周期性沖擊載荷作用下井字梁樓蓋豎向振動(dòng)的控制

姚宗健 楊沁恬 姜娜 劉潤廣 張林

摘要：針對(duì)周期性沖擊載荷作用下井字梁樓蓋異常振動(dòng)問題，對(duì)某工業(yè)廠房井字梁樓蓋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力特性測(cè)試，采用Abaqus軟件建立局部樓蓋有限元模型，研究周期性沖擊載荷作用下井字梁樓蓋的動(dòng)力特性，并提出設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（tuned?mass?damper，TMD）、增設(shè)隔振支座等2種減振方案。結(jié)果表明：4種不同TMD布置方式的減振效果不同，在設(shè)備4個(gè)支座處布置TMD的減振效果最佳;增設(shè)隔振支座后，采用有限元法得到各測(cè)點(diǎn)減振率為83.91%～88.80%。2種方案均能有效降低樓蓋的豎向振動(dòng)，可為結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制提供參考。

關(guān)鍵詞：井字梁樓蓋;振動(dòng)控制;調(diào)諧質(zhì)量阻尼器;隔振支座

中圖分類號(hào)：TP319.99;TU311.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2021）03-0001-05

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.001

Abstract：As?to?the?abnormal?vibration?of?cross?beam?slab?under?periodic?impact?load，?the?field?dynamic?characteristics?of?the?cross?beam?slab?of?an?industrial?plant?is?tested.?The?finite?element?model?of?local?slab?is?established?by?Abaqus?software，?and?the?dynamic?characteristics?of?cross?beam?slab?under?periodic?impact?load?is?studied.?Two?vibration?reduction?schemes?such?as?setting?tuned?mass?damper（TMD）?and?adding?vibration?isolation?support?are?proposed.?The?results?show?that?the?vibration?reduction?effects?of?four?different?TMD?arrangements?are?different，?and?the?vibration?reduction?effect?of?TMD?arranged?at?four?supports?of?the?equipment?is?the?best.?By?finite?element?method，?the?vibration?reduction?rate?of?each?measuring?point?is?83.91%～88.80%?after?adding?vibration?isolation?support.?Both?schemes?can?effectively?reduce?the?vertical?vibration?of?the?slab，?which?can?provide?reference?for?structural?vibration?control.

Key?words：cross?beam?slab;vibration?control;tuned?mass?damper;vibration?isolation?support

0?引?言

根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展需要，時(shí)常需將大型生產(chǎn)設(shè)備安置于既有工業(yè)廠房中，引發(fā)樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題。設(shè)備運(yùn)行引起樓蓋的豎向振動(dòng)，使工作人員產(chǎn)生額外的疲勞感，也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在安全隱患。因此，有必要對(duì)既有工業(yè)廠房中設(shè)備運(yùn)行引起的樓蓋豎向振動(dòng)進(jìn)行研究和控制。增加樓蓋剛度是使用最廣泛的傳統(tǒng)減振方式之一，但隨著減振加固技術(shù)的發(fā)展，安裝隔振支座[1-3]、設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（tuned?mass?damper，TMD）[4-7]等減振方法已得到越來越多的應(yīng)用。

針對(duì)某工業(yè)廠房井字梁樓蓋的異常振動(dòng)問題，在自振頻率識(shí)別的基礎(chǔ)上，研究在周期性沖擊載荷作用下井字梁樓蓋的動(dòng)力特性。提出設(shè)置TMD、安裝隔振支座的減振方案，并利用有限元法評(píng)估減振效果，為該類結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制提供參考。

1?工程概況和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

某工業(yè)廠房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓蓋形式為井字梁，主梁截面尺寸為350?mm×800?mm，次梁截面尺寸為250?mm×550?mm，板厚為100?mm，混凝土強(qiáng)度為C30，層高為6.0?m。因生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)將大型動(dòng)力設(shè)備安置在廠房第6層，動(dòng)力設(shè)備布置示意見圖1。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，其附近樓蓋震感明顯。為保證結(jié)構(gòu)安全和提高工作人員的舒適度，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試并開展振動(dòng)控制方案研究。采用DH5922N動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，利用脈動(dòng)法測(cè)試得到振動(dòng)加速度時(shí)程曲線，根據(jù)傅里葉變換，得到該樓蓋的實(shí)測(cè)1階自振頻率為8.79?Hz。

2?有限元分析

2.1?模態(tài)分析

采用Abaqus軟件建立局部井字梁樓蓋有限元模型，見圖2。樓板采用殼單元模擬，梁和動(dòng)力設(shè)備采用實(shí)體單元模擬，根據(jù)動(dòng)力設(shè)備實(shí)際質(zhì)量設(shè)置響應(yīng)密度，井字梁樓蓋與柱連接處采用固接連接方式。

利用模態(tài)分析得到前10階自振頻率，見表1。1階自振頻率為8.99?Hz，與實(shí)測(cè)1階自振頻率8.79?Hz基本吻合，說明該有限元模型能基本準(zhǔn)確反映井字梁樓蓋的振動(dòng)特性，可用于后續(xù)的模擬分析。

2.2?動(dòng)力響應(yīng)分析

設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生周期性沖擊載荷，周期為2?s。在設(shè)備南側(cè)0.4、0.6、1.0、1.4、2.0和3.0?m處設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，在設(shè)備東、北、西3側(cè)各0.4、0.6、1.0、1.4、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0和8.0?m處設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，采用Abaqus軟件進(jìn)行有限元模擬，得到36個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)加速度，繪制各方向的豎向振動(dòng)峰值加速度衰減曲線，見圖3。

根據(jù)《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T?441—2019）[8]的規(guī)定，生產(chǎn)操作區(qū)的樓蓋結(jié)構(gòu)，豎向振動(dòng)峰值加速度不應(yīng)大于0.4?m/s2。在一定范圍內(nèi)，該設(shè)備附近井字梁樓蓋的豎向振動(dòng)不滿足規(guī)范要求，因此需要進(jìn)行減振處理。

2.3?拾取點(diǎn)的選擇

從圖3的36個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中選取10個(gè)點(diǎn)作為響應(yīng)拾取點(diǎn)用于減振分析，響應(yīng)拾取點(diǎn)分布位置及其示意分別見表2和圖4。

3?TMD減振方案研究

3.1?TMD參數(shù)的確立

TMD可以產(chǎn)生與主結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向相反的慣性力并作用于主結(jié)構(gòu)上，從而減弱其振動(dòng)反應(yīng)，達(dá)到抑制振動(dòng)的目的。TMD通常由剛度元件、緩沖元件和質(zhì)量塊構(gòu)成。在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，先確定最佳質(zhì)量比μ，再根據(jù)最佳質(zhì)量比μ和計(jì)算所得結(jié)構(gòu)質(zhì)量M得到TMD質(zhì)量m，最后求得TMD的阻尼c和剛度K。若選用多個(gè)TMD，則每個(gè)TMD的質(zhì)量、阻尼和剛度均應(yīng)相同，TMD的總質(zhì)量、總阻尼與總剛度為所有TMD的質(zhì)量、阻尼與剛度之和。[9-10]

本文研究的井字梁樓蓋結(jié)構(gòu)質(zhì)量M為45?400?kg，在樓蓋下方布置TMD。設(shè)置質(zhì)量比μ為1.5%，可得TMD總質(zhì)量m為684?kg。設(shè)置TMD阻尼比為1.5%，頻率為12.57?Hz，干擾振動(dòng)圓頻率ω為78.98?rad/s，可得TMD的總剛度為4?266?682?N/m、總阻尼為1?620.67?N/（m/s）。

3.2?TMD布置方式

為研究TMD對(duì)周期性沖擊載荷作用下井字梁樓蓋的減振控制作用，利用Abaqus軟件對(duì)不同TMD布置方式下井字梁樓蓋的動(dòng)力特性進(jìn)行模擬，選取4種TMD布置方式進(jìn)行分析，見圖5。方式1為TMD布置在設(shè)備4個(gè)支座處，方式2為TMD布置在設(shè)備6個(gè)支座處，方式3為TMD布置在4個(gè)區(qū)格中心處，方式4為TMD布置在4個(gè)梁的中點(diǎn)處。各布置方式下TMD的參數(shù)取值見表3。

3.3?TMD減振效果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，不同TMD布置方式下各響應(yīng)拾取點(diǎn)的豎向振動(dòng)峰值加速度和減振率見表4，其中布置方式3和4在6#拾取點(diǎn)的豎向振動(dòng)峰值加速度大于0.4?m/s2，不滿足規(guī)范要求。布置方式1和2的部分響應(yīng)拾取點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線見圖6，布置方式1和2的減振率見圖7。

基于本文所選用的TMD參數(shù)，布置方式1和2的減振率為46%～60%，且布置方式1的減振率總體上略大于布置方式2，因此TMD減振方案能夠有效降低井字梁樓蓋的豎向振動(dòng)。綜合考慮樓蓋總體減振效果和經(jīng)濟(jì)性條件，可優(yōu)先選擇布置方式1，即在設(shè)備4個(gè)支座處布置TMD。

4?隔振方案研究

4.1?隔振體系確立

采用支承式隔振方式進(jìn)行減振，即將隔振器設(shè)置在動(dòng)力設(shè)備的支座處。減振效果可用振動(dòng)傳遞因數(shù)TA表示，即

式中：FTO為動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的擾力經(jīng)隔振器傳遞到樓面的力的幅值;FT為動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的擾力的幅值;ζ為阻尼比;ωn為固有圓頻率。

動(dòng)力設(shè)備總質(zhì)量為13?t，設(shè)備豎向擾力為30?kN，在設(shè)備6個(gè)支座處各設(shè)置1個(gè)彈簧隔振器，單只彈簧隔振器承重為2.17?t，隔振器應(yīng)具有的總剛度為9.64×106?N/m，即每個(gè)隔振器剛度不小于1.61×106?N/m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可選用DZT-3000型彈簧隔振器進(jìn)行研究，其剛度為3.00×106?N/m，承重載荷范圍為1.50～3.90?t，最佳承重載荷為3.00?t，最佳承重載荷時(shí)對(duì)應(yīng)的阻尼比為0.045。

隔振效率TZ=1-TA，根據(jù)各參數(shù)值可計(jì)算TZ約為86.18%，說明增加隔振裝置可以有效降低動(dòng)力設(shè)備對(duì)樓蓋的振動(dòng)影響，減振效果明顯。

4.2?隔振效果分析

為驗(yàn)證上述隔振方案的減振效果，基于樓蓋有限元模型，在設(shè)備支座與樓板間增設(shè)DZT-3000型彈簧隔振器，采用SPRING/DASHOPS單元模擬，建立支座有限元模型，見圖8。

在周期性沖擊載荷作用下，隔振前、后井字梁樓蓋各響應(yīng)拾取點(diǎn)的豎向振動(dòng)峰值加速度和減振率見表5，部分拾取點(diǎn)在隔振方案下的豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線見圖9。利用有限元模擬得到該隔振裝置的減振率為83.91%～88.80%，與理論計(jì)算值86.18%吻合?？梢?，增設(shè)隔振器能夠有效吸收大部分振動(dòng)能量，滿足設(shè)備正常使用要求，并能提高工作人員舒適度，減振效果顯著，實(shí)際工程中可優(yōu)先考慮。

5?結(jié)?論

基于某工業(yè)廠房井字梁樓蓋的動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果，由模態(tài)分析驗(yàn)證有限元模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)周期性沖擊載荷作用下井字梁樓蓋豎向振動(dòng)控制方案進(jìn)行研究，提出設(shè)置TMD和安裝隔振支座2種減振方案，得出以下結(jié)論。

對(duì)于不同TMD布置方式：若在區(qū)格中心處布置TMD，則樓蓋的局部豎向振動(dòng)峰值加速度大于0.4?m/s2，不滿足規(guī)范要求;若在設(shè)備支座處布置TMD，減振率為46%～60%，減振效果明顯。綜合考慮樓蓋總體減振效果和經(jīng)濟(jì)性條件，可優(yōu)先選擇在設(shè)備4個(gè)支座處布置TMD。

采用支承式的隔振方式，在設(shè)備與井字梁樓蓋之間增設(shè)隔振器，通過隔振設(shè)計(jì)得到增設(shè)隔振器后結(jié)構(gòu)減振率理論值為86.18%，采用有限元法得到各測(cè)點(diǎn)減振率為83.91%～88.80%，兩者比較吻合。因此，采用隔振器的隔振方案減振效果比較顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]?王雪飛，?黃友劍，?程海濤.?橡膠元件研發(fā)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與展望[J].?計(jì)算機(jī)輔助工程，?2013，?22（S2）：364-368.?DOI：10.3969/j.issn.1006-0871.2013.z2.087.

[2]?秦敬偉，?付仰強(qiáng)，?張同億，?等.?柱頂彈簧隔振結(jié)構(gòu)抗震性能分析與研究[J].?建筑結(jié)構(gòu)，?2020，?50（16）：71-76.?DOI：10.19701/j.jzjg.2020.16.012.

[3]?何杰.?高鐵下穿酒店振動(dòng)影響預(yù)測(cè)及減隔振分析[J].?四川建筑，?2020，?40（1）：77-80.?DOI：10.3969/j.issn.1007-8983.2020.01.028.

[4]?汪志昊，?陳銀，?胡明祎，?等.?機(jī)器擾力作用下某廠房樓板豎向振動(dòng)與TMD減振研究[J].?振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，?2019，?32（6）：986-995.?DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.06.007.

[5]?李慶武，?胡凱，?倪建公，?等.?某大跨懸挑樓蓋結(jié)構(gòu)人行舒適度分析與振動(dòng)控制[J].?建筑結(jié)構(gòu)，?2018，?48（17）：34-37.?DOI：10.19701/j.jzjg.2018.17.007.

[6]?王明珠，?胡衛(wèi)中，?張玲，?等.?設(shè)置TMD的大跨樓蓋動(dòng)力特性及人致振動(dòng)分析[J].?建筑結(jié)構(gòu)，?2021，?51（3）：109-114.?DOI：10.19701/j.jzjg.2021.03.018.

[7]?王梁坤，?施衛(wèi)星，?張全伍，?等.?自適應(yīng)多重TMD在大跨樓板結(jié)構(gòu)減振中的應(yīng)用[J].?振動(dòng)、測(cè)試與診斷，?2020，?40（3）：578-584.?DOI：10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2020.03.022.

[8]?建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T?441—2019[S].

[9]?王肇民.?電視塔結(jié)構(gòu)TMD風(fēng)振控制研究與設(shè)計(jì)[J].?建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，?1994，?15（5）：2-13.

[10]?歐進(jìn)萍，?王永富.?設(shè)置TMD、TLD控制系統(tǒng)的高層建筑風(fēng)振分析與設(shè)計(jì)方法[J].?地震工程與工程振動(dòng)，?1994（2）：61-75.?DOI：10.13197/j.eeev.1994.02.005.

（編輯?武曉英）