振動(dòng)問題．對沒有設(shè)置樓板的樓層，可依附原有框架梁增設(shè)“回”字形鋼筋混凝土板，提高結(jié)構(gòu)的整體性的同時(shí)加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)整體的豎向振動(dòng)控制．

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