鋼結(jié)構(gòu)吸收塔風(fēng)致振動(dòng)減振分析及應(yīng)用

王建立 黃燕平 邱玲玲 王新章 羅勇

(1.隔而固(青島)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司 266100；2.隔而固(青島)振動(dòng)控制有限公司 266100)

1 工程概況

本吸收塔為某石油化工企業(yè)的催化裂化裝置增設(shè)煙氣凈化設(shè)施及原料適應(yīng)性改造項(xiàng)目，吸收塔C-2151主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。本塔主體由三部分組成:底部入口及脫硫部分、中部靜電除塵部分和頂部煙囪(圖1)，在塔體側(cè)面及不同標(biāo)高處設(shè)有梯子及梯子平臺(tái)。塔體總高約80m，地處福建省泉州市沿海，當(dāng)?shù)亟＜撅L(fēng)性氣候明顯，塔體在風(fēng)激勵(lì)下的振動(dòng)影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，長期持續(xù)的振動(dòng)易使設(shè)備產(chǎn)生疲勞裂紋，影響塔體的使用壽命。因此，塔體在風(fēng)激勵(lì)下的振動(dòng)應(yīng)專項(xiàng)研究。

圖1 吸收塔總體布置Fig.1 Absorber arrangement

2 理論建模與模態(tài)分析

該吸收塔三個(gè)組成部分的質(zhì)量分別為:頂部煙囪84905kg，中部靜電除塵部分88732kg，底部入口及脫硫部分148587kg，加上其他附件的質(zhì)量塔體總質(zhì)量為341290kg，塔 體 為 鋼 結(jié)構(gòu)，鋼材為S31603。根據(jù)塔體及梯子結(jié)構(gòu)圖及相關(guān)參數(shù)，將吸收塔分為12段，采用梁單元，建立塔體SAP2000有限元模型。有限元模型用來計(jì)算設(shè)有調(diào)諧質(zhì)量減振器的風(fēng)振響應(yīng)和地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

另外，將吸收塔每段的長度、質(zhì)量、橫截面等參數(shù)輸入小程序，建立了用于風(fēng)荷載橫風(fēng)向位移計(jì)算的簡化模型。此模型可以根據(jù)規(guī)范DIN EN 1991-1-4計(jì)算塔體風(fēng)荷載動(dòng)力分析的模態(tài)參數(shù)和橫向風(fēng)振的變形，橫風(fēng)向風(fēng)振的計(jì)算方法在文獻(xiàn)[1]中已有描述，本文不再贅述。

模態(tài)分析結(jié)果顯示，吸收塔一階自振頻率f1=0.764Hz(簡化模型)，f1=0.76Hz(有限元模型)，模態(tài)質(zhì)量m1=35700kg，圖2為簡化模型和有限元模型吸收塔前兩階振型對比。

圖2 吸收塔前兩階振型Fig.2 The first two modes of absorber

3 調(diào)諧質(zhì)量減振器參數(shù)設(shè)計(jì)

高聳建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)，是以某階固有振動(dòng)為主，因而可以把原來的系統(tǒng)看作為一個(gè)單質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)。系統(tǒng)自身的阻尼比d通常很小，所以當(dāng)激振頻率f與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率f0接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的幅值可能達(dá)到靜變形的50倍以上。

采用調(diào)諧質(zhì)量減振器TMD減振，是在原系統(tǒng)(主系統(tǒng))上耦合一個(gè)單自由度的彈簧質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)(附加系統(tǒng))，則原單自由度振動(dòng)系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 原結(jié)構(gòu)和TMD所組成的兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)Fig.3 Two degrees freedom vibration system of original structure and TMD

如果使附加振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率處于原系統(tǒng)(下稱主系統(tǒng))的原來固有頻率附近，則原來固有頻率處的共振峰消失。新系統(tǒng)由單峰共振區(qū)變?yōu)殡p峰共振區(qū)，且一個(gè)上移，一個(gè)下移。理論上，如果激振頻率僅在原共振峰附近激勵(lì)，即使TMD沒有附加阻尼C，主系統(tǒng)的振動(dòng)也很小，附加質(zhì)量的振動(dòng)卻很大，相位恰與激振力相位相反，與激振力抵消，也就是通過對原系統(tǒng)頻率的調(diào)諧保護(hù)了原來系統(tǒng)，因此該質(zhì)量稱為調(diào)諧質(zhì)量。

沒有阻尼的TMD在實(shí)踐上很少使用，因?yàn)橐坏﹨?shù)不準(zhǔn)或激振力頻率發(fā)生改變，偏離原來的共振峰，則主系統(tǒng)的振幅迅速增大，形成新的共振峰，所以無阻尼TMD的減振頻率范圍很窄，實(shí)踐中失敗的TMD系統(tǒng)要么因?yàn)轭l率調(diào)諧不準(zhǔn)，要么因?yàn)樽枘岵蛔慊蚶匣^快而失效。

如果附加系統(tǒng)有適當(dāng)?shù)淖枘酑，則振動(dòng)傳遞曲線變得平滑，曲線谷上移峰下降，也就是在主系統(tǒng)原有頻率附近要損失一些減振效果。但當(dāng)調(diào)諧頻率和激勵(lì)力頻率出現(xiàn)偏離時(shí)，仍有較好的寬頻減振效果。

根據(jù)DEN HARTOG優(yōu)化準(zhǔn)則，按照有限元計(jì)算的模態(tài)質(zhì)量和其垂直振動(dòng)的第一階固有頻率，進(jìn)行調(diào)諧質(zhì)量減振器TMD設(shè)計(jì)，TMD參數(shù)見表1。

表1 TMD參數(shù)Tab.1 TMD parameters

4 理論計(jì)算與現(xiàn)場測試

4.1 風(fēng)振分析

吸收塔項(xiàng)目所在地基本風(fēng)壓為0.75kN/m2，地面粗糙度為A，場地類別II類，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中所述方法計(jì)算，吸收塔橫風(fēng)向最大位移為145mm。

理論公式計(jì)算時(shí)，根據(jù)簡化模型的計(jì)算結(jié)果，將吸收塔的實(shí)際位移通過響應(yīng)函乘以一個(gè)放大系數(shù)得到，使其最大值為145mm。

由圖4響應(yīng)函數(shù)可以看出，有TMD時(shí)橫向風(fēng)激勵(lì)作用下吸收塔的最大位移大幅減小至±7mm(藍(lán)色曲線)，TMD的最大行程為±23mm(綠色曲線)。對比有無TMD狀態(tài)下系統(tǒng)的最大響應(yīng)，可以對增加TMD后結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)阻尼進(jìn)行評估。依據(jù)有TMD時(shí)系統(tǒng)的最大響應(yīng)可得結(jié)構(gòu)的阻尼比為5.2%。

圖4 有無TMD時(shí)吸收塔的位移及TMD行程Fig.4 Absorber top displacement with/without TMD and TMD travel

附加上TMD后，吸收塔在激勵(lì)開始階段沒有動(dòng)力放大的情況，減振效果明顯。由圖5、圖6還可看出，有TMD控制的情況下，在激勵(lì)結(jié)束時(shí)振動(dòng)衰減非?？?，能夠使吸收塔的振動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來。

圖5 有TMD及無TMD控制時(shí)塔頂位移反應(yīng)Fig.5 Absorber top deflection with/without TMD

圖6 激勵(lì)開始階段和激勵(lì)結(jié)束階段Fig.6 The beginning and the end stages of excitation

4.2 地震響應(yīng)驗(yàn)算

在調(diào)諧質(zhì)量減振器設(shè)計(jì)過程中，其不僅要達(dá)到在正常使用狀態(tài)下的位移及舒適性要求，而且在地震工況下，吸收塔在地震激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)也應(yīng)滿足要求。吸收塔所在地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g。本次共選取了5組地震波進(jìn)行計(jì)算，其中有4條為天然波，1條為人工波。其加TMD前后的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果見表2。

表2 吸收塔在地震激勵(lì)下的響應(yīng)Tab.2 Absorber response under earthquake

從表2可以看出，雖然TMD是按風(fēng)振控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，但對地震動(dòng)也有一定的減振效果。

5 后期測試

5.1 現(xiàn)場測試

吸收塔主體完工后非運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，測試人員對吸收塔的振動(dòng)特性進(jìn)行了現(xiàn)場測試。TMD鎖定及釋放狀態(tài)，在吸收塔頂部塔體及TMD質(zhì)量塊上分別布置測點(diǎn)，如圖7所示。

測試過程中，風(fēng)向略有變化，但保持傳感器布置方向不變。

圖7 吸收塔頂部產(chǎn)品圖及測點(diǎn)布置Fig.7 Absorber top and measuring point

5.2 測試分析

由測點(diǎn)振動(dòng)速度頻譜圖8可知，吸收塔一階固有頻率為0.785Hz，阻尼比為0.73%(此阻尼比及后續(xù)阻尼比均為設(shè)備非運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行的測試，設(shè)備運(yùn)行中阻尼比會(huì)有變化)，其測試頻率與計(jì)算頻率0.764Hz基本一致。

圖8 TMD鎖定狀態(tài)振動(dòng)速度頻譜圖Fig.8 Vibration velocity spectrum diagram for TMD locked

TMD釋放后，采集吸收塔的振動(dòng)速度響應(yīng)，對比分析TMD鎖定與釋放時(shí)，吸收塔振動(dòng)速度的響應(yīng)及阻尼特性。TMD鎖定與釋放時(shí)，吸收塔頂部水平振動(dòng)速度頻譜的峰值分別為:1.894mm/s、0.456mm/s。按振動(dòng)速度峰值計(jì)算的TMD減振效果為70%以上，如圖9所示。

TMD釋放后，吸收塔結(jié)構(gòu)阻尼比提高至2.7%。此吸收塔安裝TMD后的減振效果與類似項(xiàng)目相符[1]。

圖9 吸收塔加TMD前后振動(dòng)速度頻譜圖對比Fig.9 Comparison of absorber top velocity spectrum with/without TMD

6 結(jié)論

1.鋼結(jié)構(gòu)吸收塔在風(fēng)荷載激勵(lì)下易產(chǎn)生風(fēng)致共振，調(diào)諧質(zhì)量減振器對吸收塔抗風(fēng)振效果良好，能夠很好地避免其長期處于風(fēng)激勵(lì)的共振狀態(tài)下，并有效減少吸收塔風(fēng)振導(dǎo)致的危害。

2.添加調(diào)諧質(zhì)量減振器后，吸收塔系統(tǒng)阻尼比增加，風(fēng)致振動(dòng)衰減較快；且對地震動(dòng)作用也有一定的減振效果。