移動(dòng)式混凝土振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)及諧響應(yīng)分析與應(yīng)用

秦雪濤/QIN Xue-tao

（上海市建筑科學(xué)研究院科技發(fā)展有限公司，上海 201500）

振動(dòng)臺(tái)是混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線的重要組成設(shè)備，其作用是排出澆筑后留存在混凝土內(nèi)的空氣使其密實(shí)，并促進(jìn)混凝土中的骨料均布以提高預(yù)制構(gòu)件的機(jī)械性能。目前國(guó)內(nèi)主要的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線都采用振動(dòng)臺(tái)固定模臺(tái)流轉(zhuǎn)的生產(chǎn)方式。這需要在預(yù)制構(gòu)件澆筑完成后將模臺(tái)運(yùn)移到特制振動(dòng)臺(tái)上，待振動(dòng)密實(shí)后再將預(yù)制構(gòu)件連同模具一起移動(dòng)到養(yǎng)護(hù)工位存放。這種生產(chǎn)方式比較適合形狀簡(jiǎn)單的疊合樓板和內(nèi)墻板等構(gòu)建，只要有1 臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障，就會(huì)影響整條產(chǎn)線的生產(chǎn)。而本文研究的是基于固定模臺(tái)的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)方式中的振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)臺(tái)沿著預(yù)設(shè)軌道移動(dòng)到需要密實(shí)的模臺(tái)下方，將其托起后對(duì)模具中的混凝土進(jìn)行密實(shí)振動(dòng)。這種生產(chǎn)線具有工作效率高、對(duì)不同形狀復(fù)雜構(gòu)件同線生產(chǎn)適應(yīng)性好，流水線上單臺(tái)設(shè)備損壞對(duì)產(chǎn)線的影響小等優(yōu)點(diǎn)。

1 振動(dòng)模臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)固定模臺(tái)式混凝土預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)線的生產(chǎn)需求，振動(dòng)模臺(tái)需要能夠自主移動(dòng)到每一個(gè)固定模臺(tái)下方，且與任意模臺(tái)都保持相同的相對(duì)位置。當(dāng)移動(dòng)到目標(biāo)模臺(tái)下方時(shí)首先將自身固定，然后將模臺(tái)頂起并施加剛性連接以確保振動(dòng)傳遞。針對(duì)不同混凝土預(yù)制構(gòu)件施加相應(yīng)的激振力。完成養(yǎng)護(hù)后，振動(dòng)臺(tái)可再次將模臺(tái)頂升并翻轉(zhuǎn)一定角度，保證其順利脫模。該移動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)在對(duì)混凝土構(gòu)件振動(dòng)密實(shí)工作時(shí)（圖1），振動(dòng)臺(tái)會(huì)移動(dòng)到模臺(tái)下方并通過(guò)定位機(jī)構(gòu)將自身移動(dòng)固定，再通過(guò)6 個(gè)均布的頂升機(jī)構(gòu)頂起最上層的翻轉(zhuǎn)機(jī)架并通過(guò)該機(jī)架將模臺(tái)托起，托起后的模臺(tái)被翻轉(zhuǎn)機(jī)架兩端的夾緊機(jī)構(gòu)鎖緊。此時(shí)模臺(tái)與振動(dòng)臺(tái)之間屬于剛性連接，在振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)作業(yè)時(shí)可有效保證振動(dòng)能量傳遞。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件脫模作業(yè)時(shí)，3 個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)將翻轉(zhuǎn)機(jī)架旋轉(zhuǎn)60°以保障脫模順利。8 個(gè)振動(dòng)電機(jī)對(duì)稱固定在翻轉(zhuǎn)機(jī)架與上方模臺(tái)接觸的鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部，確保振動(dòng)能量傳遞損耗最低。該鋼結(jié)構(gòu)與翻轉(zhuǎn)機(jī)架之間用橡膠塊隔開(kāi)，大幅降低振動(dòng)能量的損耗以及振動(dòng)時(shí)對(duì)振動(dòng)臺(tái)本身結(jié)構(gòu)的損害。移動(dòng)式混凝土振動(dòng)臺(tái)主要組成如表1 所示。

圖1 移動(dòng)式混凝土振動(dòng)臺(tái)設(shè)備

表1 移動(dòng)式混凝土振動(dòng)臺(tái)設(shè)備組成

針對(duì)本文研究的混凝土振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)專用模臺(tái) 長(zhǎng)8 800mm，寬3 700mm，高336mm，由12mm 鋼板焊接而成，總重量約1.5t，混凝土構(gòu)件重量約25t。選用的8 臺(tái)振動(dòng)電機(jī)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)軸的偏心距及轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制激振頻率、激振力及其相位的目的，具體參數(shù)見(jiàn)表2。每一臺(tái)振動(dòng)電機(jī)與下方翻轉(zhuǎn)機(jī)架之間采用2 塊橡膠墊隔振，物理性能見(jiàn)表3。翻轉(zhuǎn)機(jī)架由壁厚12mm、邊長(zhǎng)160mm 的正方形空心管焊接而成。

表2 振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)力及頻率調(diào)節(jié)范圍

表3 橡膠墊塊物理性能

2 混凝土振動(dòng)密實(shí)關(guān)鍵參數(shù)選取

混凝土振動(dòng)密實(shí)成型的關(guān)鍵參數(shù)主要包括：頻率、振幅以及振動(dòng)時(shí)間，由振動(dòng)頻率與振幅可以計(jì)算激振力。骨料振動(dòng)頻率可根據(jù)法國(guó)學(xué)者雷爾密特提出的計(jì)算公式1 進(jìn)行估算。

式中 f——振動(dòng)頻率，Hz；

D——骨料平均直徑，mm。

根據(jù)坍落度的值可以將混凝土分為塑性混凝土、低流動(dòng)性混凝土及干硬性混凝土?；炷猎诓煌涠葧r(shí)振幅值及振動(dòng)時(shí)間應(yīng)不相同。推薦振幅值見(jiàn)表4。

表4 常用混凝土振幅值

振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度也影響最終構(gòu)件強(qiáng)度。振動(dòng)時(shí)間太短會(huì)造成混凝土密實(shí)不充分，振動(dòng)時(shí)間太久則會(huì)造成混凝土分層，這些最終都會(huì)降低預(yù)制構(gòu)件的強(qiáng)度。推薦的振動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)時(shí)間見(jiàn)圖2。

圖2 混凝土振動(dòng)時(shí)間

本文研制的振動(dòng)臺(tái)所應(yīng)用的生產(chǎn)線可以兼容生產(chǎn)多種類型的預(yù)制構(gòu)件，如剪力墻、承重梁、承重柱等承重結(jié)構(gòu)以及保溫墻、內(nèi)隔墻、樓梯等非承重結(jié)構(gòu)。涉及的混凝土骨料直徑及水灰比各不相同。因此對(duì)振動(dòng)臺(tái)作有限元建模并分析計(jì)算，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)是否能夠覆蓋多種類型的混凝土配比并針對(duì)不同配比的混凝土選取最佳振動(dòng)參數(shù)。

3 振動(dòng)臺(tái)有限元分析模型建立

如上所述8 臺(tái)振動(dòng)電機(jī)對(duì)稱布置在翻轉(zhuǎn)機(jī)架鋼結(jié)構(gòu)上，為保證后續(xù)接觸設(shè)置正常，翻轉(zhuǎn)機(jī)架鋼結(jié)構(gòu)使用實(shí)體單元建模如圖3 所示。每臺(tái)振動(dòng)電機(jī)都固定在一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部（圖4）。該鋼結(jié)構(gòu)上表面與模臺(tái)綁定接觸，而該鋼結(jié)構(gòu)與翻轉(zhuǎn)機(jī)架之間安裝有2 件橡膠塊。定義橡膠材料的物理性能如表3 所示，定義翻轉(zhuǎn)機(jī)架及模臺(tái)材料為結(jié)構(gòu)鋼。設(shè)置網(wǎng)格劃分方式為六面體主導(dǎo)的高階網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸20mm，得到如圖5 所示的網(wǎng)格?？傆?jì)生成659 091 個(gè)節(jié)點(diǎn)，為后續(xù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性建立良好基礎(chǔ)。設(shè)置翻轉(zhuǎn)機(jī)架與頂升機(jī)架6 個(gè)接觸面的邊界條件為固定。振動(dòng)電機(jī)安裝鋼結(jié)構(gòu)上表面與上方模臺(tái)接觸的下表面設(shè)置為綁定接觸。

圖3 振動(dòng)臺(tái)翻轉(zhuǎn)機(jī)架有限元簡(jiǎn)化模型

圖4 振動(dòng)電機(jī)與振動(dòng)臺(tái)連接結(jié)構(gòu)

圖5 網(wǎng)格化后的振動(dòng)臺(tái)及模臺(tái)模型

完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型施加工作載荷：模臺(tái)上方模具及混凝土預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量加載面積最大不超過(guò)模臺(tái)上表面面積的75%，在有限元加載時(shí)使用質(zhì)量點(diǎn)來(lái)模擬模具及預(yù)制構(gòu)件的重量并加載到模臺(tái)上表面中間分布于75%面積的節(jié)點(diǎn)上。振動(dòng)電機(jī)質(zhì)量及圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)的振動(dòng)力也按照實(shí)際情況以質(zhì)量點(diǎn)施加在與模臺(tái)接觸的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上。施加載荷值見(jiàn)表5。

表5 載荷施加列表

圖6 激振力施加

4 有限元計(jì)算結(jié)果

4.1 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

模態(tài)計(jì)算得到設(shè)備前十二階共振頻率，見(jiàn)表6。為避免設(shè)備在振動(dòng)工作時(shí)8 臺(tái)振動(dòng)電機(jī)疊加的激振力對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不利影響，8 臺(tái)振動(dòng)電機(jī)疊加的激振頻率應(yīng)避開(kāi)設(shè)備固有頻率范圍。

表6 前十二階模態(tài)計(jì)算結(jié)果 （單位：Hz）

4.2 8個(gè)電機(jī)同向位振動(dòng)諧響應(yīng)分析

8 個(gè)振動(dòng)電機(jī)激振力恒定10kN，且保持同相位激振。激振頻率沿著常用骨料所需激振頻率自30～100Hz 逐漸遞增加載。加載情況見(jiàn)圖7。

圖7 振動(dòng)電機(jī)同相位激振加載示意

計(jì)算后得到模臺(tái)振幅——頻率曲線圖8 以及翻轉(zhuǎn)機(jī)架的振幅－頻率曲線圖9。圖表顯示模臺(tái)在30Hz 頻率時(shí)達(dá)到最高振幅1.9mm，隨著頻率的逐漸增大，振幅逐漸降低。翻轉(zhuǎn)模臺(tái)在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中振幅幾乎為零，可見(jiàn)激振力在向翻轉(zhuǎn)機(jī)架傳遞過(guò)程中幾乎都被減振橡膠墊塊吸收。圖10為設(shè)備在35Hz 激振力下振動(dòng)工作時(shí)整機(jī)的振幅云圖，模臺(tái)振幅達(dá)到0.82mm 時(shí)，振動(dòng)臺(tái)翻轉(zhuǎn)機(jī)架振幅幾乎為0。可見(jiàn)橡膠墊的隔振效果顯著。設(shè)備在第八階、第九階及第十二階共振頻率下產(chǎn)生共振，最大振幅4.5mm，位置在模臺(tái)邊緣并不足以對(duì)設(shè)備造成破壞。激振力在35.5～67.8Hz 范圍調(diào)節(jié)時(shí)振幅由0.7mm 向0.1mm 逐漸減低，振動(dòng)幅度可以滿足多種坍落度混凝土密實(shí)需求，但需要注意的是調(diào)節(jié)過(guò)程中要避免設(shè)備達(dá)到固有頻率。

圖8 同相位激振力情況下模臺(tái)振幅-頻率曲線圖

圖9 同相位激振力情況下翻轉(zhuǎn)臺(tái)振幅--頻率曲線圖

圖10 8個(gè)振動(dòng)電機(jī)同相位以35Hz激振時(shí)振動(dòng)臺(tái)振幅云圖

4.3 激振力相位沿振動(dòng)臺(tái)長(zhǎng)度方向相差180°且轉(zhuǎn)向相同時(shí)諧響應(yīng)分析

8 個(gè)振動(dòng)電機(jī)激振力恒定10kN，激振力相位沿著振動(dòng)臺(tái)長(zhǎng)度方向相差180°，加載情況見(jiàn)圖12。激振頻率自30～100Hz 逐漸遞增加載。

圖11 振動(dòng)電機(jī)激振力相位沿振動(dòng)臺(tái)長(zhǎng)度方向相差180°且轉(zhuǎn)向相同加載示意

計(jì)算后得到模臺(tái)振幅－頻率曲線（圖12）。該工況振幅變化區(qū)間較小，無(wú)法滿足不同坍落度混凝土密實(shí)需求。且在第八階和第十二階共振幅度激增，不利于設(shè)備使用壽命。

圖12 激振力沿振動(dòng)臺(tái)長(zhǎng)度方向差180°且轉(zhuǎn)向相同時(shí)模臺(tái)振幅-頻率曲線圖

4.4 激振力相位沿振動(dòng)臺(tái)高度方向差180°且轉(zhuǎn)向相反時(shí)諧響應(yīng)分析

8 個(gè)振動(dòng)電機(jī)激振力恒定10kN，激振力相位沿著振動(dòng)臺(tái)高度方向相差180°且轉(zhuǎn)向相反，加載情況見(jiàn)圖13。激振頻率自30～100Hz 逐漸遞增加載。

圖13 振動(dòng)電機(jī)激振力相位沿振動(dòng)臺(tái)高度方向相差180°且轉(zhuǎn)向相反加載示意

計(jì)算后得到模臺(tái)振幅－頻率曲線（圖14）。圖表顯示模臺(tái)在30～100Hz 頻率變化時(shí)振幅呈遞減趨勢(shì)，最大振幅僅0.4mm。變化范圍較窄且在56Hz 第九階共振頻率下產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，振幅達(dá)38.69mm。

圖14 激振力相位沿振動(dòng)臺(tái)高度方向差180°且轉(zhuǎn)向相反時(shí)模臺(tái)振幅-頻率曲線圖

4.5 多段頻率振動(dòng)臺(tái)激振控制方法建立

根據(jù)上文選取的3 種最具代表性的激振力施加方式的計(jì)算結(jié)果，可知激振力同相位加載情況下設(shè)備振動(dòng)頻率－振幅（圖9）變化范圍能夠滿足不同配比混凝土密實(shí)需求且振幅-頻率調(diào)節(jié)性較好。本文基于該激振方式建立一套可以適應(yīng)多種混凝土配比的振動(dòng)密實(shí)控制方法，該方法通過(guò)預(yù)先向振動(dòng)臺(tái)控制軟件中輸入混凝土配比參數(shù)，軟件據(jù)此自動(dòng)計(jì)算得振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率變化范圍及各主要頻率的振動(dòng)時(shí)間，使混凝土達(dá)到最佳密實(shí)狀態(tài)。該方法控制下振動(dòng)臺(tái)激振頻率會(huì)自低頻逐漸向高頻增加，根據(jù)骨料直徑、占比等參數(shù)的不同選擇不同頻率及激振時(shí)間進(jìn)行分段振動(dòng)，使混凝土各成分都達(dá)到均勻密實(shí)不分層，最后以高頻低幅振動(dòng)結(jié)束，使泥漿充分流動(dòng)到混凝土構(gòu)件模具底層，提高構(gòu)件表面密實(shí)度。表7 為該算法計(jì)算混凝土最佳振動(dòng)頻率及時(shí)間的步驟。

表7 混凝土振動(dòng)密實(shí)“頻率－時(shí)間”激振曲線選取算法

5 混凝土預(yù)制構(gòu)件振動(dòng)密實(shí)試驗(yàn)與分析

為了對(duì)前文混凝土振動(dòng)密實(shí)激振算法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，在振動(dòng)臺(tái)設(shè)置中輸入表8 混凝土配比參數(shù)并進(jìn)行振動(dòng)密實(shí)試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)控制軟件自動(dòng)生成激振“頻率-時(shí)間”曲線如圖15。為驗(yàn)證本文激振算法的效果，預(yù)制構(gòu)件制作時(shí)在模具框架周邊焊接10 個(gè)邊長(zhǎng)150mm 的立方體試塊模具，采用本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)頻率及50Hz 恒定振動(dòng)頻率作為對(duì)照制作預(yù)制構(gòu)件與試塊，相同配比不同振動(dòng)方式的兩組混凝土試塊在養(yǎng)護(hù)28d 后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試塊1～10 采用恒定力10kN 激振頻率50Hz 振動(dòng)，試塊11～20 采用新算法得到的恒定力10kN 激振頻率如圖15 所示曲線進(jìn)行激振。試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)照片見(jiàn)圖16，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，不同深度下密實(shí)度檢測(cè)曲線見(jiàn)圖17。

圖15 試驗(yàn)混凝土激振頻率－時(shí)間曲線

圖16 振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)密實(shí)現(xiàn)場(chǎng)

圖17 試塊密實(shí)度－深度曲線圖

表9 及圖17 試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示使用多頻率激振方式，平均密實(shí)度提高6%，混凝土試塊平均抗壓強(qiáng)度提高4.1%，但是試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示采用兩種激振方式密實(shí)的試塊抗壓強(qiáng)度最大值都能達(dá)到34MPa左右，平均抗壓強(qiáng)度的提高是由于兩組試塊抗壓強(qiáng)度最小值相差較大造成的。因此分析兩種激振方式下密實(shí)得到的試塊壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，結(jié)果顯示使用恒定頻率激振方式密實(shí)的試塊抗壓強(qiáng)度離散性較大方差達(dá)6.8，而采用多段頻率激振法密實(shí)的試塊抗壓強(qiáng)度離散性明顯較小方差為4.5。試驗(yàn)顯示采用多段頻率激振法較恒定頻率激振法得到的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度更高的主要原因是前者可以使混凝土試塊的密實(shí)度更平均更穩(wěn)定。

表8 試驗(yàn)用混凝土配比

表9 混凝土試塊立方體試驗(yàn)結(jié)果

6 總結(jié)與展望

本文研制了一種全新的混凝土密實(shí)振動(dòng)臺(tái)，該振動(dòng)臺(tái)集成行走、翻轉(zhuǎn)及振動(dòng)機(jī)構(gòu)于一體可以應(yīng)用于固定模臺(tái)式雙向可拓展預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線，能夠適應(yīng)種類繁多的預(yù)制構(gòu)件。同時(shí)在振動(dòng)臺(tái)研制過(guò)程中本文進(jìn)行了一系列有限元計(jì)算及試驗(yàn)分析得到以下結(jié)論。

1） 對(duì)于相同配比的混凝土構(gòu)件采用多頻率激振方法比常規(guī)恒定頻率激振方法可以得到更好的密實(shí)度與抗壓強(qiáng)度。

2）針對(duì)不同配比混凝土中不同直徑的骨料應(yīng)采用不同的激振頻率及振幅，頻率應(yīng)根據(jù)法國(guó)學(xué)者“雷爾密特”提出的式(1)，振幅應(yīng)通過(guò)水灰比不同選?。ū?）。

3）“激振頻率-振動(dòng)幅度”調(diào)節(jié)曲線是振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的重要參數(shù)（圖8）。該參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍應(yīng)能夠覆蓋大部分配比混凝土密實(shí)所需，同時(shí)該參數(shù)可以通過(guò)振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)及有限元諧響應(yīng)計(jì)算確定。

4）可以根據(jù)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)特性建立“頻率-時(shí)間”激振曲線選取算法（表7），通過(guò)輸入預(yù)制構(gòu)件混凝土配方自動(dòng)計(jì)算得到最佳“振動(dòng)頻率-時(shí)間”激振曲線，獲得混凝土最佳密實(shí)度。

本文受時(shí)間所限，最佳激振曲線算法與試驗(yàn)驗(yàn)證分析是在選取單一混凝土配比的情況下的研究成果，分析與試驗(yàn)次數(shù)也較少，可能以偏概全。后續(xù)有待對(duì)其他不同配比混凝土激振曲線作進(jìn)一步試驗(yàn)分析及優(yōu)化，以獲得更準(zhǔn)確的混凝土密實(shí)最佳激振曲線，提高預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)效率及質(zhì)量，為裝配式住宅的推廣夯實(shí)基礎(chǔ)。