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摘要：本文针对选煤厂主厂房的不良振动，进行现场测试得到了楼板的响应特点，通过建立钢框架-振动筛复合体系有限元模型，进行该复合体系的有限元分析。研究表明，9.7m层楼板振动异常是由振动筛的频率与楼板的固有频率接近引起楼板共振所致，并提出了解决方案，为类似问题提供参考。
关键词：现场测试；钢框架-振动筛复合体系；共振；有限元分析
引言随着我国经济发展进一步加快，大批钢结构厂房建成投产，新设备的添加、旧设备的升级改造以及许多大功率设备上楼安装不可避免，而许多带有动力设备的工业厂房都不同程度的出现了动力设备的振动和结构的稳定性问题，这已经严重的影响到了相关工厂的经济效益，同时也会对操作人员的身心造成一定的影响[1]，更有甚者，由于动力设备的强烈激振力引起了结构发生较为强烈的振动现象，进一步发展下去更有可能造成结构的局部破坏，严重时会整体坍塌[2]。本文针对选煤厂主厂房运行时楼板发生不良振动问题，对选煤厂主厂房9.7米层进行现场测试，并基于ANSYS有限元软件建立钢框架-振动筛复合体系有限元模型，对其进行模态分析，找出钢框架-振动筛复合体系的动力特性[3-4]，对其进行谐响应分析，分析选煤厂主厂房发生不良振动的原因，并为后续厂房的不良振动控制提供依据。
1 工程概况
该选煤厂主厂房为多层钢框架结构，建筑层高分别为4.7m、9.7m、16.7m、22.2m、27.7m，厂房正常运行时9.7米层局部楼板振动幅度较大。9.7米层动力设备主要是四台振动筛，布置区域为1-5轴与 轴间，本文主要对9.7米层的楼板进行振动测试。
2 现场测试
测试分两步进行，第一步是在选煤厂主厂房正常生产的情况下测量9.7米层楼板振动特性，第二步是单独测量单个振动筛空载运行时振动筛的振动参数。测点主要分布在梁中点、振感强烈的楼板上以及振动设备的基座处，并尽量沿直线布置，以便分析厂房楼板的振动规律。测试所用主要仪器为：GBD5911动态信号测试分析系统，磁电式加速度传感器。测点布置图如图1所示。
图1 9.7m层楼面测点布置图
2.1 现场测试结果分析
根据各测点的竖向时程曲线的幅值，绘制9.7米层各测点竖向加速度及速度幅值曲线，分别如图2、3所示，纵向测点1～6中测点3的竖向加速度及速度幅值最大，测点7～11中测点8的竖向加速度及速度幅值最大，横向测点9、13、20中测点9的竖向加速度及速度幅值最大，因此振动规律主要表现为：以309号振动筛出料口为中心，纵向楼板振动幅度向两边削弱，横向楼板振动幅值以方向减弱。
图2 9.7米层各测点竖向加速度幅值曲线
图3 9.7米层各测点竖向速度幅值曲线
根据测试第二步结果分析可知，由振动筛筛体上测点和振动筛支座与楼板接触处测点的竖向加速度幅值可知，通过减振弹簧，竖向加速度幅值下降了79%，因此，振动筛在运行的过程中，振动筛的减振弹簧工作良好；分析9.7米层测点的频谱曲线可知（以测点3为例，如图4所示），各测点的第一振动频率约为15.63Hz，与振动筛的工作频率15.83Hz相近，说明选煤厂主厂房在正常生产阶段，9.7米层楼板发生了由振动筛作用的强迫振动。
图4 测点3的频谱曲线
3 有限元分析
本文考虑钢框架选煤厂主厂房和振动筛间的相互作用，建立钢框架-振动筛复合体系有限元模型，并对复合体系进行模态分析、谐响应分析，揭示复合体系的振动特性。对振动筛做适量简化，钢框架-振动筛复合体系有限元模型如图5所示。本文对该复合模型进行了瞬态动力分析，模拟309号振动筛在空载运行的情况下，得到振动筛筛体及振动筛与楼板连接处测点的竖向加速度时程曲线，并对比现场测试的加速度时程曲线，通过对比验证了该有限元模型的可行性，限于篇幅，不再详述。
图5 钢框架-振动筛复合体系有限元模型
3.1 复合体系的模态分析
对计算结果的前300阶模态进行分析，前30阶模态的振型主要为主厂房和振动筛的刚体振型，后270阶主要表现为主厂房的模态振型以及复合体系的复合振型，部分振型图如图6所示。但9.7米层的局部区域模态并不明显，分析原因，这与选煤厂主厂房楼层较多，存在局部操作平台，并且建立了振动筛三维模型，导致整体结构的固有频率十分密集有关。为了更清楚的展现主厂房9.7米层的主振型，因此单独显示9.7米层的楼板振型图，以便观察9.7米层局部振动情况，部分振型图如图7所示。
图6复合体系部分振型图
图7 9.7米层楼板部分振型图
当自振频率在15～16Hz时，9.7米层的振动主要集中在309和310号振动筛楼板附近，这与现场测试分析结果基本一致，并且自振频率在15～16Hz之间，振动筛的工作频率与楼板自振频率接近，易引起共振。3.2 复合体系的谐响应分析通过对钢框架-振动筛复合体系进行谐响应分析，明确结构可能的共振频率，为结构的加固方案提供参考和依据。选煤厂主厂房内设备众多，而引起厂房楼板异常振动的可能原因主要是振动筛引起楼板共振所致，因此本文进行复合体系模型的谐响应分析只考虑振动筛的激振力，并且通过作用在点质量单元的简谐力代替激振器引起的激振力。
本文模拟在四台振动筛正常运行的情况下，对整个钢框架-振动筛复合体系进行在10～30Hz范围内的谐响应分析。分析复合体系中9.7米层楼板振动异常测点对应典型节点xyz方向的位移-频率曲线，见图8所示。
图8 9.7米层典型节点的位移-频率曲线
由位移-频率曲线可知，9.7米层楼板在选煤厂振动筛正常运行时主要表现为竖向振动，并且响应最大对应的频率为15Hz左右。由此判定，选煤厂主厂房9.7米层楼板的不良振动是由振动筛的工作频率与结构的固有频率接近而发生共振所致。图9为该厂房在四台振动筛正常运行时的谐响应分析竖向位移云图，该云图显示了整体结构在15Hz时各层的位移，据图分析可知，整体结构的竖向振动响应集中在9.7米层，9.7米层楼板的竖向振动更剧烈，其中309和310号振动筛附近楼板的竖向振动最为剧烈，这与现场实测结果吻合。
图9 四台振动筛正常运行时结构整体竖向位移云图
厂房减振分析
针对选煤厂主厂房9.7米层楼板振动异常问题，提出两种减振措施，一种是在振动筛支座下方增设四根H型钢柱，以减少振动筛对9.7米层楼板的振动影响，达到减振的目的；另一种是在振动筛所在层的下一层增设斜撑。通过有限元分析，这两种方法都有较好的减振效果，但增设H型钢柱的效果更好。而直接通过增设柱来减少振动筛引起的楼板不良振动，将需要移动各层的不同设备，导致施工难度大、增长了工期，而采取加斜撑减振可以有效避免这些问题，最大限度的减弱对厂房生产的影响，并且基本满足减振要求。考虑选煤厂的实际生产状况，应尽量减少对现有设备及厂房结构做较大改造及调整，缩短施工工期，减少由于减振改造期间造成的经济损失，建议采用加斜撑的方法解决该振动问题。
5 结论
本文以某钢结构选煤厂主厂房楼板不良振动为研究对象，进行了现场振动测试，并利用ANSYS有限元软件建立钢框架-振动筛复合体系进行有限元分析研究，得到以下结论：
（1）本文建立的复合体系模型进行的有限元分析所得结果与实测值吻合较好，为解决类似问题提供了一种可行的途径；
（2）考虑钢框架和振动筛相互作用的模型能体现振动筛与钢框架相互作用的振动特性；
（3）本文针对由振动筛引起楼板共振的问题，提出了相应的解决方案并分析了其有效性，为解决类似问题提供参考。
参考文献：
[1]Griffin M J.Handbook of Human Vibration［M］．London：Academic Press，1996．
[2] 王玫.选煤厂厂房结构的振动分析与计算程序[J].选煤技术，1996，（2）：41-44.
[3]文波，徐浩轩，侯聪霞，牛荻涛.考虑结构－设备相互作用的变电站主厂房系统动力特性研究[J].西安建筑科技大学学报，2012，44（5）：620-626.
[4] 冀珩.考虑设备-结构相互作用的大型变电站主厂房系统抗震性能研究[D].西安：西安建筑科技大学学位论文，2012.
论文作者:刘成
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第26期
论文发表时间:2018/2/2
标签：振动筛论文; 楼板论文; 厂房论文; 选煤论文; 厂主论文; 体系论文; 频率论文; 《建筑学研究前沿》2017年第26期论文;