陶繼波， 耿 璐， 崔小雄， 黃斯拜

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

篩分廠房普遍應(yīng)用于礦山工程中，隨著篩分技術(shù)的發(fā)展，振動(dòng)篩設(shè)備日益大型化，由篩分設(shè)備所產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題日益受到重視。篩分設(shè)備的振動(dòng)，不僅引起噪音污染，并會(huì)通過(guò)支座傳導(dǎo)到廠房平臺(tái)上，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全造成影響。振動(dòng)設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要分為兩類：廠房的水平振動(dòng)、廠房樓板的豎向振動(dòng)[1]。輕則會(huì)引起操作者的不適，重則使結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

篩分廠房一般采用多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，由于篩分設(shè)備的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，雖然篩分設(shè)備在支座處均設(shè)置有減震措施，對(duì)結(jié)構(gòu)造成的振動(dòng)并不能完全避免。為防止篩分框架對(duì)周圍建筑的影響，往往將篩分框架基礎(chǔ)與周圍建筑基礎(chǔ)之間脫開(kāi)處理，并用柔性材料嵌縫處理。篩分設(shè)備及配套設(shè)備布置在各層平臺(tái)上，框架各層平臺(tái)根據(jù)工藝布置要求在開(kāi)洞，往往對(duì)結(jié)構(gòu)平臺(tái)梁柱的結(jié)構(gòu)布置造成不利影響。故對(duì)篩分廠房的設(shè)計(jì)，需要結(jié)構(gòu)與工藝專業(yè)設(shè)計(jì)人員緊密配合，從設(shè)備布置、結(jié)構(gòu)方案和計(jì)算方法等方面進(jìn)行綜合考慮，將振動(dòng)的影響控制在結(jié)構(gòu)安全的范圍內(nèi)。

2 結(jié)構(gòu)布置原則

對(duì)篩分廠房振動(dòng)問(wèn)題的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅要考慮結(jié)構(gòu)的承載力和變形滿足規(guī)范要求，更重要的是要避免振動(dòng)篩的振動(dòng)與設(shè)備支承結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，保證設(shè)備振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響在可接受范圍內(nèi)。主要有二種途徑：一是調(diào)整機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率；二是改變結(jié)構(gòu)的自振頻率[2]。調(diào)整機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率一般可采取在振動(dòng)篩上加設(shè)反向振子，增設(shè)隔振墊，調(diào)整設(shè)備振動(dòng)方向等措施，此部分屬于設(shè)備廠家考慮的范疇，本文主要討論在給定設(shè)備廠家資料的情況下，振動(dòng)篩自振頻率已確定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

結(jié)構(gòu)的自振頻率主要取決于結(jié)構(gòu)的剛度，對(duì)篩分平臺(tái)樓板而言，若結(jié)構(gòu)的自振頻率低于設(shè)備的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，當(dāng)設(shè)備在開(kāi)啟或停機(jī)時(shí)，會(huì)發(fā)生設(shè)備動(dòng)荷載工作頻率穿越結(jié)構(gòu)自振頻率從而產(chǎn)生穿越共振；當(dāng)結(jié)構(gòu)中的自振頻率高于設(shè)備中的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，結(jié)果就會(huì)偏于安全。一般情況下，支撐構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的固有頻率應(yīng)與激振器轉(zhuǎn)速不同，支撐梁的固有頻率高于激振器的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)階段可通過(guò)增加支撐梁高度，增加次梁，增加板厚調(diào)整支撐樓板的自振頻率。

在設(shè)計(jì)方案的確定階段，由于篩分廠房設(shè)備布置的復(fù)雜多變，工藝方案布置的制約，樓板開(kāi)洞位置，柱距布置方式，各層層高均存在很大變數(shù)。想通過(guò)精確地結(jié)構(gòu)計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能，既沒(méi)有充足時(shí)間也不能保證結(jié)構(gòu)模型與最終實(shí)際情況的誤差。有效的方式是與工藝設(shè)計(jì)人員密切配合，在滿足工藝布置的前提下，通過(guò)概念設(shè)計(jì)的方式，選取對(duì)結(jié)構(gòu)分析有利的結(jié)構(gòu)布置方案。

(1)宜采用多跨結(jié)構(gòu)，各跨軸距不宜相差過(guò)大?？蚣芨鲗悠脚_(tái)層高不宜有相差太大，避免層間剛度突變。平面布置應(yīng)盡量減少樓板開(kāi)洞，框架柱在開(kāi)洞位置在滿足工藝前提下盡量用梁拉結(jié)。

(2)如遇到地基土不理想的情況，應(yīng)加強(qiáng)地基土的處理，或采取半地下結(jié)構(gòu)，既降低了結(jié)構(gòu)重心，又能使超挖土方質(zhì)量抵消一部分結(jié)構(gòu)自重。振動(dòng)篩重心與支撐平臺(tái)質(zhì)心應(yīng)盡量靠近，減小結(jié)構(gòu)的偏心。

(3)振動(dòng)篩屬于結(jié)構(gòu)中質(zhì)量最大，振動(dòng)影響最明顯的設(shè)備，應(yīng)盡量降低振動(dòng)篩平臺(tái)的布置高度，并與廠房主體結(jié)構(gòu)脫開(kāi)。盡可能把振動(dòng)篩放置于對(duì)結(jié)構(gòu)最有利的位置，應(yīng)布置在主梁中軸線上，宜布置在承重墻、柱及梁支座附近，不應(yīng)放在懸臂梁上，且使振動(dòng)篩振動(dòng)方向沿結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)軸方向布置。

3 工程概況

某項(xiàng)目篩分廠房的布置圖如圖1和圖2所示?？拐鹪O(shè)防烈度為7°(0.1 g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。篩分廠房為2跨，跨度分別為9.5 m、18 m。附跨9.5 m，內(nèi)部布置配電室、辦公室、皮帶輸送系統(tǒng)及皮帶給礦機(jī)等設(shè)備。主跨18 m，內(nèi)部設(shè)置篩分框架，13.5 m標(biāo)高平臺(tái)布置有兩臺(tái)振動(dòng)篩，物料由26 m篩上皮帶系統(tǒng)和22.7 m皮帶給礦機(jī)輸送至13.5 m標(biāo)高處振動(dòng)篩，由振動(dòng)篩篩分處理后，輸送至地面皮帶廊，并運(yùn)輸至下一個(gè)工段。振動(dòng)篩框架采用混凝土結(jié)構(gòu)，與廠房主體脫開(kāi)布置，單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 廠房平面圖

圖2 廠房剖面圖

振動(dòng)篩的設(shè)備參數(shù):振動(dòng)篩帶料后質(zhì)量為88 t,設(shè)備的轉(zhuǎn)速為850 r/m，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率14 Hz，篩分面積118 m2。振動(dòng)篩下接儲(chǔ)料倉(cāng)，13.5 m標(biāo)高樓板開(kāi)洞切斷了框架梁，只有局部樓板，結(jié)構(gòu)整體性較差。

4 水平振動(dòng)整體結(jié)構(gòu)分析

前期方案階段，振動(dòng)篩支撐框架先后共討論了三個(gè)結(jié)構(gòu)方案。方案一：混凝土框架結(jié)構(gòu)，具體如圖3所示，為滿足工藝設(shè)備吊裝通行，結(jié)構(gòu)采取了抽柱處理，柱距采用7.95 m，4.75 m。方案二：框架- 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，具體如圖4所示，為加強(qiáng)振動(dòng)篩強(qiáng)軸結(jié)構(gòu)剛度，在滿足設(shè)備通行的前提下布置了局部剪力墻，并適當(dāng)開(kāi)洞。方案三：框架- 鋼結(jié)構(gòu)，具體如圖5所示，經(jīng)與工藝人員溝通，調(diào)整3.5 m和8.5 m設(shè)備布置，柱距采用4.15 m，3.80 m，4.75 m，并在層間加設(shè)HW200 mm×200 mm鋼支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。

圖3 混凝土框架結(jié)構(gòu)

圖4 框架- 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

圖5 框架- 鋼支撐結(jié)構(gòu)

廠房的水平整體振動(dòng)跟結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)，可通過(guò)建立整體三維模型進(jìn)行有限元分析，框架式基礎(chǔ)宜采用多自由度空間力學(xué)模型分析。用有限元軟件SAP2000分別進(jìn)行建模，具體如圖6至圖8所示。在建模時(shí)不但要考慮設(shè)備重量的影響，還需要考慮設(shè)備運(yùn)行時(shí)物料重量和物料沖擊產(chǎn)生的動(dòng)荷載。通過(guò)3種結(jié)構(gòu)方案分別進(jìn)行建模分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)的自振周期和頻率進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各方案模態(tài)周期及頻率

圖6 混凝土框架計(jì)算模型

圖7 框架- 短肢剪力墻計(jì)算模型

圖8 框架- 鋼支撐計(jì)算模型

對(duì)比以上分析結(jié)果可知：增設(shè)短肢剪力墻和增設(shè)鋼支撐后，結(jié)構(gòu)自振頻率均有明顯變化，其中增設(shè)短肢剪力墻后，結(jié)構(gòu)沿設(shè)備振動(dòng)強(qiáng)軸方向(Y向)固有頻率提高了67.8%。減小柱距，增設(shè)鋼支撐后，Y向固有頻率提高了77.1%。增設(shè)短肢剪力墻和減小柱距、增設(shè)鋼支撐均可以有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，改善結(jié)構(gòu)的水平振動(dòng)。綜合考慮工藝布置及結(jié)構(gòu)的合理性，本項(xiàng)目最終選擇減小柱距，增設(shè)鋼支撐的結(jié)構(gòu)形式。

5 平臺(tái)板豎向振動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

13.5 m標(biāo)高處樓板是振動(dòng)篩支撐平臺(tái)，樓板開(kāi)洞面積較大，平臺(tái)剛度不足。為判斷支撐平臺(tái)是否與振動(dòng)設(shè)備發(fā)生共振，可選取本層平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析。柱可以作為主梁的剛性支座，鋼筋混凝土樓蓋的阻尼比可取0.05。用有限元軟件SAP2000進(jìn)行建模，梁?jiǎn)卧捎镁€單元模擬，板單元采用殼單元模擬，結(jié)構(gòu)平面布置圖及計(jì)算模型如圖8、圖9所示，通過(guò)調(diào)整梁高，主梁梁高400 mm×1 200 mm,次梁梁高350 mm×1 000 mm。模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 13.5 m樓板模態(tài)周期及頻率

圖9 13.5 m樓板計(jì)算模型

圖10 13.5 m樓板計(jì)算模型

模態(tài)分析結(jié)果如下，平臺(tái)以豎向彎曲振動(dòng)為主，模型的前三階自振頻率分別為16.219 Hz、17.772 Hz、18.684 Hz，均超出振動(dòng)篩運(yùn)轉(zhuǎn)頻率14 Hz，避免啟停階段設(shè)備自振頻率穿越樓板固有頻率引發(fā)的共振。一般可以采取調(diào)整主次梁梁高，增設(shè)次梁，修改板厚等改變平臺(tái)剛度，從而改變平臺(tái)結(jié)構(gòu)自振頻率，其中修改支撐梁截面對(duì)平臺(tái)剛度的改變最明顯。

6 結(jié)論

篩分廠房振動(dòng)問(wèn)題的關(guān)鍵是避免設(shè)備振動(dòng)與承重結(jié)構(gòu)的共振作用。在結(jié)構(gòu)體系選擇上要合理布置承重體系，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度，減小結(jié)構(gòu)的水平振動(dòng)。對(duì)樓層豎向的振動(dòng)效應(yīng)的控制，可通過(guò)調(diào)整平臺(tái)梁截面改變平臺(tái)結(jié)構(gòu)自振頻率，保證結(jié)構(gòu)自振頻率超出設(shè)備自振頻率，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。