張衛(wèi)華 王渭南 申躍奎

(1．中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西西安 710054;2．西安建筑科技大學(xué)，陜西西安 710055)

輸煤棧橋是煤礦、火電廠、煤化工等行業(yè)中的主要輔助生產(chǎn)構(gòu)筑物。近些年來，隨著產(chǎn)能的增加，棧橋結(jié)構(gòu)的寬度、跨度和高度也不斷增加，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋得到了更為廣泛的應(yīng)用。但是鋼結(jié)構(gòu)棧橋質(zhì)量輕、剛度較小，當(dāng)設(shè)計不當(dāng)時輸煤皮帶在動力荷載作用下經(jīng)常會發(fā)生結(jié)構(gòu)振動的問題。這些振動不僅影響舒適度，損害人體健康，而且嚴(yán)重時會對設(shè)備及結(jié)構(gòu)安全造成影響。所以本文結(jié)合某已經(jīng)建成的具體工程，分析討論棧橋結(jié)構(gòu)的振動問題。

1 工程概況

該棧橋位于陜西省榆林市，為煤礦的輸煤棧橋，輸煤皮帶寬度為2．0 m，于2010年完工。其場地設(shè)防烈度為6度，不考慮抗震設(shè)計。如圖1所示，棧橋跨度為30．26 m，寬度為4．30 m，傾角為14°，棧橋低端為鉸接支座，高端為滑動支座。另外，鋼桁架端部設(shè)有門架，上下弦平面內(nèi)設(shè)橫梁及上下弦支撐系統(tǒng)，底板為預(yù)制槽板，頂板及兩側(cè)墻板為夾芯彩板。

煤礦建成投產(chǎn)運行后發(fā)現(xiàn)該棧橋的振動比較大，且隨著時間的推移振動有加強的趨勢，從而引起了甲方的重視，并請有關(guān)單位進行了監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼桁架的豎向自振頻率為3．8 Hz，鋼棧橋下弦跨中豎向加速度為0．325 m/s2，超出了有關(guān)振動控制的限值，為此有必要進行棧橋的動力特性分析和振動原因研究。分析時鑒于鋼桁架支座均坐落在剛度較大的四柱支架頂部，所以僅考慮鋼桁架的特性。

圖1 棧橋桁架的幾何關(guān)系

原先棧橋是由靜力分析來控制設(shè)計的，材料采用Q345鋼材?？刂聘鳁U件的強度和穩(wěn)定均滿足設(shè)計要求得到桿件的截面如圖2所示，其中除端部門架桿件為H形截面外，上弦截面為2L140×2，下弦截面為2L125×12，其余腹桿大小不等，但都是由雙角鋼組合成的T形截面。這也是進行動力分析的結(jié)構(gòu)原型。

2 結(jié)構(gòu)動力特性分析

對棧橋結(jié)構(gòu)的動力分析采用SAP2000 V14．2．4程序進行。考慮到振動特性分析最好和實際情況相近，在SAP2000的振動模態(tài)分析中，質(zhì)量源沒有采用靜力分析中的荷載，而是根據(jù)棧橋皮帶的 實際運力計算每個節(jié)點上的質(zhì)量。

圖2 棧橋結(jié)構(gòu)的截面

對于桁架的上弦節(jié)點，考慮80 mm厚夾芯板自重、上弦水平支撐和檁條的質(zhì)量、側(cè)墻板及墻檁的質(zhì)量和可能的積灰荷載，最后得到2．6 m間距的節(jié)點質(zhì)量為331．4 kg。對于桁架的下弦節(jié)點，考慮180 mm厚預(yù)制槽形板自重、下弦水平支撐的質(zhì)量、側(cè)墻的質(zhì)量、皮帶自重及煤自重，最后得到2．6 m間距的節(jié)點質(zhì)量為1 988．0 kg。這樣得到桁架的質(zhì)量輸入如圖3所示，其中桁架的桿件質(zhì)量可由單元自行計算。

建立模型時鋼材采用線彈性模型，材料密度7．85×10 kg/m，彈性模量 E=2．0 ×105N/mm2，剪切模量 G=7．69 ×104N/mm2，泊松比 0．30。

不考慮桁架墻板的蒙皮效應(yīng)分析上述模型，得到桁架的前4階振型如圖4所示，前8階的自振周期如表1所示。其中第一階振型的頻率為3．16 Hz，與實測得到的豎向振動頻率3．8 Hz接近。當(dāng)考慮棧橋墻板、頂?shù)装宓拿善ぷ饔脮r，結(jié)構(gòu)的剛度增大，周期變短頻率增大。若考慮其影響系數(shù)為1．2，則結(jié)構(gòu)的第一振型對應(yīng)的頻率為 1．2 ×3．16=3．89 Hz，與實測資料非常接近。

圖3 模型的質(zhì)量輸入

圖4 棧橋的振型

3 棧橋振動原因

結(jié)合棧橋的實際運營進行分析，引起棧橋振動的因素有風(fēng)荷載和帶式輸送機設(shè)備的振動等，主要的振動來源為輸送機設(shè)備正常運行時物料、皮帶對托輥的沖擊荷載和托輥轉(zhuǎn)動時偏心荷載，其次還有膠帶跑偏和受料沖擊引起的結(jié)構(gòu)振動等。其中托輥的偏心激振力、膠帶彎曲變形及物料不均引起的豎向激振力必須進行考慮。

結(jié)合本皮帶的設(shè)計參數(shù)，托輥直徑190 mm，皮帶運行速度2．5 m/s，則托輥的偏心激振力頻率為:

這和結(jié)構(gòu)實測得到的振動頻率相近，可見是引起結(jié)構(gòu)振動的主要原因。這也說明棧橋設(shè)計時需要考慮皮帶的傳輸速度和托輥直徑之間的關(guān)系，進行棧橋的動力特性比較，否則會引起桁架的較大振動，影響工作人員的舒適度和結(jié)構(gòu)的安全。

假定負載時皮帶沿縱向在托輥之間呈三角函數(shù)形狀，那么棧橋受到的物料不均勻引起的激振頻率可以結(jié)合托輥的間距和皮帶速度來確定，這里托輥間距為1．0 m，皮帶運行速度為2．5 m/s，則物料不均勻引起的激振力頻率為:

可見物料的不均勻引起的激振力不是本棧橋振動的主要原因。但是如果皮帶的速度提高到4 m/s時，物料不均勻的激振頻率會達到4 Hz，將會引起棧橋的激烈振動。這也說明了棧橋設(shè)計時需要考慮皮帶速度和托輥間距之間的關(guān)系，否則皮帶上物料不均勻會導(dǎo)致棧橋的較大振動。

4 減振措施

通過上面的分析可見，對于本棧橋振動問題，首先可以通過調(diào)整皮帶的傳輸速度，使得托輥偏心和物料不均勻引起的激振力頻率避開結(jié)構(gòu)自振頻率從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振。除此以外還可以通過結(jié)構(gòu)的上下弦的加固，改變結(jié)構(gòu)的剛度，從而改變結(jié)構(gòu)的自振頻率實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振。當(dāng)然對于新設(shè)計的棧橋，只需要調(diào)整結(jié)構(gòu)的斷面大小，即剛度大小就可以改變結(jié)構(gòu)頻率從而達到減振的目的。

表1 結(jié)構(gòu)的自振周期與頻率

5 結(jié)語

本文研究了棧橋結(jié)構(gòu)振動的內(nèi)在機理，認為對于大跨棧橋結(jié)構(gòu)必須進行結(jié)構(gòu)振動方面的分析設(shè)計。結(jié)構(gòu)的自振特性、托輥的偏心荷載激勵和物料不均勻引起的豎向激勵是棧橋振動的內(nèi)在原因。設(shè)計時需要結(jié)合工藝參數(shù)進行動力研究從而避免結(jié)構(gòu)的強烈振動，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全。