某深邃泵房結(jié)構(gòu)振動有限元數(shù)值分析

熊永華，陳昆鵬，王少杰

（1.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 4300151；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072）

0 引言

隨著我國工業(yè)建筑廠房數(shù)量增多,將大型機(jī)械布置到樓層上，其經(jīng)濟(jì)性效果顯著，已經(jīng)成為一個(gè)必然趨勢。設(shè)備擱置與樓板之上，設(shè)備振動會引起結(jié)構(gòu)樓板隨之振動，若設(shè)備振動頻率與樓層結(jié)構(gòu)振動頻率相似將會引起樓層結(jié)構(gòu)的共振，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞。在工業(yè)建筑中，如何減振、避振已經(jīng)成為設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題，要解決振動的問題，可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力測試，掌握結(jié)構(gòu)自身的振動頻率、阻尼特性等特征，采取合適的結(jié)構(gòu)布置方案，使結(jié)構(gòu)振動頻率遠(yuǎn)離設(shè)備振動頻率，從而達(dá)到減振隔振的目的[1]。

本文以武漢市某污水處理廠深邃為研究對象（見圖1），基于ANSYS 有限元數(shù)值分析軟件建立有限元數(shù)值模型進(jìn)行模態(tài)分析，得出深邃泵房固有頻率及振型，根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果提出合理的深邃泵房加固方案以減少振動的影響。

圖1 深邃泵房典型平面及剖面圖

1 深邃泵房有限元分析

1.1 泵房模型和材料

本研究對象的混凝土強(qiáng)度等級為C35，彈模為3.15×104MPa，密度為25 t/m3，泊松比取為0.2。研究[1]顯示當(dāng)承受動力荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)的動彈模會隨動力大小發(fā)生改變，在動應(yīng)力值較小時(shí)，混凝土的動彈模與靜彈?；窘咏S著動應(yīng)力的增大動彈模會隨之增大，并在動應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)趨于穩(wěn)定，一般動彈模是靜彈模的1.05 倍。本工程案例中混凝土的動彈模取等于靜彈模。深邃泵房設(shè)計(jì)圖紙見圖1。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，建立深邃泵房的總體模型見圖2。模型通過三維建模軟件根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立了地面以下的結(jié)構(gòu)。深邃泵房地下部分類似桶狀結(jié)構(gòu)，分為6層，泵房最外層為地下連續(xù)墻，最下兩層分別放置了蝸殼、電機(jī)，中間三層放置吊車，上層為泵房電纜層及工作活動區(qū)。

圖2 泵房有限元幾何模型

1.2 管道網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格劃分情況如下，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為776 847，總單元數(shù)為352 272，網(wǎng)格質(zhì)量合格。管道有限元網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 深邃泵房總體網(wǎng)格劃分

1.3 泵房約束

泵房結(jié)構(gòu)的約束情況示意見圖4。將各層板、梁柱與地下連續(xù)墻連接處設(shè)置為固定約束。泵房墻壁外側(cè)與土層接觸采用水平彈簧單元模擬，彈簧剛度根據(jù)本工程地勘報(bào)告提供的基床系數(shù)確定，取深度加權(quán)值10 000 kN/m2。

圖4 泵房總體約束設(shè)置

1.4 泵房模態(tài)分析結(jié)果

泵房模態(tài)分析結(jié)果見圖5。模態(tài)分析包括結(jié)構(gòu)的自振頻率計(jì)算和振型計(jì)算，借助振型圖確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件自振頻率分布。

圖5 泵房前10 階模態(tài)

泵房前10 階振型圖及振型說明見圖5 及表1。

表1 前10 階模態(tài)振型說明

水泵從啟動至正產(chǎn)工作頻率范圍為0~8.25 Hz，由模態(tài)分析結(jié)果可知，水泵工作主頻（8.25 Hz）在1階頻率和2 階頻率之間。為避免共振的發(fā)生，泵房結(jié)構(gòu)自振頻率需避開水泵的主頻（8.25 Hz）。根據(jù)泵房前10 階模態(tài)的振型圖可得出：隨機(jī)振動產(chǎn)生振幅較大的部位是泵房中心墻，相對標(biāo)高11.50 m 層、相對標(biāo)高42.50 m、相對標(biāo)高46.30 m 層。前10 階模態(tài)振型分析結(jié)果顯示：易產(chǎn)生振動變形的位置為各層板的中心處、層板被梁或墻分成兩區(qū)域后兩個(gè)半圓的形心處，這些地方振動振幅較大的區(qū)域。

綜上分析，可考慮在相對標(biāo)高27.00 m 與34.75 m層處增加梁以提高固有頻率到泵的主頻以上，減少共振影響。

1.5 增加梁后泵房模態(tài)分析結(jié)果

圖6 所示為在相對標(biāo)高27.00 m 與34.75 m 層處每層增加四道軸向截面為900 mm×1 600 mm 的梁后的廠房三維模型，其余層板等尺寸不變。

圖6 增加梁后的深邃泵房模型

圖7 為廠房模態(tài)分析結(jié)果，表2 為前4 階模態(tài)振型說明。表3 為增加梁的尺寸與廠方固有頻率關(guān)系。

表3 梁截面尺寸與廠方固有頻率關(guān)系

圖7 前4 階模態(tài)振型

表2 前4 階模態(tài)振型說明

由模態(tài)分析結(jié)果可知：各階模態(tài)頻率與振幅差別不大，增加梁后的泵房1 階頻率高于泵的主頻25%以上，不易和泵產(chǎn)生共振影響。

2 結(jié)論

（1）基于ANSYS 有限元數(shù)值分析軟件建立了深邃泵房有限元數(shù)值分析模型，從而進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果顯示，最容易產(chǎn)生振動變形的部位是各層板的中心處、層板被梁或墻分成兩區(qū)域后兩個(gè)半圓的形心處，這些地方屬于振幅較大的區(qū)域。

（2）增加梁后的泵房1 階頻率高于泵的主頻25%以上，不易和泵產(chǎn)生共振影響。通過結(jié)構(gòu)有效布置可減少振動和變形，對于解決泵房振動問題是有效的。