吳 皓,陳必焰

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410014;2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410006)

篩分車間作為砂石加工系統(tǒng)中不可或缺的重要構(gòu)筑物,具有篩選和分級(jí)的功能.近年來,隨著砂石加工系統(tǒng)開采能力的增強(qiáng),為節(jié)省用地,系統(tǒng)采用垂直式作業(yè)工藝,篩分車間實(shí)現(xiàn)同一樓層布置多臺(tái)篩分設(shè)備、多樓層的空間布置.篩分樓內(nèi)安裝有一系列動(dòng)力設(shè)備,形成多個(gè)振動(dòng)源,產(chǎn)生一系列頻率不同的動(dòng)力荷載,使篩分樓的振動(dòng)問題十分復(fù)雜[1].目前針對(duì)多層鋼筋混凝土篩分車間的振動(dòng)問題并沒有統(tǒng)一、適用的計(jì)算方法.本文針對(duì)某大型砂石加工系統(tǒng)分級(jí)篩分車間的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)以及振動(dòng)控制進(jìn)行研究,對(duì)多層鋼筋混凝土篩分車間的動(dòng)力計(jì)算提出幾點(diǎn)思考,供類似工程設(shè)計(jì)參考.

1 工程概況

某大型砂石加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)處理能力為5000 t/h,由于場(chǎng)地狹小,工藝布置將篩分系統(tǒng)集中于篩分樓中.篩分樓支承12臺(tái)2 YKg3060 WGAT圓振動(dòng)篩、12臺(tái)3 YKQ3673－AT圓振動(dòng)篩和16條帶式輸送機(jī),沿中心線軸對(duì)稱布置.雙層篩2 YKg3060 WG－AT圓振動(dòng)篩放置在342.500 m高程的框架平臺(tái)上,三層篩3YKQ3673－AT放置在350.500 m高程的框架平臺(tái)上,和358.800 m高程用于固定除塵管和檢修設(shè)備的平臺(tái),形成三層框架結(jié)構(gòu).在篩分設(shè)備主框架外側(cè)346.600 m高程架設(shè)平臺(tái),每側(cè)放置3條帶式輸送機(jī).左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)通過339.900 m高程的帶式輸送機(jī)平臺(tái)、350.500 m高程的檢修平臺(tái)和358.800 m高程的檢修平臺(tái)進(jìn)行連接,另外365.450 m高程設(shè)置鋼平臺(tái)用于固定大溜槽和6條帶式輸送機(jī),357.2 m高程兩側(cè)設(shè)置安排檢修吊裝的32 t橋式起重機(jī).其中,主框架結(jié)構(gòu)根據(jù)工藝要求,沿設(shè)備篩分方向柱距為8 m,垂直方向柱距為7 m,第一層層高為5 m,第二層層高為8 m,第三層層高為8.3 m,框架平面尺寸、層高均超出常規(guī)砂石系統(tǒng)篩分車間建議尺寸[2],見圖1.

圖1 分級(jí)篩分車間結(jié)構(gòu)布置

2 動(dòng)力設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

目前關(guān)于有振動(dòng)作用的工業(yè)廠房的動(dòng)力計(jì)算并無統(tǒng)一的方法,且相關(guān)問題的研究文獻(xiàn)較少,通常采用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)簡(jiǎn)化的構(gòu)件進(jìn)行頻率計(jì)算,或通過有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模計(jì)算,判斷是否出現(xiàn)共振現(xiàn)象,然后計(jì)算運(yùn)行期間結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)位移,在此基礎(chǔ)上確定是否進(jìn)行構(gòu)件的疲勞計(jì)算.

2.1 結(jié)構(gòu)布置

由于框架結(jié)構(gòu)傳力路徑簡(jiǎn)單、明確,荷載通過水平結(jié)構(gòu)體系傳給豎向結(jié)構(gòu)體系,直至傳到基礎(chǔ),因此多層振動(dòng)構(gòu)筑物多采用框架結(jié)構(gòu),以抵抗振動(dòng)荷載[2].因此,本工程采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu).

根據(jù)工藝要求,本工程篩分樓內(nèi)圓振動(dòng)篩2YKg3060 WG－AT和3YKQ3673－AT沿結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱左右各1臺(tái),共4臺(tái)為1組,共6組,每組設(shè)備同時(shí)運(yùn)行,獨(dú)立檢修.單組設(shè)備框架平面尺寸為8 m×7 m,按照?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范?GB50010－2010中對(duì)露天條件下現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫的要求,最大間距為35 m,需要對(duì)本工程篩分樓進(jìn)行分縫處理.

由于本工程中有2種不同型號(hào)的圓振動(dòng)篩在正常工作時(shí)同時(shí)運(yùn)行,會(huì)同時(shí)形成多個(gè)振動(dòng)源,且頻率不同,因此計(jì)算時(shí)需要對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的振幅合成方法進(jìn)行分析.對(duì)工業(yè)廠房在多臺(tái)動(dòng)力設(shè)備的不同擾力作用下,目前沒有通用的方法計(jì)算結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的合成振幅.?建筑工程振動(dòng)手冊(cè)?[3]中對(duì)不多于4臺(tái)動(dòng)力設(shè)備時(shí),采用簡(jiǎn)單相加的方法;?動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范?GB50040－96[4]中無論頻率是否相同,都看作隨機(jī)現(xiàn)象,進(jìn)行振動(dòng)分量的合成;對(duì)于多個(gè)一諧擾力或多個(gè)二諧擾力的振動(dòng)合成,相當(dāng)于直接相加.因此,設(shè)置2條伸縮縫.同時(shí)由于該地區(qū)的地震烈度是7度(0.1 g),因此采用伸縮縫、抗震縫、沉降縫三縫合一的做法,將篩分樓分為3個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu),每個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)中一側(cè)的動(dòng)力設(shè)備控制為4臺(tái).

2.2 三維模型簡(jiǎn)化

選取一個(gè)獨(dú)立框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元方法建模,并設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算.采用三維實(shí)體單元建模,約束條件為結(jié)構(gòu)柱端定義為固端約束,板與梁為剛性連接,梁與柱也為剛性連接.采用彈性分析,符合虎克定律,彈性模量取值為32.5 GPa,泊松比取值為0.2,材料密度取值為2600 kg/m3.

篩分樓內(nèi)動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行時(shí)受載荷復(fù)雜,不僅包含動(dòng)力設(shè)備的自重及動(dòng)載荷,還需承受除塵設(shè)備的自重及臨時(shí)檢修平臺(tái)自重等荷載.由于結(jié)構(gòu)承受靜載不會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振幅,因此在動(dòng)力計(jì)算分析時(shí)僅輸入圓振動(dòng)篩產(chǎn)生的動(dòng)載荷(見圖2).

多臺(tái)振動(dòng)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí),通常存在不同相位差.通過對(duì)類似鋼筋混凝土框架篩分樓進(jìn)行敏感度分析,認(rèn)為所有設(shè)備同時(shí)開啟,保持一定相位差運(yùn)行時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最不利.因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,假定所有設(shè)備同時(shí)開啟,沿軸對(duì)稱同側(cè)的3 YKQ3673－AT圓振動(dòng)篩相位差為0°,同時(shí)與同側(cè)的2 YKg3060 WG－AT圓振動(dòng)篩相位差為180°.

2.3 動(dòng)力計(jì)算

實(shí)際工程中,工業(yè)廠房的豎向振動(dòng)問題多為廠房樓蓋的豎向振動(dòng).低頻動(dòng)力設(shè)備會(huì)引起工業(yè)廠房的水平振動(dòng)問題,中頻動(dòng)力設(shè)備會(huì)引起樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng),本工程中圓振動(dòng)篩的工作頻率為13.3,14 Hz和16.7 Hz,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),基本上不會(huì)引起廠房的水平低頻振動(dòng)問題[5].篩梁作為振動(dòng)設(shè)備直接作用的水平結(jié)構(gòu)體系,在利用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí),也需要選取關(guān)鍵點(diǎn),進(jìn)行動(dòng)位移定量計(jì)算.本工程通過有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算,以獲得結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的動(dòng)力響應(yīng)參數(shù),計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)豎向位移云圖見圖3.

圖2 動(dòng)力荷載布置

圖3 豎向位移云圖

在不同振型階數(shù)下,由有限元計(jì)算得到板在關(guān)鍵點(diǎn)處的豎向動(dòng)位移與篩梁在關(guān)鍵點(diǎn)處的豎向動(dòng)位移,見表1和表2.由表1與表2可知,當(dāng)選取振型階數(shù)為60階計(jì)算時(shí),豎向動(dòng)位移是偏于保守的.

表1 板在關(guān)鍵點(diǎn)處的豎向動(dòng)位移 /mm

表2 篩梁在關(guān)鍵點(diǎn)處的豎向動(dòng)位移/mm

2.4 有限元成果分析

?水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五卷):結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?中給出了篩分樓樓面允許振幅值如表3所示.頻率為14.17 Hz對(duì)應(yīng)850次/min;頻率為16.17 Hz對(duì)應(yīng)970次/min.

表3 板在關(guān)鍵點(diǎn)處的豎向動(dòng)位移 /mm

樓板除了在關(guān)鍵點(diǎn)處的位移達(dá)到0.1010 mm,在其余關(guān)鍵點(diǎn)處的最大豎向位移為0.0524 mm,均小于?水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五卷):結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?所建議的值.板在關(guān)鍵點(diǎn)的豎向位移超過了妨礙工作的位移限值,但是沒有超過長(zhǎng)期作用下的有害位移限值.

?水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五卷):結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?中明確指出:當(dāng)計(jì)算得出的梁跨內(nèi)最大動(dòng)位移(不計(jì)入柔性支座之動(dòng)位移)小于梁跨的1/40000時(shí),可以不進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算.由于該工程篩梁的跨度為8 m,因此當(dāng)梁跨內(nèi)的最大動(dòng)位移小于0.2 mm時(shí)可以不進(jìn)行疲勞驗(yàn)算.通過表3數(shù)據(jù),不難發(fā)現(xiàn),篩梁跨中最大位移為0.0992 mm,小于0.2 mm,因此該工程可以不進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算.

3 結(jié) 論

(1)目前關(guān)于有振動(dòng)作用的工業(yè)廠房的動(dòng)力計(jì)算并無統(tǒng)一的方法,可先對(duì)篩分樓進(jìn)行定性分析,合理選擇篩分樓結(jié)構(gòu)型式,確定計(jì)算模型,再利用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)整體和局部進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算,對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)位移進(jìn)行定量計(jì)算.

(2)多臺(tái)振動(dòng)設(shè)備的篩分車間,需考慮多個(gè)振源間的相互影響,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),可通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分縫處理減少單個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)振動(dòng)設(shè)備的臺(tái)數(shù),減弱多臺(tái)設(shè)備振動(dòng)對(duì)篩分車間結(jié)構(gòu)的不利影響.

(3)通過對(duì)多層鋼筋混凝土篩分樓動(dòng)力特性參數(shù)的有限元分析,從計(jì)算成果可預(yù)測(cè)工業(yè)廠房的振動(dòng)情況,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有利參考意見.

[1] 李小可.多層鋼筋混凝土篩分車間振動(dòng)問題的一般處理方法[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2015.

[2] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)建筑振動(dòng)專業(yè)委員會(huì).建筑振動(dòng)工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[3] 黃啟平.五強(qiáng)溪水電站人工砂石系統(tǒng)篩分樓設(shè)計(jì)體會(huì)[J].中南水電,2011,53(2):55G58.

[4]GB50040－96.動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 韓勇軍.煤炭篩分樓的振動(dòng)篩擾力結(jié)構(gòu)研究[J].煤炭與化工,2016,39(11):117G121.