基于雙層隔振系統(tǒng)理論的隔振地基研究

楊龍宇 高芳清

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

基于雙層隔振系統(tǒng)理論的隔振地基研究

楊龍宇 高芳清

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

同單層隔振系統(tǒng)只適用于低頻區(qū)域(通常＜50Hz)相比,雙層隔振系統(tǒng)的傳遞率曲線在共振區(qū)后下降得比較快,對于高頻振動隔離比較有效。然而由于部分被隔離的機(jī)械設(shè)備本身重量不小，因而作為中間質(zhì)量塊的設(shè)備造價(jià)過高，且不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。本文提出了以剛性基礎(chǔ)作為中間質(zhì)量塊的雙層隔振系統(tǒng)的觀點(diǎn)，并以大型電力變壓器為被隔離設(shè)備進(jìn)行可行性分析， 提出了合理的隔振地基的結(jié)構(gòu)，可供地基設(shè)計(jì)人員參考

電力變壓器 雙層隔振 隔振地基 結(jié)構(gòu)形式

變電站中最主要的噪聲源設(shè)備是變壓器、電抗器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲，變壓器等設(shè)備噪聲產(chǎn)生的原因基本一致，即鐵芯與繞組振動產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，主要包括硅鋼片磁滯伸縮引起的鐵芯振動，及硅鋼片接縫處、硅鋼片之間會產(chǎn)生一定的漏磁現(xiàn)象產(chǎn)生的磁場力而引起的鐵芯的振動。變壓器是作為變電站降壓、升壓、聯(lián)絡(luò)變壓器非常重要的設(shè)備，由于該設(shè)備較細(xì)高，且自重大,常規(guī)的單層隔振效果一般，本文由雙層隔振系統(tǒng)理論入手，通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬，分析了不同參數(shù)下，隔振地基對于大型變壓器隔振效果的影響.

1.雙層隔振系統(tǒng)

單層隔振系統(tǒng)和雙層隔振系統(tǒng)模型可用下圖表示

圖1

雙層隔振就是在一次隔振的基礎(chǔ)上再加一層彈簧和阻尼器進(jìn)行二次隔振,如圖1所示。該系統(tǒng)分為雙層,機(jī)器設(shè)備本體為上層質(zhì)量塊M,由于有了中間質(zhì)量塊m以及下層阻尼器，雙層隔振會在單層隔振基礎(chǔ)上產(chǎn)生二次衰減能量的慣性力和阻尼力，使振動能量得到二次衰減。

根據(jù)隔振設(shè)計(jì)原理，無論阻尼比大小，單層隔振系統(tǒng)只有在頻率比大于2時(shí)候，傳遞率才小于1，隔振才有意義。研究表明：單層隔振系統(tǒng)只適用于低頻區(qū)域(通常＜50Hz)，相對于單層隔振系統(tǒng)，雙層隔振效率更高，頻率比范圍更廣，對于高頻振動隔離比較有效。

雙層隔振系統(tǒng)雖然優(yōu)點(diǎn)明顯，但是由于部分被隔振設(shè)備重量過大，以大型變壓器為例，某110kv變壓器變壓器整體重量6895kg，安裝時(shí)最大起重重量 35410kg，油質(zhì)量 17120kg，而工程中作為雙層隔振系統(tǒng)的中間質(zhì)量塊質(zhì)量一般在設(shè)備的0.25-1倍之間，造價(jià)昂貴且不經(jīng)濟(jì)，但已有研究表明，變壓器的振動頻率是100Hz及其倍頻，使用單層隔振效果不佳。

考慮到以上因素，本文提出了以剛性基礎(chǔ)作為中間質(zhì)量塊的雙層隔振系統(tǒng)的觀點(diǎn)，這樣既避免了中間質(zhì)量塊設(shè)備的制作，又能減少整體系統(tǒng)的重量，并對提高系統(tǒng)穩(wěn)定性有一定的幫助。

圖2 -a圖2-b

2種隔振地基模型如圖2所示，其中圖2-a為混凝土獨(dú)立地基，考慮基礎(chǔ)周圍土體對隔振系統(tǒng)的影響，將其等效剛度與阻尼形式來表達(dá),此時(shí)，隔振系統(tǒng)模型可理解為雙層隔振模型。圖2-b為多層結(jié)構(gòu)，周圍設(shè)有隔振溝，振動主要沿豎向傳遞，下層的隔振由減震橡膠和膠合板來提供。

2.變壓器基礎(chǔ)隔振數(shù)值模擬

選取較為簡單的模型圖2-a進(jìn)行分析，采用有限元分析方法進(jìn)行理論研究，變壓器通過上層阻尼彈簧隔振器與基礎(chǔ)相連，建立力學(xué)模型如圖3所示?？紤]基礎(chǔ)周圍土體對隔振系統(tǒng)的影響土體的剛度設(shè)定為1 . 3 ×10e 7 N / m ，阻尼比設(shè)定0 .1。隔振器的具體參數(shù)通過在ansys中輸入隔振器的縱向等效剛度和阻尼，輸入不同的數(shù)值就可以模擬不同隔振參數(shù)下隔振器的效果。

圖3 力學(xué)模型

為了評估隔振地基的效果，首先要確定隔振器剛度及阻尼的合理取值范圍。先選取頻率比λ，是激勵(lì)頻率與系統(tǒng)固有頻率之間的比值，為使研究具有普適性，可分別取頻率比λ=0.5，λ=1，λ=1.5，λ=2，λ=3四種情況進(jìn)行分析。

阻尼比體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)阻尼的大小，用于描述結(jié)構(gòu)在振動過程中對能量的耗散，是結(jié)構(gòu)的動力特性之一。隔振層的阻尼比可用符號ζ表示，為研究阻尼參數(shù)對響應(yīng)的影響，可取阻尼比ζ=0.0001，ζ=0.001，ζ=0.01，ζ=0.1四種情況來進(jìn)行分析。

描述和評價(jià)隔振效果最常用的是振動傳遞率T，變壓器隔振系統(tǒng)的隔振特性可通過傳遞率來衡量。位移傳遞率是指振動傳遞到基礎(chǔ)上引起的位移與設(shè)備底部的位移之比，通過計(jì)算不同頻率比和阻尼比下油箱表面和地基處的振動位移可以得到振動位移傳遞率曲線如圖4所示。

圖4 變壓器隔振系統(tǒng)位移傳遞率變化曲線

由計(jì)算結(jié)果表明：選取合適的頻率比和阻尼比后，圖2-a型隔振地基有較好的隔振效果，但由于下層隔振只選取周邊土體的等效剛度和阻尼影響，隔振效果達(dá)不到最佳狀態(tài)，在混凝土基礎(chǔ)底部放置減震橡膠以及在周圍設(shè)置隔振溝，會有更好地效果。

3.基礎(chǔ)質(zhì)量對變壓器隔振效果的影響

變壓器隔振系統(tǒng)是一個(gè)雙層隔振系統(tǒng)，在系統(tǒng)中，中間質(zhì)量對隔振效果有比較大的

影響，因此有必要對變壓器混凝土基礎(chǔ)大小對變壓器隔振效果的影響進(jìn)行分析。

鑒于目前變壓器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中并未對基礎(chǔ)大小、高度、質(zhì)量等幾何參數(shù)作明確的要求，

本文依據(jù)混凝土基礎(chǔ)質(zhì)量與被隔振設(shè)備的質(zhì)量比作為變化參數(shù)進(jìn)行分析。這里選取混凝土基礎(chǔ)與變壓器設(shè)備的質(zhì)量比分別為0.5、1和2三種情況。 分析時(shí)保證混凝土基礎(chǔ)長寬不變，僅改變其高度，分析混凝土基礎(chǔ)質(zhì)量大小對變壓器隔振效果的影響。將三種不同質(zhì)量比時(shí)的隔振傳遞率進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 三種不同質(zhì)量比下，系統(tǒng)的振動位移傳遞率

由表1看出，基礎(chǔ)與變壓器質(zhì)量比為2時(shí)的振動位移傳遞率反而比較大，可以看出混凝土基礎(chǔ)的質(zhì)量并不是越大越好。同時(shí)也可以看出：質(zhì)量比為0.5和1時(shí)的隔振效果較好且比較相近。

基于混凝土的重度和常規(guī)混凝土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)以及隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性等因素，認(rèn)為選取混凝土基礎(chǔ)與變壓器設(shè)備的質(zhì)量比為1較為合理。

4.結(jié)語

在保證大型變壓器結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，合理設(shè)計(jì)變壓器基礎(chǔ)隔振層參數(shù)（分為上層和下層）、基礎(chǔ)質(zhì)量，可有效降低變壓器振動向地基等鄰近結(jié)構(gòu)傳遞率，有效降低變壓器油箱表面振動，從而有效降低大型變壓器噪聲。設(shè)置不同的隔振地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型，在城市化越來越快的今天，對于今后的電力建設(shè)有著重要的意義，隔振地基研究具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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G322

B

1007-6344（2015）05-0333-02

楊龍宇（1990— ），男，漢族，湖北天門人，西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。