談SAP2000在空間構(gòu)架式動力機(jī)器基礎(chǔ)中的應(yīng)用

張國玲 劉炳強(qiáng)

(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019; 2.山東華元建設(shè)集團(tuán)，山東 諸城 262200)

1 概述

在工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中，動力設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)涉及土建和機(jī)械兩個專業(yè)，計(jì)算復(fù)雜，若缺乏精確計(jì)算，將使得設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)過于龐大，工程中急需合理地解決空間構(gòu)架式動力設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)問題。

向紅［1］利用振幅法對構(gòu)架式基礎(chǔ)進(jìn)行了動力計(jì)算滿足國內(nèi)規(guī)范要求，通過靜力計(jì)算對地基強(qiáng)度、基組偏心值及構(gòu)架式基礎(chǔ)強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算。黃鎧生、謝秀［2］等對空間構(gòu)架式機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算的方法和步驟進(jìn)行了說明。

2 空間構(gòu)架式基礎(chǔ)的計(jì)算原則

空間構(gòu)架式基礎(chǔ)一般由橫梁、縱梁組成頂板，頂板和基礎(chǔ)底板之間以成對的柱子支承?？臻g構(gòu)架式基礎(chǔ)是一個無限自由度的空間體系，其影響因素很多，如基礎(chǔ)本身質(zhì)量、設(shè)備的質(zhì)量、剛度的分布和剛度、地基的影響、擾力大小和相位等。由于機(jī)器的不平衡擾力使機(jī)組和基礎(chǔ)產(chǎn)生振動［3，4］，因此構(gòu)架式動力基礎(chǔ)多自由度振動計(jì)算，多采用平面連續(xù)梁模型和空間框架模型。本文在計(jì)算構(gòu)架式動力基礎(chǔ)中采用空間框架模型［5-7］。

3 SAP2000功能

SAP2000［8］采用基于對象的非線性有限元技術(shù)，可以模擬能量耗散裝置、材料非線性等一系列的特性。基于對象的有限元技術(shù)可以采用復(fù)雜的自動網(wǎng)格劃分功能。SAP2000對節(jié)點(diǎn)個數(shù)沒有限制，具有框架單元、殼單元、實(shí)體單元、連接單元，這些單元組合起來可模擬復(fù)雜的結(jié)構(gòu)［9］。SAP2000強(qiáng)大的分析功能表現(xiàn)在:順序施工、混凝土徐變與收縮、沖擊分析、多基激勵、基礎(chǔ)隔振與阻尼器、大位移分析、屈曲分析等。SAP2000在結(jié)構(gòu)非線性靜力計(jì)算方面彌補(bǔ)了當(dāng)今不少結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的不足之處。

SAP2000的特點(diǎn)［8］:三維結(jié)構(gòu)整體性能分析，空間建模方便，荷載計(jì)算功能完善，可從CAD等軟件導(dǎo)入，文本輸入輸出功能完善。結(jié)構(gòu)彈性靜力及時程分析功能相當(dāng)不錯，效果高，后處理方便。

4 工程實(shí)例

4.1 實(shí)例概況

已建成使用的某鋼廠電動鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)(該基礎(chǔ)在使用過程中狀況良好)，基礎(chǔ)頂板標(biāo)高7.390 m，長14.1m，寬7m，板厚2m，柱3列，每列兩根，縱向柱距分別為6.3 m和6.9 m，橫向柱距6.1 m，柱截面0.9 m×0.9 m，混凝土C25。機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，表2。荷載作用點(diǎn)布置圖見圖1。

表1 機(jī)組性能表

圖1 荷載作用點(diǎn)布置

4.2 計(jì)算分析

建立模型時，基礎(chǔ)頂板采用板單元，柱采用框架單元。在整體坐標(biāo)系中的精確位置進(jìn)行組裝，在組裝時應(yīng)確保各部分的單元節(jié)點(diǎn)充分連接。柱腳采用嵌固端，建成模型見圖2。

荷載考慮基礎(chǔ)自重、機(jī)組設(shè)備重、X方向、Y方向和Z方向擾力，機(jī)器頻率78 Hz～115 Hz，機(jī)組設(shè)備重量在動力計(jì)算時作為附加質(zhì)量。

4.3 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)，考慮了動力荷載的空間分布，可以得到更精確的結(jié)果。為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。前12個主振型的自振頻率和周期見表3。

表2 機(jī)組荷載表

圖2 鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)模型圖

表3 前12個主振型的自振頻率和周期表

4.4 動力計(jì)算—穩(wěn)態(tài)分析

結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下，其振動由兩部分組成，第一部分是由荷載引起的按荷載頻率的強(qiáng)迫振動，第二部分是按自振頻率的振動即伴生的自由振動，經(jīng)過一段時間后，伴生的自由振動由于存在阻尼隨時間t的增長很快衰減掉，而強(qiáng)迫振動則持續(xù)下去，形成振動的穩(wěn)態(tài)過程，這一過程中的振動稱為穩(wěn)態(tài)振動。通過對結(jié)構(gòu)振動的穩(wěn)態(tài)分析，計(jì)算出其振動加速度和振幅，按《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》來判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。

4.5 計(jì)算結(jié)果

SAP2000采用的是有限元分析，每個單元節(jié)點(diǎn)都有其相對應(yīng)的位移、速度和應(yīng)力，本文只給出荷載點(diǎn)所簡化的質(zhì)量節(jié)點(diǎn)的Z向振幅、速度以及整個模型的最大值，結(jié)果是:Z向最大振幅0.005 3 mm，Z向最大振動速度3.01 mm/s，質(zhì)量集中點(diǎn)相同位置Z向振幅、速度見表4。

通過計(jì)算，基礎(chǔ)振動速度小于5 mm/s，說明所取的柱子斷面及平臺頂板厚度是可行的，再加上投產(chǎn)以后的運(yùn)行情況是良好的，說明運(yùn)用SAP2000計(jì)算空間構(gòu)架式動力基礎(chǔ)是可行的。

5 動力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度問題

在動力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，不僅要控制其振動速度和位移，其強(qiáng)度也是設(shè)計(jì)關(guān)注的要點(diǎn)。SAP2000可以通過定義不同的荷載工況進(jìn)行內(nèi)力分析，分析結(jié)果能夠客觀展現(xiàn)動力基礎(chǔ)的實(shí)際受力情況。依次確定基礎(chǔ)的極限承載力。在大型的動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時需進(jìn)行動內(nèi)力分析，SAP2000對此能夠進(jìn)行分析，從而確定基礎(chǔ)的斷面尺寸，達(dá)到預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

6 動力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的剛度問題

動力基礎(chǔ)中剛度問題同樣值得關(guān)注，結(jié)構(gòu)的剛度決定了結(jié)構(gòu)的自振頻率，即剛度越大則自振頻率越高。由于機(jī)器頻率一般比較高，動力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須使其自振頻率遠(yuǎn)離機(jī)器的激振頻率以避開共振區(qū)(在本文算例模型多次試算中增大柱子截面自振頻率增高，尤其是前3個主振型)，如果結(jié)構(gòu)剛度低了，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形則有可能滿足不了使用要求。為了解決這一矛盾，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整、計(jì)算，以確定合理的結(jié)構(gòu)形式及各構(gòu)件的截面，利用SAP2000程序處理起來則比較方便。

表4 SAP2000計(jì)算結(jié)果表

7 結(jié)語

1)SAP2000分析計(jì)算功能十分強(qiáng)大，利用面向?qū)ο蟮牟僮鞣椒▉斫?，它集荷載計(jì)算、靜動力分析、線性和非線性計(jì)算等所有計(jì)算分析于一體，容納了最新的靜力、動力、線性和非線性分析技術(shù)，計(jì)算快捷，分析結(jié)果合理可靠。

2)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)行情況表明，用SAP2000程序計(jì)算受簡諧振動的設(shè)備基礎(chǔ)是可行的?？梢詾榭臻g構(gòu)架式動力基礎(chǔ)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度設(shè)計(jì)提供快速有效的計(jì)算手段，能發(fā)揮很好的作用。

［1］向 紅.透平壓縮機(jī)組空間構(gòu)架式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和計(jì)算［J］.醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2004，25(1):15-18.

［2］黃鎧生，謝 秀.淺談空間構(gòu)架式動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算［J］.山西建筑，2002，28(11):20-21，34.

［3］張榮山.工程振動與控制［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［4］GB 50040，動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］徐 建.建筑振動工程手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［6］侯興民，馬小燕，吳漢生，等.動力機(jī)器基礎(chǔ)振動與設(shè)計(jì)若干問題的討論［J］.地震工程與工程振動，2008，28(3):131-137.

［7］王錫康.動力機(jī)器基礎(chǔ)振動學(xué)科在我國的發(fā)展及需研究的若干問題［J］.工業(yè)建筑，2007，37(6):83-90.

［8］北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［9］周錫元，馬東輝.疊層鋼板橡膠墊的穩(wěn)定性分析和溫度驗(yàn)算［J］.建筑科學(xué)，1997(6):17-19.