周正為

摘 要：本文通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)皮帶機(jī)廊道工程實(shí)例，敘述鋼結(jié)構(gòu)廊道和皮帶機(jī)設(shè)備產(chǎn)生共振的問(wèn)題，分析產(chǎn)生該問(wèn)題的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；皮帶機(jī)廊道；共振

帶式輸送機(jī)以一條無(wú)端的輸送帶環(huán)繞驅(qū)動(dòng)滾筒和改向滾筒，兩滾筒之間的上下分支各以若干托輥支承，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，振動(dòng)頻率很高。一方面，由于輸送帶的物理特性，其自身可能產(chǎn)生共振問(wèn)題；另一方面，鋼結(jié)構(gòu)廊道是以固定支架作為不動(dòng)點(diǎn)，沿輸送帶方向設(shè)置多個(gè)單片支架，組成的一種結(jié)構(gòu)體系，安裝方便，經(jīng)濟(jì)適用，在工程中應(yīng)用廣泛。鋼結(jié)構(gòu)通廊屬于柔性結(jié)構(gòu)體系，能充分利用鋼材的材料特性，具有自身剛度偏小，固有振動(dòng)頻率偏高的特點(diǎn)。因此，正常使用狀態(tài)下，帶式輸送機(jī)和鋼結(jié)構(gòu)廊道的振動(dòng)頻率可能存在交集，也會(huì)產(chǎn)生共振問(wèn)題。

1 帶式輸送機(jī)自身產(chǎn)生共振問(wèn)題

托輥管體材料的不均勻性及托輥在加工和裝配過(guò)程中不可避免的誤差，使得托輥偏心振動(dòng)，轉(zhuǎn)速越高，托輥的振動(dòng)頻率也越高。當(dāng)其振動(dòng)頻率與輸送帶的自由振動(dòng)頻率相等時(shí)，將產(chǎn)生共振，導(dǎo)致輸送帶跑偏、托輥及機(jī)身?yè)p壞，甚至?xí)斐晒こ淌鹿?，?yán)重影響輸送機(jī)的正常運(yùn)行。隨著帶式輸送機(jī)向高帶速、長(zhǎng)距離、大運(yùn)量方向發(fā)展，共振發(fā)生的可能性越來(lái)越大，共振造成的危害也大大增加。

輸送帶是各向異性材料構(gòu)成，其橫向與縱向特性差異很大，在橫向的振動(dòng)過(guò)程中，主要是縱向材料在起作用，故可以將輸送帶的構(gòu)成簡(jiǎn)化為單純的彈性體，使得分析模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化。輸送帶沿機(jī)身被托輥組分成若干個(gè)小段，任取兩托輥組間的一段，托輥組間距為l，邊界條件是在兩托輥組處的振幅為0，輸送帶第i階的固有頻率為：ρ——輸送帶的線密度； T——任意段內(nèi)輸送帶張力

（1.1）

由上式可見(jiàn)，輸送帶在初始條件下可產(chǎn)生各種頻率的振動(dòng)，最低的振動(dòng)為基頻，因此，設(shè)計(jì)中需要令托輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速度f(wàn)R≤輸送帶的基頻ω0即可滿足要求。

為避免輸送帶共振，一方面可以增大托輥直徑，減小帶速，這樣可以有效降低托輥轉(zhuǎn)速；另一方面，可以通過(guò)適當(dāng)增大輸送機(jī)張力，減小輸送帶單位質(zhì)量，減小托輥間距等方法增大輸送帶基頻。然而，增大托輥直徑和減小托輥間距會(huì)增加材料用量，減小帶速和減小輸送帶質(zhì)量會(huì)造成工程運(yùn)輸量的不飽和，每個(gè)項(xiàng)目都有其自身特征，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)力的平衡，使方案達(dá)到最優(yōu)。

2 帶式輸送機(jī)和鋼結(jié)構(gòu)廊道產(chǎn)生共振問(wèn)題

和鋼結(jié)構(gòu)廠房不同，鋼結(jié)構(gòu)廊道的結(jié)構(gòu)體系以輕柔為主，豎向荷載由縱向梁傳至固定支架及單片支架，沿輸送機(jī)方向的地震荷載由固定支架承擔(dān)，垂直輸送機(jī)方向的風(fēng)荷載由該方向的單片支架承擔(dān)。由于運(yùn)輸方面的限制，通常縱梁按簡(jiǎn)支設(shè)計(jì)，其固有頻率為見(jiàn)下式。

（1.2）

簡(jiǎn)支梁的剛度很小，因此其固有自振頻率也很小，和帶式輸送機(jī)的振動(dòng)頻率相同時(shí)，便產(chǎn)生共振現(xiàn)象。由于輸送帶的振型為弦形振型，人站在走道處可以明顯感到周而復(fù)始的振動(dòng)效果。由式1.2可知，若要增大鋼結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以增大梁高或增大梁寬。增大梁高可以有效提高剛度，但是受限于抗震規(guī)范高厚比構(gòu)造要求，增大梁高的同時(shí)需要增加腹板厚或者增加加勁肋，結(jié)果梁的質(zhì)量m也會(huì)增加，頻率的增加并不明顯。增大梁寬對(duì)剛度的貢獻(xiàn)不大，還會(huì)造成較大的鋼材浪費(fèi)。因此，鋼結(jié)構(gòu)廊道的固有自振頻率并不是產(chǎn)生共振問(wèn)題的主要因素。

筆者認(rèn)為，產(chǎn)生這種共振現(xiàn)象的主導(dǎo)因素分為兩種：一種是輸送帶的振動(dòng)頻率，另一種是托輥鋼支架的局部振動(dòng)頻率。橫向托輥鋼支架分為上下兩根，一般采用型鋼和豎向托輥支架連接。由于輸送帶的帶寬不同，當(dāng)帶寬較大而橫向托輥支架剛度很小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部振動(dòng)現(xiàn)象，剛度越小。振幅越大，這種局部振動(dòng)有時(shí)會(huì)成為輸送帶的主要振動(dòng)頻率，在物料粘性高時(shí)尤其明顯。

為了避免這種局部振動(dòng)的情況發(fā)生，需要采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。首先，對(duì)于帶寬大于2.4m的輸送帶，橫向托輥的跨度很大，可以加大橫向托輥的剛度。其次，可以在橫向托輥之間加設(shè)水平支撐，水平支撐可以使用圓鋼，建議按拉桿設(shè)計(jì)，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)最大限度節(jié)省鋼材。最后，可以考慮在支座處安裝粘滯阻尼器作為消能減振裝置，減少振動(dòng)給行人帶來(lái)的影響。這種方法是從舒適度方面著眼，在國(guó)內(nèi)外許多項(xiàng)目中有所應(yīng)用，但并不能解決共振給整個(gè)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的危害。

3 處理共振問(wèn)題的思考

第一，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）3.1.2條和6.1.1條，承重結(jié)構(gòu)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，正常使用極限狀態(tài)包括影響正常使用的振動(dòng)問(wèn)題。直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n等于或大于5x104次時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。當(dāng)產(chǎn)生共振的構(gòu)件振幅過(guò)大時(shí)，即使結(jié)構(gòu)沒(méi)有直接承受動(dòng)力荷載，該構(gòu)件也應(yīng)該考慮疲勞問(wèn)題。

第二，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的方式改變固有振動(dòng)頻率的方式并不可行，浪費(fèi)鋼材，效果也不明顯，從整體投資的角度來(lái)看不是好的解決方案。

第三，產(chǎn)生共振的原因多種多樣，應(yīng)該由工藝和結(jié)構(gòu)專業(yè)共同協(xié)作解決問(wèn)題。一方面，工藝在施工圖提資階段應(yīng)該給出設(shè)備的振動(dòng)頻率，方便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員采取相應(yīng)的措施；另一方面，結(jié)構(gòu)人員應(yīng)及時(shí)反饋信息，對(duì)設(shè)備中的個(gè)別構(gòu)件進(jìn)行微調(diào)，防止共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

當(dāng)今工程樣式多種多樣，設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)共振問(wèn)題是普遍存在的，也是經(jīng)常被忽略的。對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，保證工程質(zhì)量安全是項(xiàng)目的根本出發(fā)點(diǎn)，忽略任何一個(gè)細(xì)節(jié)都可能造成不可挽回的損失。因此，本文提出的問(wèn)題具有深入研究的價(jià)值，希望能對(duì)設(shè)計(jì)施工人員有所幫助。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：大連港口設(shè)計(jì)研究院有限公司）