選煤廠主廠房振動(dòng)分析與控制措施

何志鵬

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

主廠房是選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)的核心建筑，通常采用多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，其中各樓層布置有各種大型動(dòng)力設(shè)備。在主廠房設(shè)計(jì)階段，如果對(duì)其結(jié)構(gòu)布置考慮不周，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)期間容易發(fā)生設(shè)備振動(dòng)引起的梁、柱及樓板振動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器的使用功能下降，甚至可能影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。因此，在主廠房設(shè)計(jì)初期，就要考慮動(dòng)力荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并提出改善結(jié)構(gòu)抗振性能的措施，避免不良現(xiàn)象或事故的發(fā)生。

對(duì)于選煤廠主廠房抗振問(wèn)題，目前我國(guó)沒有特別有效的針對(duì)方法，要么消極地等裂縫出現(xiàn)后自行緩解，要么采用增加支撐等方法，但效果均不太理想[1]。經(jīng)綜合分析與研究，只有在設(shè)計(jì)階段通過(guò)計(jì)算和采取積極有效的防治措施，才能從根本上解決問(wèn)題。根據(jù)結(jié)構(gòu)防振設(shè)計(jì)原則和結(jié)構(gòu)布置原則、動(dòng)力計(jì)算方法，對(duì)雞西榮華立井選煤廠的主廠房進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)，以為選煤廠投產(chǎn)后的正常生產(chǎn)提供安全保障。

1 結(jié)構(gòu)防振設(shè)計(jì)原則

通過(guò)動(dòng)力學(xué)理論可知，兩方面的因素控制著結(jié)構(gòu)的振動(dòng)[2]: 一方面是對(duì)結(jié)構(gòu)施加的激振力，即擾力源；另一方面是結(jié)構(gòu)對(duì)特定激勵(lì)的響應(yīng)，即結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性。當(dāng)結(jié)構(gòu)自身的某階固有頻率與擾力源頻率接近甚至吻合時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象[3]。此時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)烈，振幅可能變得很大，這對(duì)結(jié)構(gòu)本身和工作環(huán)境不利。通常結(jié)構(gòu)的防振設(shè)計(jì)主要依據(jù)以下原則：

(1)首先考慮避開共振區(qū)，即調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其與設(shè)備工作頻率錯(cuò)開。如果工作頻率不同的多臺(tái)振動(dòng)設(shè)備相鄰布置，且結(jié)構(gòu)自振頻率調(diào)整困難，導(dǎo)致兩者頻率無(wú)法錯(cuò)開時(shí)，宜調(diào)整設(shè)備布置，盡量設(shè)置獨(dú)立的結(jié)構(gòu)振動(dòng)單元。

(2)對(duì)于無(wú)法避開共振區(qū)的情況，應(yīng)盡可能調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，使其自振頻率遠(yuǎn)離設(shè)備工作頻率，并控制結(jié)構(gòu)振幅不超過(guò)正常使用的允許值。一般情況下，對(duì)于已經(jīng)定型的設(shè)備，其工作頻率基本確定，防止共振就得從結(jié)構(gòu)方面考慮，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)自振頻率，使其遠(yuǎn)離設(shè)備激振頻率[4]。

2 結(jié)構(gòu)布置原則

主廠房的結(jié)構(gòu)方案與選煤設(shè)備的布置緊密相關(guān)，要想設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)方案，在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)之初，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就應(yīng)全面參與設(shè)備布置的研究，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)不同設(shè)備提出具體的結(jié)構(gòu)布置方案，將動(dòng)力設(shè)備布置在對(duì)結(jié)構(gòu)最有利的位置，盡可能從布置方面減輕設(shè)備振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響[5]。但在很多工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中，經(jīng)常由工藝專業(yè)主導(dǎo)平面布置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)布局不完全合理，這就更需要土建設(shè)計(jì)師根據(jù)豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整、完善結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)而形成良好的柱網(wǎng)、梁板體系，充分利用結(jié)構(gòu)的整體剛度抵抗設(shè)備產(chǎn)生的擾力。在結(jié)構(gòu)布置足夠好時(shí)，即使選用等量的材料，也能使設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的影響大大降低，從而達(dá)到既經(jīng)濟(jì)合理，又滿足生產(chǎn)和使用的要求。

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)構(gòu)方案可以遵循如下原則布置：①由于柱子對(duì)抵抗上下慣性力的剛度近似為無(wú)限大，故以垂直振動(dòng)為主的設(shè)備宜布置在梁的支座和柱子附近；②以水平振動(dòng)為主的設(shè)備宜布置在梁的跨中部位，并使其擾力沿梁的軸線方向作用[5]；③跳汰機(jī)的水平振動(dòng)頻率應(yīng)控制在主廠房的自振頻率以下；④對(duì)于振動(dòng)篩和跳汰機(jī)，其擾力方向要與承重結(jié)構(gòu)水平剛度較大的方向一致；⑤主廠房宜采用鋼筋混凝土樓蓋，且樓蓋不宜太??；⑥振動(dòng)梁宜布置成單跨梁，以方便計(jì)算。

結(jié)構(gòu)的自振頻率主要取決于自身剛度，故還應(yīng)采取措施增強(qiáng)梁的剛度，并減小其跨度，這主要通過(guò)以下三種方法實(shí)現(xiàn)：①改變結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布置，一般常用的、較經(jīng)濟(jì)的柱網(wǎng)為6～8 m柱距；②在承受動(dòng)荷載的梁下面增加鋼或鋼筋混凝土柱子，以減少梁的跨度，這樣可以明顯減少梁的振幅，但這種布置往往受工藝布置的限制；③在承受動(dòng)荷載的梁下增設(shè)鋼斜撐，作為梁的支點(diǎn)，以減小其跨度，這也是減少梁振幅的有效措施。

3 動(dòng)力計(jì)算方法

選煤廠主廠房的各樓層布置設(shè)備較多，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，各設(shè)備在同一時(shí)間的振幅、頻率不同，在不同時(shí)間的振幅、頻率也為變量，因此對(duì)振動(dòng)進(jìn)行精確計(jì)算很困難。目前，對(duì)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算多采用靜力計(jì)算方法，即先將設(shè)備的靜力荷載乘以1.3～2.0的動(dòng)力系數(shù)[6]，再將其乘積作為計(jì)算荷載施加于結(jié)構(gòu)，然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算[5]。

在整體布局完成后，針對(duì)結(jié)構(gòu)具體部位，還需通過(guò)動(dòng)力計(jì)算對(duì)靜力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正和調(diào)整。目前，我國(guó)大多沿用1991年冶金部的《機(jī)器動(dòng)荷載作用下建筑物承重結(jié)構(gòu)的振動(dòng)計(jì)算和隔振設(shè)計(jì)規(guī)程》[7]，根據(jù)該規(guī)范的規(guī)定，梁的固有振動(dòng)頻率分為五個(gè)區(qū)(圖1)，頻率由0至n1為振前區(qū)，n1至n2為第一振型共振區(qū)，n2至n3為間歇區(qū)，n3至n4為第二振型共振區(qū)，大于n4為超振區(qū)。

圖1 振區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

如果設(shè)備動(dòng)荷載的工作頻率在振前區(qū)，不會(huì)引起共振；如果其在第一振型共振區(qū)，就會(huì)引起共振，并產(chǎn)生很大的振幅和內(nèi)力；如果其在間歇區(qū)，不會(huì)引起大的共振，只有在設(shè)備啟停機(jī)時(shí)，當(dāng)設(shè)備頻率通過(guò)第一振型共振區(qū)才可能引起瞬時(shí)共振；如果其在第二振型共振區(qū)，也會(huì)引起共振。結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算的首要內(nèi)容就是摸清結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，計(jì)算其自振頻率[8]。研究表明，設(shè)備的頻率一般在16 Hz左右，將梁的自振頻率控制在24 Hz以上，通常不會(huì)發(fā)生共振[9]。

根據(jù)GB 50583—2010《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]規(guī)定：對(duì)于承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，當(dāng)梁的第一頻率密集區(qū)內(nèi)最低自振頻率(計(jì)算值)大于設(shè)備擾力頻率時(shí)，可不進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，但應(yīng)按動(dòng)力系數(shù)法對(duì)其進(jìn)行靜力計(jì)算。在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們只對(duì)直接承受動(dòng)力荷載的梁進(jìn)行避振計(jì)算，也就是對(duì)梁的自振頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)整。作為直接振動(dòng)梁支座的間接振動(dòng)梁，一般不考慮避振。但對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí)，由直接振動(dòng)梁傳來(lái)的集中荷載要考慮動(dòng)力系數(shù)；而對(duì)柱子進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí)，不必考慮動(dòng)力系數(shù)，其一般由工藝專業(yè)提供。

梁的自振頻率計(jì)算式為：

式中：fi為自振頻率，Hz；φ1自振頻率系數(shù)；l為梁的計(jì)算跨度，m；D為梁的剛度，D=EI，N·m2；m為單位長(zhǎng)度換算均布質(zhì)量，kg/m。

從上式可看出，影響結(jié)構(gòu)自振頻率的因素包括梁的剛度和跨度、單位長(zhǎng)度換算均布質(zhì)量，其中梁的剛度取決于結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)和矩形梁斷面，梁的高度在其中起關(guān)鍵作用；單位長(zhǎng)度換算均布質(zhì)量取決于梁的荷載標(biāo)準(zhǔn)值的大小和設(shè)備支座在梁上的分布位置，當(dāng)支座越靠近梁端時(shí)，對(duì)抗振性能的提高越有利。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

雞西榮華立井選煤廠主廠房的主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)選用鋼筋混凝土筏板；主要建筑平面分為五層，建筑面積為4 120 m2，建筑體積為35 173 m3；各樓層的主要振動(dòng)設(shè)備為7臺(tái)振動(dòng)篩(主要為中頻)、5臺(tái)離心機(jī)、4臺(tái)壓濾機(jī)，其中振動(dòng)篩工作頻率均為15 Hz。

4.2 結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員接受工藝資料時(shí)，工藝部門已經(jīng)布置出初步的結(jié)構(gòu)方案，因此結(jié)構(gòu)布置需在此基礎(chǔ)上調(diào)整。經(jīng)過(guò)研究與分析后，主要調(diào)整內(nèi)容為：調(diào)整整體柱距，使平面圖中的所有柱距盡量接近，且最大柱距減小至7.50 m；主要振動(dòng)設(shè)備的地腳均布置在主梁端部或框架柱附近，設(shè)備沿梁中心線對(duì)稱布置；設(shè)備所在區(qū)域適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)剛度，樓板采用鋼筋混凝土整體現(xiàn)澆，板厚為160 mm，跨度不大于3 m，板內(nèi)配置φ10@150 雙排雙向鋼筋，鋼筋接頭全部通過(guò)焊接連接；對(duì)于工藝布置未給土建布置留有足夠空間的樓層，需要增加層高。經(jīng)過(guò)宏觀調(diào)整后，最終確定的結(jié)構(gòu)方案更加合理，為下一步的動(dòng)力計(jì)算創(chuàng)造了有利條件。

對(duì)于直接承受動(dòng)力荷載的支撐梁的剛度，以煤泥脫介篩為例進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。煤泥脫介篩的工作頻率為15 Hz，其下部由兩根結(jié)構(gòu)梁共同承擔(dān)，跨度為7.50 m，單根梁承受的靜力荷載為18 t，混凝土標(biāo)號(hào)為C30。設(shè)備支座布置示意圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備支座布置示意圖

依據(jù)文獻(xiàn)[8]確定的計(jì)算式為：

n01=φ01A，n*1=φ*1A，n02=φ02A，n*2=φ*2A，A=(D/ml4)1/2，

式中：n01、n*1分別為第一組頻率中最高和最低的頻率，Hz；n02、n*2分別為第二組頻率中最高和最低的頻率，Hz；φ01、φ02、φ*1、φ*2分別為頻率系數(shù)；A為與結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量有關(guān)的數(shù)值；D為不變剛度，kg·m2；m為單位長(zhǎng)度換算均布質(zhì)量，kg/m；l為梁的計(jì)算跨度，m；

取截面為0.50 m×1.50 m的梁進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖

梁上的均布荷載q0=536 kg/m，換算的不變剛度D=4.25×108kg·m2，簡(jiǎn)支單跨梁的頻率系數(shù)φ01=φ*1=1.57(來(lái)源于文獻(xiàn)[7]中的表15)，簡(jiǎn)支單跨梁的頻率系數(shù)φ02=φ*2=6.28(來(lái)源于文獻(xiàn)[8]中的表15)。

計(jì)算出的承重梁固有振動(dòng)頻率n01=n*1= 24.75，鋼筋混凝土梁的樓板固有垂直振動(dòng)頻率的可能誤差ε取0.25，故第一頻率密集區(qū)自振頻率為n1=(1-ε)n01=18.60、n2=(1+ε)n02=31.00。脫介篩的工作頻率小于第一頻率密集區(qū)自振頻率，說(shuō)明此矩形截面梁能夠滿足動(dòng)力計(jì)算設(shè)計(jì)要求。

在進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算時(shí)未考慮混凝土板的剛度和設(shè)備自身的剛度，作為安全儲(chǔ)備。該選煤廠主廠房于2011年建成投產(chǎn)，應(yīng)用至今未出現(xiàn)過(guò)振動(dòng)問(wèn)題，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的抗振效果很好。

5 結(jié)語(yǔ)

選煤廠主廠房各樓層布置的振動(dòng)設(shè)備較多，有效控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)是設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題?？刂平Y(jié)構(gòu)振動(dòng)是主廠房設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，在工程建設(shè)時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面參與設(shè)備布置的研究，根據(jù)相關(guān)原則和動(dòng)力計(jì)算方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和工藝布置需要，對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行抗振分析和調(diào)整、優(yōu)化，防止共振現(xiàn)象的發(fā)生，確保后續(xù)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

[1] 許 濤，劉 宏.選煤廠主廠房的防振動(dòng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)建筑，2010(S1):217-218.

[2] 陸 峰.淺談混凝土結(jié)構(gòu)樓面的振動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題[J].四川建材，2014(4): 50-52.

[3] 比爾茲.結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析[M].朱世杰，陳玉瓊，譯.北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.

[4] 邱德修，樊開儒.多層工業(yè)廠房的振動(dòng)問(wèn)題分析[J].工業(yè)建筑，2010(S1):510-513.

[5] 高紅珍.選煤廠主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的振動(dòng)荷載問(wèn)題[J].煤炭工程，2003(5):26-27.

[6] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB:50009—2012[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[7] 中華人民共和國(guó)冶金工業(yè)部.機(jī)器動(dòng)荷載作用下建筑物承重結(jié)構(gòu)的振動(dòng)計(jì)算和隔振設(shè)計(jì)規(guī)程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

[8] 崔林萌.動(dòng)力荷載作用下樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算方法[J].煤礦設(shè)計(jì)，1997(10):46-48.

[9] 胥為捷.設(shè)備振動(dòng)荷載對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響[J].水運(yùn)工程，2013(10):169-172.

[10] 中國(guó)煤炭建設(shè)協(xié)會(huì).選煤場(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50583—2010[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.