大型砂石加工系統(tǒng)篩分樓動(dòng)力分析及減振加固研究

盧有娥

(中國(guó)水利水電第九工程局有限公司,貴陽 550081)

篩分車間是人工砂石加工系統(tǒng)的重要構(gòu)筑物,具有篩選和分級(jí)的功能。近年來,隨著砂石加工系統(tǒng)處理能力的增強(qiáng),篩分工藝多采用垂直作業(yè),實(shí)現(xiàn)了多樓層、多臺(tái)篩分設(shè)備的空間立體布置?？蚣苁胶Y分樓結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)[1],多個(gè)不同相位的振動(dòng)源作用于篩分樓中,在不采取彈簧隔振等特殊隔振措施的情況下,篩分樓的振動(dòng)特性取決于結(jié)構(gòu)梁、板、柱的布置及底層基礎(chǔ)與地基土的特性,使得結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)十分復(fù)雜。本文針對(duì)某大型砂石加工系統(tǒng)篩分樓進(jìn)行動(dòng)力分析,針對(duì)篩分樓振動(dòng)過大的現(xiàn)象提出減振加固措施,供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 篩分樓布置

某大型砂石加工系統(tǒng)處理能力1 500 t/h,由于場(chǎng)地狹小,工藝布置中將篩分系統(tǒng)集中于篩分樓中。篩分樓為三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),長(zhǎng)30.1 m,寬13.2 m,高21.8 m,其中第一層(6.5 m層)高6.5 m,第二層(13.5 m層)高7 m,第三層(21.8 m層)高8.3 m,A軸與B軸之間布置中間隔層(10.2 m層)。篩分樓第二層與第三層樓板處布置4臺(tái)2YKR3675圓振動(dòng)篩,單臺(tái)振動(dòng)篩重30.1 t,振幅3.5～4.5 mm,振動(dòng)頻率13.3～15 Hz,單臺(tái)振動(dòng)篩4個(gè)支點(diǎn)處的工作動(dòng)負(fù)荷與最大動(dòng)負(fù)荷分別為6.5 kN和32.5 kN。篩分樓在長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ布置,并于中間斷開,縫寬100 mm。篩分樓21.8 m層與10.2 m層布置帶式輸送機(jī)。篩分樓結(jié)構(gòu)布置與振動(dòng)篩定位如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 篩分樓結(jié)構(gòu)與設(shè)備布置(正立面)

圖2 篩分樓結(jié)構(gòu)與設(shè)備布置(側(cè)立面)

圖3 13.5 m層振動(dòng)篩支座布置

1.2 振動(dòng)現(xiàn)象

某大型砂石加工系統(tǒng)自2019年建成投產(chǎn)以來,篩分樓第三層樓板振動(dòng)強(qiáng)烈。經(jīng)實(shí)測(cè),13.5 m層振動(dòng)篩支座處的最大振動(dòng)速度為91 mm/s,現(xiàn)場(chǎng)操作人員明顯感覺不適。13.5 m層框架柱沿①、②、③軸方向的振動(dòng)速度為19.2 mm/s,強(qiáng)烈的振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生了重大影響。

2 篩分樓結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

2.1 有限元分析模型建立

根據(jù)篩分樓結(jié)構(gòu)整體布置,取篩分樓一側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。采用SAP2000有限元分析軟件進(jìn)行三維建模,梁、柱采用框架單元模擬,樓板采用薄殼單元模擬,柱底與地面剛接,不考慮地基與基礎(chǔ)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)構(gòu)幾何模型如圖4所示。結(jié)構(gòu)主要設(shè)備(振動(dòng)篩、膠帶機(jī)、料倉(cāng)等)的重量通過節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的形式添加于模型之中,結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)取0.02。

圖4 篩分樓結(jié)構(gòu)有限元模型建立

2.2 模態(tài)分析

對(duì)篩分樓模型進(jìn)行模態(tài)分析,提取出模型在0～120%正常運(yùn)行頻率范圍內(nèi)的自振頻率和模態(tài),篩分樓模型的模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)如表1所示。其中,X向?yàn)檠剌S平動(dòng)方向,Y向?yàn)檠丌谳S平動(dòng)方向,Z向?yàn)樨Q向平動(dòng)方向,RX方向?yàn)槔@軸方向重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,RY方向?yàn)槔@②軸方向重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,RZ方向?yàn)槔@豎向重心軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向。表2顯示了前三階振型以及80%～120%正常運(yùn)行頻率范圍內(nèi)與設(shè)備層樓板振動(dòng)相關(guān)的模態(tài)信息。

表1 篩分樓模型的模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)(一)

表2 篩分樓模型的模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)(二)

可以看出,與設(shè)備層樓板振動(dòng)相關(guān)的振型主要集中在10～18 Hz,這與振動(dòng)篩的自振頻率(13.3～15 Hz)有重合區(qū)域,樓板與振動(dòng)篩已發(fā)生共振現(xiàn)象。

2.3 強(qiáng)迫振動(dòng)分析

根據(jù)廠家提供資料,振動(dòng)篩支座處荷載動(dòng)力荷載為6.5 kN,假設(shè)動(dòng)力荷載以簡(jiǎn)諧規(guī)律加載于結(jié)構(gòu)之上,采用SAP2000程序中的穩(wěn)態(tài)分析方法,在振動(dòng)篩的工作頻率范圍內(nèi)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析(不考慮啟機(jī)、停機(jī)的工況)。頻域范圍取振動(dòng)篩正常運(yùn)行工作頻率的80%～120%范圍,考慮到結(jié)構(gòu)中6.5 m層與13.5 m層均布置2臺(tái)振動(dòng)篩,各振動(dòng)篩運(yùn)行時(shí)各自振動(dòng)相位差不同,故劃分4個(gè)工況進(jìn)行綜合考慮,如表3所示。

表3 篩分樓動(dòng)力分析工況

整理計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),在80%～120%工作頻率頻率范圍內(nèi),13.5 m層振動(dòng)篩支座1和支座2處的最大振動(dòng)位移為0.46 mm,最大振動(dòng)速度為32.60 mm/s;支座3和支座4處的最大振動(dòng)位移為0.21 mm,最大振動(dòng)速度為14.68 mm/s。可以看出,通過SAP2000進(jìn)行數(shù)值模擬得出的最大振動(dòng)速度(32.3 mm/s)要小于實(shí)測(cè)最大振動(dòng)速度(91 mm/s),這一方面可能由于振動(dòng)篩運(yùn)行工況不佳,在實(shí)際運(yùn)行中動(dòng)負(fù)荷大于廠家提供的工作動(dòng)負(fù)荷;另一方面可能是地基基礎(chǔ)影響了上部結(jié)構(gòu)整體剛度,放大了結(jié)構(gòu)在強(qiáng)迫振動(dòng)下的振幅。

圖5給出了振動(dòng)篩支座1在80%～120%工作頻率頻率范圍內(nèi)的最大振動(dòng)速度情況,可以看出,在10.6 Hz和15.8 Hz附近,支座1的振動(dòng)速度較大,這符合篩分樓整體結(jié)構(gòu)的第12和第19階振型的振動(dòng)形式,說明在10.6 Hz和15.8 Hz頻域附近振動(dòng)篩與篩分樓13.5 m層樓板發(fā)生了共振。

圖5 支座1在10～18 Hz頻域范圍內(nèi)的最大振動(dòng)速度

3 篩分樓減振研究

3.1 振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五卷) : 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》[2](以下簡(jiǎn)稱《水電設(shè)計(jì)手冊(cè)》)中給出了砂石系統(tǒng)篩分樓樓面允許振幅值,如表4所示?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)13.5 m層振動(dòng)篩支座處的最大振動(dòng)速度為91 mm/s,轉(zhuǎn)化振幅約為0.97 mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.17～0.19 mm的限值。與此同時(shí),根據(jù)《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》[3](以下簡(jiǎn)稱《容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》)規(guī)定,圓振動(dòng)篩在時(shí)域范圍內(nèi)的水平及豎向容許振動(dòng)速度峰值應(yīng)取10.0 mm/s,實(shí)測(cè)支座處最大振動(dòng)速度為32.3 mm/s,同樣遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求。篩分樓需要進(jìn)行減震加固設(shè)計(jì)。

表4 篩分樓動(dòng)力分析工況

3.2 減振技術(shù)路線

建筑結(jié)構(gòu)常用的減振措施包括對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,使其具有更大的質(zhì)量與剛度(如增大框架截面、增設(shè)支撐體系等),以及安裝隔振系統(tǒng)隔絕或減弱振動(dòng)能量的傳遞(TMD減震器等)?？紤]到本砂石加工系統(tǒng)已實(shí)際投入生產(chǎn),安裝隔振系統(tǒng)較困難,本次減振處理采用加固結(jié)構(gòu)(增大梁柱截面或增設(shè)支撐體系)的方法。

3.3 減振分析

為增加篩分樓13.5 m層結(jié)構(gòu)的豎向剛度,采用增加混凝土梁截面、增設(shè)樓層間鋼管混凝土立柱、增設(shè)混凝土斜撐等三種方式進(jìn)行加固驗(yàn)算。方案一將振動(dòng)篩支座下設(shè)混凝土梁的截面由400×1 000增加至600×1 200;方案二在13.5 m層及頂層之間增設(shè)鋼管混凝土柱,以增加結(jié)構(gòu)整體豎向剛度;方案三在13.5 m層及6.5 m層增設(shè)混凝土斜撐,并在結(jié)構(gòu)底層設(shè)置豎向混凝土柱與斜撐連接。方案二和方案三的加固方案如圖6和圖7所示。采用2.3節(jié)的穩(wěn)態(tài)分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析,分別得到了三種方案振動(dòng)篩支座處的振動(dòng)情況,如表5所示。

表5 各加固方案振動(dòng)篩支座處最大振動(dòng)速度 mm·s-1

圖6 方案二:13.5 m層與頂層之間加設(shè)鋼管混凝土立柱

圖7 方案三:6.5 m層與13.5 m層加混凝土斜撐

三種方案相比,方案一加大梁截面并不能有效降低振動(dòng)篩支座處的振動(dòng),方案二和方案三可以有效降低振動(dòng)篩支座處的振動(dòng),且方案二的減振效果可以滿足《水電設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的要求。與此同時(shí),由于方案二采用的是鋼管混凝土柱的加固方式,該方案施工簡(jiǎn)單,施工過程中無需停產(chǎn)停機(jī),故推薦此方法。

4 結(jié)論

基于SAP2000有限元軟件建立振動(dòng)篩動(dòng)負(fù)荷作用下篩分樓的振動(dòng)模型,先后對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析、強(qiáng)迫振動(dòng)分析以及減振分析,得出以下結(jié)論:

(1)篩分樓設(shè)備層樓板振動(dòng)振型主要集中在10～18 Hz,與振動(dòng)篩的自振頻率(13.3～15 Hz)有重合區(qū)域,說明設(shè)備層樓板與振動(dòng)篩發(fā)生共振現(xiàn)象;

(2)強(qiáng)迫振動(dòng)分析中,振動(dòng)篩支座處的最大振動(dòng)位移0.46 mm,最大振動(dòng)速度32.3 mm/s,小于實(shí)測(cè)最大振動(dòng)速度(91 mm/s),可能是振動(dòng)篩運(yùn)行工況不佳以及地基基礎(chǔ)剛度的影響;

(3)樓層中間加設(shè)鋼管混凝土柱的方案可以有效降低振動(dòng)篩支座處的振動(dòng),且該方案施工簡(jiǎn)單,施工過程中無需停產(chǎn)停機(jī),是較為有效的加固方案。