礦山工程篩分廠房結構振動問題設計分析

陶繼波， 耿 璐， 崔小雄， 黃斯拜

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

篩分廠房普遍應用于礦山工程中，隨著篩分技術的發(fā)展，振動篩設備日益大型化，由篩分設備所產生的振動問題日益受到重視。篩分設備的振動，不僅引起噪音污染，并會通過支座傳導到廠房平臺上，對結構的安全造成影響。振動設備對結構的影響主要分為兩類：廠房的水平振動、廠房樓板的豎向振動[1]。輕則會引起操作者的不適，重則使結構開裂，導致結構破壞。

篩分廠房一般采用多層鋼筋混凝土框架結構，由于篩分設備的往復運動，雖然篩分設備在支座處均設置有減震措施，對結構造成的振動并不能完全避免。為防止篩分框架對周圍建筑的影響，往往將篩分框架基礎與周圍建筑基礎之間脫開處理，并用柔性材料嵌縫處理。篩分設備及配套設備布置在各層平臺上，框架各層平臺根據工藝布置要求在開洞，往往對結構平臺梁柱的結構布置造成不利影響。故對篩分廠房的設計，需要結構與工藝專業(yè)設計人員緊密配合，從設備布置、結構方案和計算方法等方面進行綜合考慮，將振動的影響控制在結構安全的范圍內。

2 結構布置原則

對篩分廠房振動問題的結構設計，不僅要考慮結構的承載力和變形滿足規(guī)范要求，更重要的是要避免振動篩的振動與設備支承結構發(fā)生共振，保證設備振動對結構影響在可接受范圍內。主要有二種途徑：一是調整機器的運轉頻率；二是改變結構的自振頻率[2]。調整機器的運轉頻率一般可采取在振動篩上加設反向振子，增設隔振墊，調整設備振動方向等措施，此部分屬于設備廠家考慮的范疇，本文主要討論在給定設備廠家資料的情況下，振動篩自振頻率已確定的結構設計工作。

結構的自振頻率主要取決于結構的剛度，對篩分平臺樓板而言，若結構的自振頻率低于設備的強迫振動頻率，當設備在開啟或停機時，會發(fā)生設備動荷載工作頻率穿越結構自振頻率從而產生穿越共振；當結構中的自振頻率高于設備中的強迫振動頻率，結果就會偏于安全。一般情況下，支撐構件和整體結構的固有頻率應與激振器轉速不同，支撐梁的固有頻率高于激振器的轉速。在設計階段可通過增加支撐梁高度，增加次梁，增加板厚調整支撐樓板的自振頻率。

在設計方案的確定階段，由于篩分廠房設備布置的復雜多變，工藝方案布置的制約，樓板開洞位置，柱距布置方式，各層層高均存在很大變數(shù)。想通過精確地結構計算，分析結構的振動性能，既沒有充足時間也不能保證結構模型與最終實際情況的誤差。有效的方式是與工藝設計人員密切配合，在滿足工藝布置的前提下，通過概念設計的方式，選取對結構分析有利的結構布置方案。

(1)宜采用多跨結構，各跨軸距不宜相差過大?？蚣芨鲗悠脚_層高不宜有相差太大，避免層間剛度突變。平面布置應盡量減少樓板開洞，框架柱在開洞位置在滿足工藝前提下盡量用梁拉結。

(2)如遇到地基土不理想的情況，應加強地基土的處理，或采取半地下結構，既降低了結構重心，又能使超挖土方質量抵消一部分結構自重。振動篩重心與支撐平臺質心應盡量靠近，減小結構的偏心。

(3)振動篩屬于結構中質量最大，振動影響最明顯的設備，應盡量降低振動篩平臺的布置高度，并與廠房主體結構脫開。盡可能把振動篩放置于對結構最有利的位置，應布置在主梁中軸線上，宜布置在承重墻、柱及梁支座附近，不應放在懸臂梁上，且使振動篩振動方向沿結構剛度強軸方向布置。

3 工程概況

某項目篩分廠房的布置圖如圖1和圖2所示?？拐鹪O防烈度為7°(0.1 g)，設計地震分組為第一組。篩分廠房為2跨，跨度分別為9.5 m、18 m。附跨9.5 m，內部布置配電室、辦公室、皮帶輸送系統(tǒng)及皮帶給礦機等設備。主跨18 m，內部設置篩分框架，13.5 m標高平臺布置有兩臺振動篩，物料由26 m篩上皮帶系統(tǒng)和22.7 m皮帶給礦機輸送至13.5 m標高處振動篩，由振動篩篩分處理后，輸送至地面皮帶廊，并運輸至下一個工段。振動篩框架采用混凝土結構，與廠房主體脫開布置，單獨進行結構設計。

圖1 廠房平面圖

圖2 廠房剖面圖

振動篩的設備參數(shù):振動篩帶料后質量為88 t,設備的轉速為850 r/m，運轉頻率14 Hz，篩分面積118 m2。振動篩下接儲料倉，13.5 m標高樓板開洞切斷了框架梁，只有局部樓板，結構整體性較差。

4 水平振動整體結構分析

前期方案階段，振動篩支撐框架先后共討論了三個結構方案。方案一：混凝土框架結構，具體如圖3所示，為滿足工藝設備吊裝通行，結構采取了抽柱處理，柱距采用7.95 m，4.75 m。方案二：框架- 短肢剪力墻結構，具體如圖4所示，為加強振動篩強軸結構剛度，在滿足設備通行的前提下布置了局部剪力墻，并適當開洞。方案三：框架- 鋼結構，具體如圖5所示，經與工藝人員溝通，調整3.5 m和8.5 m設備布置，柱距采用4.15 m，3.80 m，4.75 m，并在層間加設HW200 mm×200 mm鋼支撐加強結構剛度。

圖3 混凝土框架結構

圖4 框架- 短肢剪力墻結構

圖5 框架- 鋼支撐結構

廠房的水平整體振動跟結構的剛度有關，可通過建立整體三維模型進行有限元分析，框架式基礎宜采用多自由度空間力學模型分析。用有限元軟件SAP2000分別進行建模，具體如圖6至圖8所示。在建模時不但要考慮設備重量的影響，還需要考慮設備運行時物料重量和物料沖擊產生的動荷載。通過3種結構方案分別進行建模分析，并對結構的自振周期和頻率進行對比分析，結果見表1。

表1 各方案模態(tài)周期及頻率

圖6 混凝土框架計算模型

圖7 框架- 短肢剪力墻計算模型

圖8 框架- 鋼支撐計算模型

對比以上分析結果可知：增設短肢剪力墻和增設鋼支撐后，結構自振頻率均有明顯變化，其中增設短肢剪力墻后，結構沿設備振動強軸方向(Y向)固有頻率提高了67.8%。減小柱距，增設鋼支撐后，Y向固有頻率提高了77.1%。增設短肢剪力墻和減小柱距、增設鋼支撐均可以有效增強結構的側向剛度，改善結構的水平振動。綜合考慮工藝布置及結構的合理性，本項目最終選擇減小柱距，增設鋼支撐的結構形式。

5 平臺板豎向振動結構分析

13.5 m標高處樓板是振動篩支撐平臺，樓板開洞面積較大，平臺剛度不足。為判斷支撐平臺是否與振動設備發(fā)生共振，可選取本層平臺進行模態(tài)分析。柱可以作為主梁的剛性支座，鋼筋混凝土樓蓋的阻尼比可取0.05。用有限元軟件SAP2000進行建模，梁單元采用線單元模擬，板單元采用殼單元模擬，結構平面布置圖及計算模型如圖8、圖9所示，通過調整梁高，主梁梁高400 mm×1 200 mm,次梁梁高350 mm×1 000 mm。模態(tài)分析結果見表2。

表2 13.5 m樓板模態(tài)周期及頻率

圖9 13.5 m樓板計算模型

圖10 13.5 m樓板計算模型

模態(tài)分析結果如下，平臺以豎向彎曲振動為主，模型的前三階自振頻率分別為16.219 Hz、17.772 Hz、18.684 Hz，均超出振動篩運轉頻率14 Hz，避免啟停階段設備自振頻率穿越樓板固有頻率引發(fā)的共振。一般可以采取調整主次梁梁高，增設次梁，修改板厚等改變平臺剛度，從而改變平臺結構自振頻率，其中修改支撐梁截面對平臺剛度的改變最明顯。

6 結論

篩分廠房振動問題的關鍵是避免設備振動與承重結構的共振作用。在結構體系選擇上要合理布置承重體系，增強結構整體剛度，減小結構的水平振動。對樓層豎向的振動效應的控制，可通過調整平臺梁截面改變平臺結構自振頻率，保證結構自振頻率超出設備自振頻率，避免結構產生共振。