本文以某骨料線項目為例,介紹了當圓振動篩放置在庫頂上時,如何考慮篩分機對擱置平面以及整個庫體的振動影響。
4個一字型連體庫,庫直徑為12m,高度為24m,庫頂為組合樓蓋,庫頂上設混凝土框架,篩分機擱置在混凝土框架上,框架柱立在筒壁上。
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圓振動篩是一種做圓形振動、多層數、高效新型的振動篩,屬于動力機器。
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當振動篩擱置在地面上時,因其振動直接傳至地基,結構專業只需按常規設計基礎大小即可;當基礎為巖面時,可考慮在基礎下面做300厚的沙石墊層,以消耗振動能量,減少振動的影響。
當振動篩擱置在結構樓面上時,振源未與廠房脫開,受設備振動的影響, 或者設備振動之間相互影響, 導致振動放大, 并傳播到結構上引起廠房結構振動, 輕者影響生產, 使結構產生裂縫,重者導致結構破壞。
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自振頻率是結構的固有特性,只與剛度和質量有關,不受外力的影響。它的定義是:當結構受到某種外界干擾后產生了受迫振動,但外界干擾消失后結構將在平衡位置附近繼續振動,這種振動稱為結構的自由振動,結構自由振動時的頻率稱為結構的自振頻率。
而振型是對應于頻率而言的,一個固有頻率對應于一個振型。按照頻率從低到高的排列,依次稱為第一階振型,第二階振型等等,指的是在該固有頻率下結構的振動形態,頻率越高則振動周期越小。
振型的定義可以用竹竿來說明:手里拿一根細長竹竿,慢悠悠來回擺動,竹竿形狀呈現為第一振型;如果你稍加大擺動頻率,竹竿形狀將呈現第二振型;如果你再加大擺動頻率,竹竿形狀將呈現第三、第四…振型。從而形象地可知:第一振型很容易出現,高頻率振型要很費力(即輸入更多能量)才能使其出現,能量輸入供應次序優先給低頻率振型。
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結構抗震分析只取前幾個振型也是這個道理,但振型的個數要保證振型參與質量要達到90%時所需的振型數。這個90%的要求就是說幾乎所有的構件的振動都已經考慮到了。
總體的思路就是結構的自振頻率避開設備的頻率。
在以前的分析設計中,因計算手段及相關條件的制約, 一般只對直接承受動力荷載的梁做振動計算, 也就是對梁的自振頻率進行設計與調整,作為直接振動梁支座的間接振動梁, 則不再做動力計算。
采用以上的簡化方法一定程度上可以有效地控制結構局部的振動問題, 但是無法提前預知整個工業廠房的振動問題, 因為不僅單根結構梁固有頻率的計算方法準確性差, 區間范圍大, 而且, 即使單根梁的計算結果準確, 而工程實際中的振動往往表現為多根梁、板的組合振動, 在設計上難以準確把握。
故比較準確的方法是使用有限元分析軟件對包括主梁、次梁和樓板為一體的整個樓蓋甚至整個廠房的動力特性進行分析計算,得到整個廠房的自振頻率,看是否能錯開設備振動的頻率。
一般地說, 若整個結構的自振頻率(有很多個,個數取決于需要計算的振型數,此處指最低的那個)低于設備的強迫振動頻率, 當設備在開啟或停機時, 隨著設備機器轉速的變換, 設備動荷載工作頻率也隨之變化, 會發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;若結構的自振頻率(同樣指最低的那個)高于設備的強迫振動頻率, 則不可能發生共振, 是比較安全的。
故在具體設計中, 根據“結構的第一頻率密集區內最低自振頻率計算值大于設備的振動頻率”這一原則來進行。
如果結構的最低自振頻率高于設備的強迫振動頻率, 這樣當然是最好的,在實際的工程中,多為高頻設備,很難避開結構的最低自振頻率,如本例中的圓篩分機,頻率為16.16Hz,而通過Midas Gen模型計算發現,結構的第一振型所對應的頻率僅為9.5 Hz,無法避開設備頻率。
這個時候無法定性判斷,只能對結構進行時程分析,進行定量的計算。
(針對Midas Gen模型)
①?結構-結構類型-將自重轉化為質量-轉換為Z。
解釋:在大多數建筑結構中,橫向動力反應遠比豎向動力反應重要。因此通常忽略質量的垂直分量。但在本文中僅需要分析樓板上的機器豎向振動,豎向動力反應為考察對象。當將計算得到的質量只轉換到全局坐標系的Z方向時,計算效率可以有效提高。此時如果選擇將自重轉換為全局坐標系X、Y、Z方向的集中質量,為了保證Z軸方向的振型參與度,在做特征值分析時需要計算相當多的振型。
步驟②中當由"節點質量" 或 "荷載轉為質量"生成質量時,該概念同樣適用。
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②?節點質量-荷載轉化質量,質量方向選擇Z。
③?荷載-時程分析數據-時程荷載工況,添加名為‘P’的時程荷載工況,分析時間可取10s,結構阻尼比可按《動力機器基礎設計規范》附錄C取0.0625,振型數量可暫取20。
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④?荷載-時程分析數據-時程荷載函數,添加名為‘P-f’的諧振荷載,此處的A為設備按頻率f反復施加給支座的作用力,可要求廠家提供。
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⑤?荷載-時程分析數據-節點動力荷載,將此動力荷載施加在篩分機支座節點上。
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⑥?運行程序,查看自振頻率、選取節點查看位移。
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在進行時程分析之后,發現和設備頻率相近的結構自振頻率所對應振動形態的節點位移值較大,后來逐步調整梁柱板的布置和截面尺寸,把振幅都控制在了允許的范圍內。
在此項目投產運行后,經過現場實際振動數據和模型理論數據的對比,發現雖然振幅理論值和實測值有偏差,但其在不同節點的大小變化趨勢是一樣的,相當于理論值等于實測值乘以一個倍數。這個倍數可能來源于模型與實際情況的出入、參數取值的誤差等。
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定量的計算過程較為繁瑣,且得出的數據不一定十分準確,要減少振動的影響,最重要的是要在結構方案和布置上做文章,從根本上杜絕設備振動對結構的影響。
工業廠房的結構方案與工藝的設備布置緊密相關, 并受到工藝設備布置的制約。在進行初步設計確定工藝方案時, 結構設計人員就應參與設備布置的討論, 結合實際情況針對不同設備提出具體的結構布置方案, 盡可能把動力設備置于對結構最有利的位置, 盡可能從布置上減輕設備振動對結構可能產生的不利影響。
具體可以從設備、結構布置采取以下措施來減少動力設備對結構的振動影響:
設備布置:
1)振動設備盡量布置在底層, 將設備基礎或支撐體系與主體結構脫開,或者采用‘軟’連接,避免直接接觸。
2)在設備上加設振子, 設備振動時振子對設備形成反方向的激振力, 達到減振目的。
3)調整設備的振動頻率或者轉向, 使其錯開結構的自振頻率, 以免發生共振,當有多臺設備共同工作時, 可使其運轉方向相互錯開, 避免在同一方向產生共振。
結構布置:
1)設備下方的梁做大或增設支撐,加大單梁的自振頻率。
2)動力設備應布置在梁上, 但不能放在懸臂梁上, 且使水平方向的慣性力沿著梁的縱向方向。
3)垂直擾力較大的設備宜布置在承重墻、柱及梁支座附近。
4)水平擾力較大的設備布置時, 其擾力方向宜與樓蓋剛度較大的方向一致。
5)支撐振動設備的框架為多跨結構時, 宜采用等跨結構。
6)振動篩不宜跨軸線, 以免篩下留孔切斷框架梁。
7)同時布置有較大振動設備或對振動敏感的設備, 宜分類集中, 分區布置, 減少相互影響。
8)在樓板開孔四周布梁,提高洞口區域剛度。