沈 超，李大華，劉 億，宛新林，張海龍

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

臨渙選煤廠(chǎng)煤炭篩分廠(chǎng)房振動(dòng)檢測(cè)與分析

沈 超，李大華，劉 億，宛新林，張海龍

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

為保證臨渙選煤廠(chǎng)煤炭篩分廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)安全，在對(duì)廠(chǎng)房振源判斷、自振檢測(cè)、強(qiáng)迫振動(dòng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，分析共振原因。研究結(jié)果表明：篩分機(jī)產(chǎn)生的撓力是使設(shè)備下方的梁板產(chǎn)生共振的原因，設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的干擾頻率與梁板豎向自振第1模態(tài)頻率接近，而直接承受恒載與撓力的次梁剛度較小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)增強(qiáng)。為此，應(yīng)采取有效措施加強(qiáng)次梁和樓板的剛度。

框架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)共振；動(dòng)態(tài)檢測(cè)

振動(dòng)設(shè)備上樓早已成為一種設(shè)計(jì)形式，隨著煤炭篩分向著精細(xì)化進(jìn)一步發(fā)展，更多的動(dòng)力設(shè)備需要安裝在不同的樓層上，從而滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的需求，這使得廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。同一樓層內(nèi)不同類(lèi)別、不同型號(hào)的振動(dòng)設(shè)備，對(duì)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撓力差異很大，再加上樓板開(kāi)洞、豎向輸料管道跨樓層聯(lián)通及跨軸線(xiàn)吊車(chē)梁等輔助設(shè)備安裝的影響，機(jī)械與結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的原因更復(fù)雜，檢測(cè)難度更大。因此，對(duì)大型振動(dòng)設(shè)備工業(yè)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)安全的共振檢測(cè)仍是一個(gè)重要的研究課題。

國(guó)外關(guān)于建筑共振問(wèn)題的研究開(kāi)展較早，1988年瑞典建筑研究委員會(huì)發(fā)布了樓板振動(dòng)設(shè)計(jì)指南，對(duì)計(jì)算樓板自振頻率的公式做了初步總結(jié)[1]；1990年加拿大根據(jù)其國(guó)內(nèi)七十年代的一系列研究工作，對(duì)木制樓板的振動(dòng)設(shè)計(jì)要求制定了相關(guān)規(guī)范[2-3]；1997年Murray研究了建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題，提出了樓板振動(dòng)加速度限值標(biāo)準(zhǔn)[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)建筑共振問(wèn)題也進(jìn)行了大量研究，2003年王國(guó)硯等通過(guò)簡(jiǎn)化工業(yè)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)特性模擬計(jì)算與分析，討論了機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)引起樓面振動(dòng)的一些計(jì)算方法；郅倫海等[5]的研究說(shuō)明，將工業(yè)廠(chǎng)房?jī)?nèi)動(dòng)力設(shè)備的基礎(chǔ)或支架與廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)主體分開(kāi)，可以獲得理想的減振效果；杜銳[6]的研究表明：當(dāng)振動(dòng)篩安裝在相鄰軸線(xiàn)內(nèi)時(shí)，樓板的動(dòng)力響應(yīng)最大，豎直方向與水平方向的振幅存在顯著差異；薛剛等[7]通過(guò)對(duì)工業(yè)廠(chǎng)房?jī)?nèi)振動(dòng)篩的運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)獲得了其振動(dòng)加速度和頻率，據(jù)此對(duì)樓板共振原因進(jìn)行了分析，為結(jié)構(gòu)的加固減振提供了科學(xué)依據(jù)。

為保證臨渙選煤廠(chǎng)煤炭篩分廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)安全，基于對(duì)廠(chǎng)房振源判斷、自振檢測(cè)、強(qiáng)迫振動(dòng)檢測(cè)，分析結(jié)構(gòu)共振原因，為廠(chǎng)房減振加固方案的制定提供理論支持。

1 工程概況

臨渙選煤廠(chǎng)煤炭篩分廠(chǎng)房為鋼筋混凝土(C35)框架結(jié)構(gòu)，共有四個(gè)結(jié)構(gòu)層，頂層局部含有躍層。建筑高度為31.1 m，廠(chǎng)房縱向長(zhǎng)度為92.0 m，橫向長(zhǎng)度為44.0 m?？蚣苤叽鐬?00 mm×700 mm，主梁尺寸為350 mm×900 mm，次梁尺寸為300 mm×400 mm，現(xiàn)澆混凝土樓板厚度為180 mm。

廠(chǎng)房?jī)?nèi)的大型動(dòng)力設(shè)備(包括破碎機(jī)組、篩分機(jī)組)均位于第四層(圖1)，第二、三層安裝有電磁分離設(shè)備。樓內(nèi)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，廠(chǎng)房樓板、門(mén)窗均會(huì)產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)，并伴有外墻皮脫落，下料斗處、抗震縫周?chē)炷灵_(kāi)裂的現(xiàn)象。另外，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于機(jī)械與結(jié)構(gòu)共振的原因，生產(chǎn)人員常出現(xiàn)身體不適的癥狀。

為解決廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)共振問(wèn)題帶來(lái)的一系列危害，該選煤廠(chǎng)曾將其中一臺(tái)篩分機(jī)的鋼制螺旋彈簧減震系統(tǒng)更換成了橡膠減震墊，但樓板振動(dòng)現(xiàn)象并沒(méi)有得到明顯改善。通過(guò)對(duì)大型煤炭篩分廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)與機(jī)械共振問(wèn)題的研究，提出了快速、高效的共振問(wèn)題動(dòng)態(tài)檢測(cè)方案。

圖1 第四層設(shè)備布置平面簡(jiǎn)圖

2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)方案

為快速、有效地檢測(cè)出結(jié)構(gòu)的自振頻率和不同動(dòng)力荷載下的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，采用DZQ48/24/12型高分辨地震儀作為檢測(cè)儀器。利用儀器的脈動(dòng)測(cè)量功能進(jìn)行點(diǎn)位的加速度譜采集，并通過(guò)可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置的數(shù)字濾波器(高低帶通濾波器)將加速度譜轉(zhuǎn)換為頻譜。

2.1 振源判斷

該廠(chǎng)房?jī)?nèi)第二、三層均為電磁分離設(shè)備和轉(zhuǎn)速較小的攪拌設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撓力較小，不可能是引起結(jié)構(gòu)明顯振動(dòng)的振源。觀察發(fā)現(xiàn)，穿過(guò)樓板的豎向輸送管道處樓板振動(dòng)較為明顯，初步判斷，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振源位于安裝有破碎機(jī)組、篩分機(jī)組的第四層。另外，廠(chǎng)房?jī)?nèi)跨抗震縫的吊車(chē)梁、鋼結(jié)構(gòu)工作平臺(tái)的安裝，強(qiáng)化了振動(dòng)波的傳播。

第四層共有8臺(tái)破碎機(jī)，每4臺(tái)為一個(gè)機(jī)組，兩個(gè)機(jī)組的設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反(圖1中箭頭所示)；篩分機(jī)共有12臺(tái)，每4臺(tái)為一個(gè)機(jī)組，3個(gè)機(jī)組的設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)方向完全一致(圖1中箭頭所示)。為了快速、準(zhǔn)確的判斷廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)振動(dòng)原因，按照由軸1至軸26的方向?qū)嵤﹦?dòng)態(tài)檢測(cè)。檢測(cè)點(diǎn)位分別為框架角結(jié)點(diǎn)、縱橫梁跨中部、樓層樓板的平面幾何中心點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)得到某一點(diǎn)位的加速度時(shí)程曲線(xiàn)后，將其轉(zhuǎn)換為頻域譜，暫不進(jìn)行濾波處理。

由動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在全部機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，結(jié)構(gòu)基頻為14.8 Hz，遠(yuǎn)高于廠(chǎng)房自振基頻3.9 Hz(圖2)；軸5至軸12的點(diǎn)位頻域譜中，隨機(jī)干擾頻率較多(圖3)，但越接近篩分機(jī)組的點(diǎn)位，隨機(jī)干擾頻率越少，其周?chē)狞c(diǎn)位出現(xiàn)了沒(méi)有干擾頻率的理想頻譜圖(圖4)；在測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位向篩分機(jī)不斷接近的過(guò)程中，采樣信號(hào)最大幅值的量級(jí)由e+003 mV變?yōu)閑+005 mV(圖3、圖4)。由此判斷，篩分機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響較大，該分析為后續(xù)的自振頻率和不同工況下的強(qiáng)迫振動(dòng)檢測(cè)方案的布置奠定了基礎(chǔ)。

圖2 結(jié)構(gòu)基頻檢測(cè)結(jié)果

圖3 軸5至軸12的點(diǎn)位頻域譜

圖4 理想頻譜圖

2.2 自振檢測(cè)

在全部機(jī)組停機(jī)后，進(jìn)行廠(chǎng)房自振特性檢測(cè)。檢測(cè)點(diǎn)位和內(nèi)容包括：框架結(jié)構(gòu)梁柱結(jié)點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向自振特性檢測(cè)，篩分機(jī)周?chē)牧骸蹇缰衂向自振特性檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 具體點(diǎn)位布置示意圖

1#點(diǎn)位于減振支座下的鋼筋混凝土基礎(chǔ)上，即位于次梁上；2#點(diǎn)位于設(shè)備下方的縱向框架梁上；3#點(diǎn)位于橫向框架梁跨上；4#點(diǎn)位于鋼結(jié)構(gòu)工作平臺(tái)上，具體為兩電機(jī)中間位置。將檢測(cè)到的加速度時(shí)程曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成頻域譜后進(jìn)行濾波處理，獲得的結(jié)構(gòu)基頻為3.9 Hz。

2.3 強(qiáng)迫振動(dòng)檢測(cè)

根據(jù)機(jī)組的分布情況，將其分為三組分別測(cè)量其加速度脈動(dòng)。第一組只運(yùn)行篩分機(jī)1號(hào)機(jī)組，第二組運(yùn)行篩分機(jī)1、2號(hào)機(jī)組，第三組運(yùn)行全部篩分機(jī)組。點(diǎn)位布置包括設(shè)備周?chē)c(diǎn)(圖5)、該層框架角結(jié)點(diǎn)、部分梁柱結(jié)點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)構(gòu)在上述情況下梁、板豎向(Z向)和梁柱角結(jié)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線(xiàn)。檢測(cè)結(jié)果顯示：在三種情況下，點(diǎn)位Z向振動(dòng)頻率分別為14.9、14.7、14.8 Hz，即結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率基本一致，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)與設(shè)備運(yùn)行數(shù)量和布置位置無(wú)關(guān)。

3 共振原因分析

3.1 有限元模型的建立

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，采用Midas有限元軟件建模，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行深入分析，以便找出振動(dòng)原因。由于安裝在廠(chǎng)房上的生產(chǎn)輔助設(shè)備較多，建模時(shí)需要進(jìn)行如下簡(jiǎn)化[8]：對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響較大的設(shè)備簡(jiǎn)化為實(shí)體塊體重量，忽略懸掛在樓板下的輕型吊車(chē)鋼梁、輸料管道對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。計(jì)算模型包括篩分機(jī)下的框架梁、次梁、樓板(圖6)，結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算選用Lanczos法，并提取結(jié)構(gòu)的前6階振型(表1)。

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

模態(tài)頻率/Hz振型第1模態(tài)14.1平彎耦合第2模態(tài)16.4平彎耦合第3模態(tài)24.3平彎耦合第4模態(tài)25.2平彎扭耦合第5模態(tài)27.2平彎扭耦合第6模態(tài)33.7平彎扭耦合

3.2 仿真分析

結(jié)構(gòu)的自振基頻為3.9 Hz，篩分機(jī)的撓力方向均為豎直向下，且頻率均遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的基頻，因此，僅對(duì)樓板豎直方向的振動(dòng)進(jìn)行分析。對(duì)比不同情況時(shí)的強(qiáng)迫振動(dòng)結(jié)果可知：篩分機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)的干擾頻率(14.7～14.9 Hz)與結(jié)構(gòu)自振的第1模態(tài)(圖7)頻率14.1 Hz接近，因此引發(fā)了篩分機(jī)與樓板的平彎耦合振動(dòng)。直接承受恒載和撓力的次梁的剛度與框架梁剛度相差較大，自振振幅也較大，這使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)增大。根據(jù)GB 50583—2010《選煤廠(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，選煤廠(chǎng)常用的動(dòng)力設(shè)備工作頻率分為三類(lèi)[9]：轉(zhuǎn)速小于400 r/min的為低頻類(lèi)，轉(zhuǎn)速在400～2 000 r/min的為中頻類(lèi)，轉(zhuǎn)速大于2 000 r/min的為高頻類(lèi)。相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明[10]：多數(shù)選煤廠(chǎng)廠(chǎng)房梁板的豎向自振頻率一般處于9～26 Hz頻段內(nèi)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速為540～1 560 r/min的動(dòng)力設(shè)備。根據(jù)廠(chǎng)家提供的資料，臨渙選煤廠(chǎng)篩分機(jī)的自振頻率為900 r/min，其自振頻率處于9～26 Hz頻段內(nèi)，這與仿真分析和檢測(cè)結(jié)果所得頻率吻合。

圖7 結(jié)構(gòu)自振第1模態(tài)

4 結(jié)論

(1)對(duì)結(jié)構(gòu)振源的初步判斷發(fā)現(xiàn)，引起振動(dòng)的振源位于安裝有破碎機(jī)組、篩分機(jī)組的第四層，其中篩分機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響較大；結(jié)構(gòu)基頻為3.9 Hz，各點(diǎn)位Z向振動(dòng)頻率分別為14.9、14.7、14.8 Hz，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)與設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量和布置位置無(wú)關(guān)。

(2)篩分機(jī)產(chǎn)生的撓力是使設(shè)備下方梁板產(chǎn)生共振的原因，設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的干擾頻率與梁板豎向自振第1模態(tài)頻率接近，而直接承受恒載與撓力的次梁剛度與框架梁剛度相差較大，從而使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)增加。

(3)就檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，更換設(shè)備減震系統(tǒng)的措施并不能使振動(dòng)的劇烈程度降低，為保證廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)采取有效措施增強(qiáng)次梁和樓板的剛度。

[1] International Organization for Standardization. ISO 2631-2. Evaluation of human exposure to whole-body vibration-Part 2: Continuous and shock-induced vibration in buildings[S].

[2] Housner G W. Structural control: past, present, future[J]. Engrg Meeh ASCE, 1997, 123(9):897-971.

[3] Song T T. An overview of active and hybrid structural control research in the U. S.the strcu. dyn[J]. Design of Tall Buildings, 1993, 2(1): 192-209.

[4] I Yoshida, H Kurose, S Fukui, et al. Parameter identification on active control of a structural model [J]. Smart Mater Struct, 1995, 4(1A): 82-90.

[5] 郅倫海，毛 巍．某多層廠(chǎng)房的振動(dòng)測(cè)試及分析[J]．國(guó)外建材科技，2005，26(6)：44-46.

[6] 杜 銳.某多層工業(yè)廠(chǎng)房樓板振動(dòng)測(cè)試與分析[J]．施工技術(shù)，2010，39(3)：66-69．

[7] 薛 剛，王 龍，王喜君．某工業(yè)廠(chǎng)房振動(dòng)篩平臺(tái)振動(dòng)測(cè)試與分析[J]．施工技術(shù)，2014(S1)：196-198．

[8] 李丕寧，彭文立.某廠(chǎng)房振動(dòng)耦合分析及結(jié)構(gòu)加固[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010(2):77-80.

[9] GB 50583—2010 選煤廠(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10] 高紅珍.選煤廠(chǎng)主廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的振動(dòng)荷載問(wèn)題[J].煤炭工程,2003(5):26-27.

Vibration detection and analysis of coal screening plant in Linhuan coal preparation plant

SHEN Chao, LI Da-hua, LIU Yi, WAN Xin-lin, ZHANG Hai-long

(Civil engineering school, Anhui Jianzhu University, Hefei, Anhui 230022,China)

In order to ensure the structure of coal re-screening plant in Linhua coal preparation plant, the reason of resonance is analyzed by deciding vibration source, detecting natural vibration and forced vibration. The results show that resonance of beam-plate under equipment is caused by flexural stress from screens, what's more, interfering frequency to structure of the plant , caused by equipment, is close to first modal frequency generated by vertical natural vibration of beam-plate, however, smaller rigidity of secondary beam directly supporting horizontal load and flexural stress, will increase dynamic response of the structure. For this reason, measures should be taken to strengthen rigidity of secondary beam and floor.

frame structure; structure resonance; dynamic detection

1001-3571(2015)05-0024-04

TD921+.3 ；TU311.3

A

2015-08-09

10.16447/j.cnki.cpt.2015.05.006

安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2012Z048)

沈 超(1989—)，男，河南省開(kāi)封市人，碩士研究生，從事工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代施工技術(shù)研究。

E-mail: shenchaode369@foxmail.com Tel: 18326189295