選煤廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析

張 旭 紅

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

某選煤廠主廠房為6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓面采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，屋面采用焊接球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架。主廠房結(jié)構(gòu)平面尺寸為79.6 m×32 m，主體結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)軸線尺寸橫向?yàn)? m×4，縱向?yàn)? m×5+3.5 m+5.1 m+6 m×2+8 m×3。受選煤工藝決定，主體結(jié)構(gòu)共有16個(gè)標(biāo)高層，各標(biāo)高層之間高差不一，存在多個(gè)錯(cuò)層和局部平臺。受選煤工藝決定，主廠房內(nèi)布置有多臺振動(dòng)設(shè)備，主要是振動(dòng)篩和離心機(jī)，包括第二層(15.2 m標(biāo)高處)的四臺振動(dòng)離心機(jī)(振動(dòng)頻率：25 Hz)、兩臺高頻振動(dòng)篩(振動(dòng)頻率：16 Hz)；第三層(20.8 m標(biāo)高處)的兩臺精煤脫介篩(振動(dòng)頻率：16 Hz)，一臺中煤脫介篩(振動(dòng)頻率：16 Hz)和一臺矸石脫介篩(振動(dòng)頻率：16 Hz)。

該廠房結(jié)構(gòu)建成運(yùn)行之后出現(xiàn)了劇烈的振動(dòng)反應(yīng)，嚴(yán)重影響到了結(jié)構(gòu)安全和人員健康。為科學(xué)評價(jià)該結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振動(dòng)反應(yīng)的特性與強(qiáng)烈程度，分析該結(jié)構(gòu)劇烈振動(dòng)原因，為后續(xù)減振加固措施提供依據(jù)，本文對該廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析研究。

1 選煤廠房樓蓋體系特征與振動(dòng)測點(diǎn)布置

選煤廠因工藝要求，設(shè)備種類多，靜動(dòng)荷載混雜，造成選煤廠房樓蓋體系主次梁體系復(fù)雜，理論上屬于剛度和質(zhì)量分布極不均勻的連續(xù)正交異性板，根據(jù)有限元分析結(jié)果，其平面外的振動(dòng)特征主要受到第一頻率密集區(qū)的影響。因此，分析振動(dòng)反應(yīng)時(shí)程信號的頻譜特性與樓蓋體系的第一頻率密集區(qū)的關(guān)系，能夠準(zhǔn)確把握引起強(qiáng)烈振動(dòng)的原因，并給結(jié)構(gòu)減振加固提供可靠依據(jù)。

為此，結(jié)合樓蓋結(jié)構(gòu)體系中主次梁關(guān)系和設(shè)備布置情況，對振動(dòng)檢測點(diǎn)進(jìn)行了科學(xué)有效的布置，其原則是要能夠較準(zhǔn)確反映振動(dòng)沿結(jié)構(gòu)垂直向和水平向的傳遞規(guī)律。典型層樓蓋體系與測點(diǎn)布置如圖1所示。

2 振動(dòng)設(shè)備擾頻及其動(dòng)力特性參數(shù)檢測

現(xiàn)場在振動(dòng)設(shè)備空載運(yùn)行狀態(tài)下，采集振動(dòng)設(shè)備自穩(wěn)態(tài)運(yùn)行至完全停機(jī)整個(gè)過程的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)信號及自由振動(dòng)衰減信號，

通過對信號進(jìn)行頻譜分析得到振動(dòng)設(shè)備擾頻及其動(dòng)力特性參數(shù)，測試結(jié)果見表1。

利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，根據(jù)表1測試數(shù)據(jù)對振動(dòng)設(shè)備支座體系的傳導(dǎo)比TR進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

TR=[(1-β2)2+(2βξ)2]-1/2·[1+(2βξ)2]1/2。

其中，TR為傳導(dǎo)比，該指標(biāo)反映了振動(dòng)設(shè)備支座體系的隔振效率；β為頻率比，設(shè)備擾頻與其自振頻率的比值；ξ為阻尼比。

表1 振動(dòng)設(shè)備擾頻及其動(dòng)力特性參數(shù)測試結(jié)果

從振動(dòng)設(shè)備支座體系的傳導(dǎo)比TR計(jì)算結(jié)果來看，振動(dòng)篩支座體系傳導(dǎo)比很小，表明振動(dòng)篩和離心機(jī)支座彈簧(橡膠墊)隔振效果較好，振動(dòng)篩的隔振系統(tǒng)并非引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)的原因。

3 結(jié)構(gòu)中振動(dòng)傳遞規(guī)律分析

振動(dòng)傳遞包括結(jié)構(gòu)振動(dòng)在結(jié)構(gòu)本層的水平傳遞和結(jié)構(gòu)振動(dòng)在各樓層之間的豎向傳遞。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)在本層之間的傳遞主要指振源(振動(dòng)設(shè)備)本身振動(dòng)帶動(dòng)支座梁、樓板振動(dòng)再由支座梁、樓板振動(dòng)向四周梁、樓板傳導(dǎo)。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)在各樓層之間的傳遞主要指振源(振動(dòng)設(shè)備)本身振動(dòng)帶動(dòng)梁、樓板振動(dòng)再由梁、樓板傳導(dǎo)到本層梁、柱節(jié)點(diǎn)，最后柱子振動(dòng)再向其他各層樓板和柱子傳遞。

檢測結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)振動(dòng)沿豎向的衰減很快，層間傳遞并不明顯，表明結(jié)構(gòu)的柱豎向剛度足夠，并非引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)的原因。

測試結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)樓蓋體系的豎向振動(dòng)沿水平方向的傳遞影響范圍較遠(yuǎn)，尤其是沿主梁方向傳遞的趨勢特別明顯，如圖2所示。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)技改時(shí)主要以豎向振動(dòng)為控制目標(biāo)，在結(jié)構(gòu)樓板處增加大量鋼梁，或是增加原有梁截面尺寸，而忽略了結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)的控制，隨著廠房工藝改動(dòng)，設(shè)備容量增大，設(shè)備水平擊振力也有所增加，最終致使結(jié)構(gòu)水平剛度相對不足。典型的“癥狀”表現(xiàn)為20.8 m標(biāo)高層精煤脫介篩周圍的測點(diǎn)水平振動(dòng)普遍過大，同時(shí)27.8 m標(biāo)高層樓板62.5%的測點(diǎn)水平振動(dòng)偏大。這充分說明目前結(jié)構(gòu)水平方向的側(cè)移剛度不足，不能有效控制過大的振動(dòng)在結(jié)構(gòu)樓該體系中的傳遞擴(kuò)散。

4 振動(dòng)信號頻譜分析及其與樓蓋體系頻率對比

分別對各振動(dòng)篩附近的振動(dòng)信號和距振動(dòng)篩較遠(yuǎn)處的振動(dòng)信號進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果顯示，振動(dòng)篩附近的振動(dòng)信號頻譜成分較為單純，主要與振動(dòng)篩自身的工作頻率一致，表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)迫振動(dòng)特征，如圖3所示。而距振動(dòng)篩較遠(yuǎn)的振動(dòng)信號頻譜成分比較豐富，表現(xiàn)出明顯的混頻振動(dòng)特征，如圖4所示。

將以上振動(dòng)信號的頻譜范圍與樓蓋體系的第一頻率密集區(qū)范圍進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，無論較為簡單的強(qiáng)迫振動(dòng)，還是比較豐富的混頻振動(dòng)，其頻率范圍均被包含在樓蓋體系的第一頻率密集區(qū)范圍內(nèi)，這充分說明在該樓蓋體系中存在典型的共振現(xiàn)象。

5 結(jié)語

根據(jù)檢測結(jié)果可知目前該選煤廠主結(jié)構(gòu)各層均存在過大豎向振動(dòng)。部分測點(diǎn)振動(dòng)幅值已經(jīng)超過了人體健康指標(biāo)所允許的范圍，對工人健康帶來一定的損害，其中一部分測點(diǎn)的振動(dòng)幅值已超過了結(jié)構(gòu)的安全指標(biāo)，說明結(jié)構(gòu)目前的振動(dòng)已經(jīng)對結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成威脅，將有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷甚至疲勞破壞。

結(jié)構(gòu)中振動(dòng)傳遞規(guī)律表明，振動(dòng)主要在各層的本層樓蓋體系內(nèi)沿水平方向傳遞，且頻譜分析結(jié)果表明，樓蓋體系內(nèi)振動(dòng)信號的頻譜范圍均被包含在樓蓋體系的第一頻率密集區(qū)范圍內(nèi)，充分說明在該樓蓋體系中存在典型的共振現(xiàn)象。

結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象的減振加固并非簡單地增加結(jié)構(gòu)剛度，而是通過合理改變樓蓋結(jié)構(gòu)體系的第一頻率密集區(qū)范圍，讓強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率較遠(yuǎn)地離開該范圍一定值，即可有效地達(dá)到減振效果。