某篩分樓鋼筋混凝土結構的振動分析

唐宏欣，李兵強

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159；2.鞍鋼集團礦業(yè)設計研究院有限公司，遼寧 鞍山 114004)

在現(xiàn)代社會的生產和生活中，建筑工程的振動問題越來越引起人們的重視，振動過大，會危害建筑的安全，影響機器設備的正常工作、儀器儀表的測量精度、工作人員的身體健康，還會對環(huán)境造成污染[1]。尤其是工業(yè)建筑內的大型振動設備較多，設備振動會引起廠房結構的連帶振動，過大的結構振動將危害廠房結構的安全性和耐久性[2-3]。

某建材有限公司年產1000萬噸骨料生產線工程篩分樓，長38m，寬16.04m，高24.5m，結構形式為鋼筋混凝土框架結構；主要平臺為標高6m、11m、16.2m平臺，振動篩位于標高6m、11m平臺，每層各6臺振動篩。該振動篩處理能力為500t/h，振動頻率為750RPM，荷重為16t/臺，由于平臺振動嚴重，導致梁板損壞，為了結構安全，同時為了減小振動，現(xiàn)采用有限元程序對原結構進行動力分析，計算平臺的振型與頻率，為結構設計及改進提供參考。

1 動力學仿真計算

1.1 模型的簡化

選取一個獨立框架結構進行有限元方法建模，并設置相關參數(shù)進行計算[4]。由于篩分樓結構和設備布置復雜、結構材料性能及施工質量等因素的影響，采用有限元軟件很難精確模擬實際結構，因此建立計算模型時需進行一定的簡化。計算模型簡化的基本原則為：遵循模型結構與原型結構的基本特性和受力狀況相近的原則，并達到模型結構能比較真實地反映結構的實際受力狀況和振動特性的效果。

篩分樓整體結構為框架結構體系，梁柱支撐采用框架單元模擬，平臺布置圖如圖1所示。鋼筋混凝土結構通常假定“樓板在平面內剛度無窮大，在平面外剛度為零”，可通過指定節(jié)點隔板束縛來實現(xiàn)這一假定。但對于平面布置不規(guī)則、樓板開洞較大的結構，剛性樓板假定會導致較大的計算誤差，因此建立計算模型時應考慮樓板的實際剛度。另外通過現(xiàn)場照片可以看出，墻面圍護材料為單層壓型鋼板，因此忽略墻體對結構的剛度影響；同時由于缺乏膠帶機通廊相關資料，因此建模時不考慮通廊對結構抗側移剛度的增強作用。

圖1 平臺布置圖(單位：mm)

結構動力分析采用SAP2000有限元軟件三維框架單元進行建模[5]。篩分樓的柱、梁、板均采用C30混凝土，加固構件擬采用型鋼，定義混凝土和鋼材的材料屬性均為線彈性、各向同性。篩分樓結構平面布置不規(guī)則，結構構件(尤其梁)的截面尺寸繁多，柱網(wǎng)布置見圖2所示。

圖2 柱網(wǎng)平面布置圖(單位：mm)

采用框架單元模擬梁、柱；采用厚殼單元模擬樓板，不考慮非結構構件(填充墻、附屬鋼平臺及鋼樓梯等)的影響，初步建立的結構模型如圖3所示。

圖3 篩分樓結構模型

1.2 模態(tài)分析結果

使用有限元程序的模態(tài)分析功能對計算模型進行模態(tài)分析。由于本篩分樓為框架結構，分析方法選擇特征向量法，截取前200階振型，限于篇幅，僅在表1中列出計算模型的前20階模態(tài)參數(shù)。

表1 前20階振型模態(tài)參數(shù)

圖4～圖9為部分所對應的陣型圖。

圖4 1階振型

圖5 2階振型

圖6 3階振型

圖7 9階振型

圖8 14階振型

圖9 36階振型

2 結果討論與分析

依據(jù)表1模態(tài)分析結果，對篩分樓動力特性作進一步分析，可得出以下結論。

(1)模態(tài)分析時截取前200階振型，X、Y、Z向累計質量參與系數(shù)分別為1、1、0.9，振型截取數(shù)量滿足高規(guī)要求。

(2)結構第1階振型以Y向平動為主(圖4)，Y向的質量參與系數(shù)為0.63；第2階振型以X向平動為主(圖5)，X向的質量參與系數(shù)為0.61；第3階振型以繞Z軸扭轉為主(圖6)，繞Z軸的質量參與系數(shù)為0.65，但扭轉中帶有一定的平動屬性，Y向質量參與系數(shù)0.13。雖然結構Y向柱列多于X向，但由于Y向柱、梁截面偏小，使得Y向剛度反而小于X向，所以，原結構設計中柱、梁截面的選取不太合理。

(3)結構低階振型以X向、Y向平動和繞Z軸扭轉為主。到第50階振型時，X向、Y向和繞Z軸的累計質量參與系數(shù)已達到100%；而Z向的累計質量參與系數(shù)才達到42%。在前50階振型中，Z向質量參與較多的是第9、14、36階振型，其中第9、14階振型主要為屋面(標高24.5m)梁、板的豎向振動(圖7、圖8)；第36階振型為標高6m平臺梁、板的豎向振動(圖9)。

3 結論

對某篩分樓進行了模態(tài)仿真計算，結合前200階模態(tài)頻率和陣型來看，盡管該篩分樓結構Y向柱列多于X向，但由于Y向柱、梁截面偏小，導致Y向剛度比X向剛度小，平臺振動嚴重，引起梁板損壞。因此可以得出原結構設計中柱、梁截面的選取不合理，需要修改結構尺寸。