大型砂石加工系統篩分樓動力分析及減振加固研究

盧有娥

(中國水利水電第九工程局有限公司,貴陽 550081)

篩分車間是人工砂石加工系統的重要構筑物,具有篩選和分級的功能。近年來,隨著砂石加工系統處理能力的增強,篩分工藝多采用垂直作業,實現了多樓層、多臺篩分設備的空間立體布置?？蚣苁胶Y分樓結構屬于柔性結構[1],多個不同相位的振動源作用于篩分樓中,在不采取彈簧隔振等特殊隔振措施的情況下,篩分樓的振動特性取決于結構梁、板、柱的布置及底層基礎與地基土的特性,使得結構體系的動力響應十分復雜。本文針對某大型砂石加工系統篩分樓進行動力分析,針對篩分樓振動過大的現象提出減振加固措施,供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 篩分樓布置

某大型砂石加工系統處理能力1 500 t/h,由于場地狹小,工藝布置中將篩分系統集中于篩分樓中。篩分樓為三層鋼筋混凝土框架結構,長30.1 m,寬13.2 m,高21.8 m,其中第一層(6.5 m層)高6.5 m,第二層(13.5 m層)高7 m,第三層(21.8 m層)高8.3 m,A軸與B軸之間布置中間隔層(10.2 m層)。篩分樓第二層與第三層樓板處布置4臺2YKR3675圓振動篩,單臺振動篩重30.1 t,振幅3.5～4.5 mm,振動頻率13.3～15 Hz,單臺振動篩4個支點處的工作動負荷與最大動負荷分別為6.5 kN和32.5 kN。篩分樓在長度方向對稱布置,并于中間斷開,縫寬100 mm。篩分樓21.8 m層與10.2 m層布置帶式輸送機。篩分樓結構布置與振動篩定位如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 篩分樓結構與設備布置(正立面)

圖2 篩分樓結構與設備布置(側立面)

圖3 13.5 m層振動篩支座布置

1.2 振動現象

某大型砂石加工系統自2019年建成投產以來,篩分樓第三層樓板振動強烈。經實測,13.5 m層振動篩支座處的最大振動速度為91 mm/s,現場操作人員明顯感覺不適。13.5 m層框架柱沿①、②、③軸方向的振動速度為19.2 mm/s,強烈的振動對結構安全產生了重大影響。

2 篩分樓結構動力分析

2.1 有限元分析模型建立

根據篩分樓結構整體布置,取篩分樓一側結構進行建模。采用SAP2000有限元分析軟件進行三維建模,梁、柱采用框架單元模擬,樓板采用薄殼單元模擬,柱底與地面剛接,不考慮地基與基礎對上部結構的影響,結構幾何模型如圖4所示。結構主要設備(振動篩、膠帶機、料倉等)的重量通過節點質量的形式添加于模型之中,結構阻尼系數取0.02。

圖4 篩分樓結構有限元模型建立

2.2 模態分析

對篩分樓模型進行模態分析,提取出模型在0～120%正常運行頻率范圍內的自振頻率和模態,篩分樓模型的模態質量參與系數如表1所示。其中,X向為沿軸平動方向,Y向為沿②軸平動方向,Z向為豎向平動方向,RX方向為繞軸方向重心軸的轉動方向,RY方向為繞②軸方向重心軸的轉動方向,RZ方向為繞豎向重心軸轉動方向。表2顯示了前三階振型以及80%～120%正常運行頻率范圍內與設備層樓板振動相關的模態信息。

表1 篩分樓模型的模態質量參與系數(一)

表2 篩分樓模型的模態質量參與系數(二)

可以看出,與設備層樓板振動相關的振型主要集中在10～18 Hz,這與振動篩的自振頻率(13.3～15 Hz)有重合區域,樓板與振動篩已發生共振現象。

2.3 強迫振動分析

根據廠家提供資料,振動篩支座處荷載動力荷載為6.5 kN,假設動力荷載以簡諧規律加載于結構之上,采用SAP2000程序中的穩態分析方法,在振動篩的工作頻率范圍內對整體結構進行強迫振動分析(不考慮啟機、停機的工況)。頻域范圍取振動篩正常運行工作頻率的80%～120%范圍,考慮到結構中6.5 m層與13.5 m層均布置2臺振動篩,各振動篩運行時各自振動相位差不同,故劃分4個工況進行綜合考慮,如表3所示。

表3 篩分樓動力分析工況

整理計算結果發現,在80%～120%工作頻率頻率范圍內,13.5 m層振動篩支座1和支座2處的最大振動位移為0.46 mm,最大振動速度為32.60 mm/s;支座3和支座4處的最大振動位移為0.21 mm,最大振動速度為14.68 mm/s?？梢钥闯?通過SAP2000進行數值模擬得出的最大振動速度(32.3 mm/s)要小于實測最大振動速度(91 mm/s),這一方面可能由于振動篩運行工況不佳,在實際運行中動負荷大于廠家提供的工作動負荷;另一方面可能是地基基礎影響了上部結構整體剛度,放大了結構在強迫振動下的振幅。

圖5給出了振動篩支座1在80%～120%工作頻率頻率范圍內的最大振動速度情況,可以看出,在10.6 Hz和15.8 Hz附近,支座1的振動速度較大,這符合篩分樓整體結構的第12和第19階振型的振動形式,說明在10.6 Hz和15.8 Hz頻域附近振動篩與篩分樓13.5 m層樓板發生了共振。

圖5 支座1在10～18 Hz頻域范圍內的最大振動速度

3 篩分樓減振研究

3.1 振動控制標準

《水利水電工程施工組織設計手冊(第五卷) : 結構設計》[2](以下簡稱《水電設計手冊》)中給出了砂石系統篩分樓樓面允許振幅值,如表4所示?，F場實測13.5 m層振動篩支座處的最大振動速度為91 mm/s,轉化振幅約為0.97 mm,遠遠超過0.17～0.19 mm的限值。與此同時,根據《建筑工程容許振動標準》[3](以下簡稱《容許振動標準》)規定,圓振動篩在時域范圍內的水平及豎向容許振動速度峰值應取10.0 mm/s,實測支座處最大振動速度為32.3 mm/s,同樣遠超標準要求。篩分樓需要進行減震加固設計。

表4 篩分樓動力分析工況

3.2 減振技術路線

建筑結構常用的減振措施包括對結構進行加固,使其具有更大的質量與剛度(如增大框架截面、增設支撐體系等),以及安裝隔振系統隔絕或減弱振動能量的傳遞(TMD減震器等)?？紤]到本砂石加工系統已實際投入生產,安裝隔振系統較困難,本次減振處理采用加固結構(增大梁柱截面或增設支撐體系)的方法。

3.3 減振分析

為增加篩分樓13.5 m層結構的豎向剛度,采用增加混凝土梁截面、增設樓層間鋼管混凝土立柱、增設混凝土斜撐等三種方式進行加固驗算。方案一將振動篩支座下設混凝土梁的截面由400×1 000增加至600×1 200;方案二在13.5 m層及頂層之間增設鋼管混凝土柱,以增加結構整體豎向剛度;方案三在13.5 m層及6.5 m層增設混凝土斜撐,并在結構底層設置豎向混凝土柱與斜撐連接。方案二和方案三的加固方案如圖6和圖7所示。采用2.3節的穩態分析方法對結構進行強迫振動分析,分別得到了三種方案振動篩支座處的振動情況,如表5所示。

表5 各加固方案振動篩支座處最大振動速度 mm·s-1

圖6 方案二:13.5 m層與頂層之間加設鋼管混凝土立柱

圖7 方案三:6.5 m層與13.5 m層加混凝土斜撐

三種方案相比,方案一加大梁截面并不能有效降低振動篩支座處的振動,方案二和方案三可以有效降低振動篩支座處的振動,且方案二的減振效果可以滿足《水電設計手冊》中的要求。與此同時,由于方案二采用的是鋼管混凝土柱的加固方式,該方案施工簡單,施工過程中無需停產停機,故推薦此方法。

4 結論

基于SAP2000有限元軟件建立振動篩動負荷作用下篩分樓的振動模型,先后對模型進行模態分析、強迫振動分析以及減振分析,得出以下結論:

(1)篩分樓設備層樓板振動振型主要集中在10～18 Hz,與振動篩的自振頻率(13.3～15 Hz)有重合區域,說明設備層樓板與振動篩發生共振現象;

(2)強迫振動分析中,振動篩支座處的最大振動位移0.46 mm,最大振動速度32.3 mm/s,小于實測最大振動速度(91 mm/s),可能是振動篩運行工況不佳以及地基基礎剛度的影響;

(3)樓層中間加設鋼管混凝土柱的方案可以有效降低振動篩支座處的振動,且該方案施工簡單,施工過程中無需停產停機,是較為有效的加固方案。