某轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的動力性能分析

翟 磊，薛建陽，閆春生，王林科

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055）

轉(zhuǎn)運站是設(shè)在兩臺高架固定式帶式輸送機之間的中轉(zhuǎn)站，在工業(yè)運輸系統(tǒng)中起著重要的樞紐作用．轉(zhuǎn)運站多為敞開式框架結(jié)構(gòu)，高寬比較大，除設(shè)備層外其余各層通常不設(shè)置樓板，屬典型的柔性結(jié)構(gòu)；而且皮帶張力和動力設(shè)備擾力作為引發(fā)轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)振動的主要激振源，均作用于結(jié)構(gòu)頂部．因此，無論是結(jié)構(gòu)形式還是受力性質(zhì)，轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的抗振性能都比一般結(jié)構(gòu)不利得多．目前，隨著長運距、高帶速、大運量、大功率帶式輸送機在工業(yè)運輸領(lǐng)域的廣泛使用，對轉(zhuǎn)運站的結(jié)構(gòu)高度和水平抗振能力也提出了更高的要求．

對轉(zhuǎn)運站這一特殊結(jié)構(gòu)的振動問題，國內(nèi)尚無系統(tǒng)的研究成果可供借鑒并應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)設(shè)計和在役結(jié)構(gòu)的加固維修[1-3]．解決振動問題的方法不外乎通過理論分析和試驗研究，二者是相輔相成的．特別是計算機和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展和完善，為解決復(fù)雜振動問題提供了強有力的手段[4-6]．為系統(tǒng)掌握轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的振動特性和動力響應(yīng)，使轉(zhuǎn)運站能夠正常、安全、經(jīng)濟和高效地服務(wù)于生產(chǎn)，有必要對常見類型轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的動力性能進行系統(tǒng)的研究，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和設(shè)計方法進行深入探討．本文采用現(xiàn)場實測和模擬計算[7]的方法，結(jié)合典型工程案例,對振動系統(tǒng)所受各種激勵及所產(chǎn)生的動力響應(yīng)之間的關(guān)系進行探討, 提出符合轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)實際受力情況的的整體計算模型，為新建轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)設(shè)計和在役轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)加固維修提供依據(jù)．

1 工程概況

轉(zhuǎn)運站系某鋼鐵公司焦化廠煤料輸送系統(tǒng)工程之一，為四層六柱組成的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)載單元為頂部兩層，轉(zhuǎn)載方向為 90°．結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則，橫向軸線尺寸為5.70 m+5.30 m，縱向軸線尺寸8.70 m，總高度18.70 m，一、二層敞開無圍護結(jié)構(gòu)，一層（標(biāo)高4.000 m處）無樓板，三、四層局部外圍設(shè)砌體填充墻并開設(shè)門窗洞口．框架柱截面尺寸均為500 mm×500 mm．轉(zhuǎn)運站在四層和三層分別與R3、R4通廊和R5、R6雙機通廊相連．四層布置R3、R4兩臺輸送機機頭、驅(qū)動電機和減速箱，三層布置R5、R6兩臺輸送機機尾．圖1為某轉(zhuǎn)運站現(xiàn)場照片，其剖面圖如圖2所示，轉(zhuǎn)運站三層、四層設(shè)備平面布置如圖3所示．

圖1 某轉(zhuǎn)運站現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 The transfer station site photo

圖2 某轉(zhuǎn)運站剖面圖 Fig.2 A profile of the transfer station

圖3 某轉(zhuǎn)運站設(shè)備層平面布置圖Fig.3 The planar graph of the equipment floor

2 結(jié)構(gòu)動力分析

2.1 有限元模型的建立

轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的計算分析采用ETABS Non-linear V8.48程序，建模時混凝土和鋼材均采用線彈性、各向同性材料模型，樓板單元選用膜單元(Membrane)，膜厚度采用樓板厚度設(shè)計值，從實際作用來看，鋼桁架通廊對轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)可以起到水平支撐作用，從而抑制轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)在水平方向的振動，同時也改變了轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的動力特性．R3、R4通廊與轉(zhuǎn)運站交接處有四個支承點，為明確鋼桁架通廊的支撐作用，在建立力學(xué)模型分析時，將鋼桁架通廊簡化為四個Y方向的彈簧支座布置在轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)計算模型的相應(yīng)位置．同理，對R5、R6雙機通廊在X方向上做類似的簡化處理，如圖4所示．

圖4 簡化彈簧支座布置示意圖Fig.4 The schematic drawing of simplified spring support

機器設(shè)備按現(xiàn)場實際情況進行布置，結(jié)構(gòu)上作用的荷載按照GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]等確定，設(shè)備荷載按廠家提供的資料確定．激振源由高頻激振源和低頻激振源組成．模型中未考慮砌體填充墻和附屬鋼樓梯等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)動力特性的影響．建立的實體結(jié)構(gòu)計算模型，如圖 5所示．

圖5 轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)計算模型Fig.5 The computing model of the transfer station

2.2 動力特性計算結(jié)果

表1為轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)自振頻率、自振周期、各階振型的有限元模擬計算結(jié)果，以及與測試結(jié)果的對比．

表1 動力特性測試結(jié)果與計算結(jié)果的比較Tab.1 Comparison of dynamic characteristics between test and calculation

可以看出，模擬計算的第一周期與實測周期之比為 1.1．動力特性的計算結(jié)果與測試結(jié)果比較接近，表明在計算模型中考慮鋼桁架通廊對轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的水平支撐作用是正確的，模型的簡化計算方法合理．由于在建模時沒有考慮砌體填充墻和鋼樓梯等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)動力特性的影響，因此計算結(jié)果與測試結(jié)果存在較小的誤差．

2.3 動力響應(yīng)分析

在動力荷載作用下，結(jié)構(gòu)物發(fā)生異常振動的原因主要有兩種：一是由于激振力頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相接近或一致，發(fā)生共振現(xiàn)象；二是由于結(jié)構(gòu)自身剛度不足，致使在受迫振動時結(jié)構(gòu)的振動幅度較大，超過結(jié)構(gòu)安全和正常使用所要求的允許振動標(biāo)準(zhǔn)．對于轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)而言，其振動主要有兩種類型，即：結(jié)構(gòu)的水平振動和設(shè)備層樓蓋的豎向振動．

（1）樓蓋豎向振動響應(yīng)分析

轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)樓蓋的豎向振動主要由高頻激振源（驅(qū)動電機和減速箱輸入端）所誘發(fā)．在三層樓蓋R3和R4輸送機驅(qū)動裝置位置分別施加豎向激振力 P(t)，計算得到三層樓蓋（驅(qū)動電機和減速箱所在樓層，標(biāo)高12.000 m）跨中豎向振動位移幅值為0.013 mm；二層樓蓋（標(biāo)高7.500 m）跨中豎向振動位移幅值為0.011 mm．表明樓蓋豎向振動微弱．

（2）結(jié)構(gòu)水平振動響應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)水平振動主要由低頻動力設(shè)備擾力和輸送機皮帶動張力引起．由于皮帶張力幅值比動力設(shè)備擾力幅值要大很多，因此，在結(jié)構(gòu)水平振動響應(yīng)分析中，水平激振力幅值以皮帶張力為主，結(jié)構(gòu)水平振動響應(yīng)分析選取各層2軸線中點為參考點，從第一層到第四層分別用D1，D2，D3，D4來表示．

對模型施加R3、R4皮帶張力（Y向）：激振力幅值138 kN×2，獲得D1-D4點Y軸頻率―位移關(guān)系曲線如圖6所示．該工況下結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為Y向位移響應(yīng)，各參考點沿Y軸頻率―位移關(guān)系曲線有以下特征(如表2所示)．

表2 各參考點沿Y軸頻率-位移曲線特征Tab.2 The eigenvalues of reference points by frequency-displacement curve along Y axis

結(jié)構(gòu)的Y向平動主要出現(xiàn)在第3階和第5階振型．其中頂板D4的Y向最大相對位移出現(xiàn)在第3階振型，二層板D2的Y向最大相對位移出現(xiàn)在第5階振型．由圖6中各參考點沿Y方向的頻率―位移關(guān)系曲線特征能夠顯示出結(jié)構(gòu)的上述動力特性，即：由于彈簧支座限制了樓層水平位移，彈簧支座以下各層只有在較高頻激振力作用下才會出現(xiàn)峰值．

圖6 D點Y軸頻率-位移曲線Fig.6 Frequency-displacement curve of Point D along Y axis

對模型施加R5、R6皮帶張力（X向）：激振力幅值50 kN×2，獲得D1-D4點沿X軸頻率-位移關(guān)系曲線如圖7所示．該工況下結(jié)構(gòu)主要發(fā)生X向位移響應(yīng)，各參考點沿 X軸頻率-位移關(guān)系曲線有以下特征（如表3所示）．

表3 各參考點沿X軸頻率-位移曲線特征Tab.3 The eigenvalues of reference points by frequency-displacement curve along X axis

結(jié)構(gòu)X向平動主要出現(xiàn)在第1階和第4階振型．各參考點沿 X方向的頻率-位移關(guān)系曲線第一峰值和第二峰值所對應(yīng)的激振力頻率分別近似等于結(jié)構(gòu) X向的前兩階自振頻率值 1.60 Hz和 3.47 Hz．由于彈簧支座限制了樓層水平位移，彈簧支座以下樓層（D1）雖在第一頻率1.60 Hz出現(xiàn)峰值，但頻率-位移關(guān)系曲線整體呈上升趨勢，峰值位移隨激振力頻率的增加而增大．

圖7 D點X軸頻率-位移曲線Fig.7 Frequency-displacement curve of Point D along X axis

（3）影響結(jié)構(gòu)水平振動位移的因素討論

取激振力R3/R4（頻率取2.50 Hz）和R5/R6（頻率取1.25 Hz）共同作用、相位差等于0、振型阻尼比0.05為標(biāo)準(zhǔn)工況．分別改變激振力的相位差、激振頻率和振型阻尼比，比較在各參數(shù)發(fā)生變化時，結(jié)構(gòu)振動位移的變化規(guī)律，如表4所示．皮帶輸送系統(tǒng)在實際工作狀態(tài)時，每條運輸線上的兩臺輸送機應(yīng)同時起動或R5/R6先起動、R3/R4后起動，表4中標(biāo)準(zhǔn)工況0表示R5/R6和R3/R4同時起動；工況4、工況5表示R5/R6先起動，R3/R4后起動．

由表4可以看出，由于兩個方向作用力存在相位差，使得位移響應(yīng)峰值不能同時出現(xiàn)，因此分別獨立施加水平力R3/R4、R5/R6所得的峰值位移之和，與R3/R4、R5/R6同時施加或相繼施加之合力作用下的峰值位移存在差異；激振力頻率取 0（靜荷載作用）時的位移響應(yīng)計算值與動荷載作用下的位移響應(yīng)值存在顯著差異，表明激振力的幅頻特性對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)有很大的影響，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)的自振頻率，避免共振現(xiàn)象發(fā)生；另外改變振型阻尼比，結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)計算值將產(chǎn)生較大變化．

表4 各參考點在各工況下的水平振動位移幅值計算結(jié)果Tab.4 The amplitude of horizontal vibration displacements of reference points under various operating conditions

3 結(jié)論

（1）運用Etabs有限元程序計算的轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)與現(xiàn)場測試結(jié)果比較接近，表明在計算模型中考慮鋼桁架通廊對轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的水平支撐作用是合理的．將轉(zhuǎn)運站和通廊作為一個整體，考慮兩者的協(xié)同工作，可以提高轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)振動分析結(jié)果的精度．

（2）結(jié)構(gòu)建模時由于未考慮砌體填充墻和鋼樓梯等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對轉(zhuǎn)運站剛度的貢獻，計算周期值較實測值偏大．工程設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)填充墻數(shù)量、樓梯的布置等對計算的自振周期進行一定折減．

（3）轉(zhuǎn)運站屬柔性結(jié)構(gòu)，且為高位水平受力不對稱形式，對抗振極為不利．靜荷載作用下結(jié)構(gòu)的位移與動荷載作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)有很大差異，應(yīng)在設(shè)計階段充分考慮輸送機皮帶張力的幅頻特性，選擇一種更為合理的結(jié)構(gòu)方案，以降低設(shè)備振動的影響．

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