水泥厂动力设备基础分析方法步骤探讨

Analyzing Methods and Steps of Cement Plant Power Equipment Foundation

李红雨

水泥厂动力设备基础分析方法步骤探讨

Analyzing Methods and Steps of Cement Plant Power Equipment Foundation

李红雨

1 绪论

动力设备基础（辊磨、管磨、风机、碎碎、窑墩等）在水泥厂的结构形式中占有重要的位置，从数量及工程量上都占有相当大的比例，其设计的优劣及工程量的优化与否会直接影响工程建设的好坏及造价的高低。目前国内在动力基础的设计上虽已做过大量的研究并形成了较为成熟的设计经验，对于部分类型动力基础的研究已形成一套经验性的总结，并已在实践中大量应用，也证明其完全适用于工程，但因动力设备基础的动力计算相当复杂，其设计计算还停留在较为粗旷的经验及静力计算方法上，缺少严格的动力分析过程。随着涉及项目的增多，国外的咨询公司通常要求提供大型动力设备基础的有限元振动分析计算以确保结构的安全性，以往遇到这种情况时多采用外包方式进行，费用高昂且进度难以控制，因此符合合同要求的国外主流规范（欧洲规范、美国规范）及满足设备运行需要的大型动力设备基础的有限元分析计算越来越为设计所需要。

目前国内对动力基础的研究大部分建立在已有经验及国内相关规范（动力机器基础设计规范）的基础上，设计通常缺少严格的动力分析过程。国外设计人员对此的研究相对较成熟，但是由于其所用软件的不适用性以及项目中各种基础形式的多样性，系统性较差，不利于指导设计，也容易让设计者产生困惑。如何按照相关规范及设备的指标要求进行动力基础的有限元振动分析计算，是目前急需解决的重要问题。本文以此为研究目的，尝试以经验为支撑，以国外规范（欧/美国动力基础规范）为理论依据，以有限元分析软件为载体，以国外工程设计实例为参考，找寻一套水泥厂各型动力设备基础在各种地基条件下（处于浅层土中、桩基等）依照相关的规范（欧规及美规）及规定进行有限元动力基础分析的行之有效的方法步骤。

2 动力设备基础分析步骤

对于水泥厂的各型动力设备基础，整体而言，虽然其设备的运行各具自身特点，且其静力计算及动力计算各有特殊性，但其分析步骤基本一致，概括来讲共分六步。

2.1 设备及基础所处位置地质条件等相关资料的收集

设备及基础所处位置地质条件等相关资料收集，主要涉及以下几项:

（1）设备的型号、运转的速度/临界转速、功率、规格及轮廓尺寸图等；

（2）设备底座外廓图、辅助设备、与机器基础连接的有关管道和坑、沟、孔、洞的尺寸以及灌浆层厚度、地脚螺栓、预埋件的位置等；

（3）设备（扰体）的自重及重心位置；

（4）设备的荷载分布图，包括动力荷载在内的所有荷载大小、方向、作用点；

（5）设备运转期间不同区域的温度分布；

（6）正常运转时设备支撑点的允许位移；

（7）基础的位置及其邻近建筑物的基础图；

（8）建筑场地的地质勘察资料及地基动力试验资料或地基土动力参数；

根据设备资料及地质条件进行基础预设计（可根据经验确定，如配重要求，外形要求等），并进行静力计算复核，需满足地基承载力要求、偏心率控制要求等，并可通过静力计算得出基础配筋。关于非杆式结构的配筋目前有以下两种方法：

a内力配筋法：对于较简单的结构形体或易于计算内力的结构可采用内力配筋法，即由拟静法来计算结构受力从而得出配筋,并考虑在受力薄弱处或应力集中处采用增加构造配筋的方式实现；

b主拉应力法:对于较复杂的结构，可采用弹性力学分析方法，参照《水工混凝土结构设计规范》给出的原则，利用有限元的应力计算结果，进行配筋计算。

关于基础的静力计算，推荐采用清楚明确易于调整的表格化方式进行：

（1）首先求得预设计下基础的几何参数，举例如下（见表1）；

（2）用EXCEL表格分别求得各荷载工况（风、地震、设备恒载、基础自重、活载等）标准值下相对于基础形心的基础受力状况；

（3）根据相应荷载组合采用EX⁃CEL表格进行地基承载能力（正常使用极限状态）计算；

（4）根据相应荷载组合采用EX⁃CEL表格进行承载能力极限状态计算;

（5）根据以上结果进行配筋及构造等设计。

在静力计算时需要考虑设备运行的各种工作状态（安装、测试、维修、正常运转、异常运行等），因此涉及诸多荷载组合，按设备的运行状态分列如下：

（1）安装状态：

恒载+安装荷载；

恒载+安装荷载+折减的风荷载+雪、冰或雨荷载；

恒载+安装荷载+地震作用+雪、冰或雨荷载。

（2）测试状态：

恒载+测试荷载；

表1 截面几何参数表

恒载+测试荷载+活荷载+雪、冰或雨荷载；

恒载+测试荷载+折减的风荷载+雪、冰或雨荷载。

（3）维修状态：

恒载+维修荷载+活荷载+雪、冰或雨荷载。

（4）正常运转状态：

恒载；

恒载+温度作用+设备运转荷载+活荷载+风荷载+雪、冰或雨荷载；

恒载+温度作用+设备运转荷载+地震作用+风荷载+雪、冰或雨荷载。

（5）异常运行状态：

恒载+设备异常运转荷载+活荷载+折减的风荷载；

注：通常安装及测试短时间状态下，在荷载组合中可采用折减的风荷载，在安装状态可采用80%的风载，在测试状态可采用33%的风载。

对于以上荷载组合应根据正常使用极限状态、承载能力极限状态及各国规范对于荷载类别的相关要求，取用相应的分项系数及组合值系数。

2.2 预设计基础有限元模型的建立

2.2.1 几何模型的输入

采用实体单元输入，单元的大小应根据实体尺寸合理控制，单元的划分应简单、有规律，转角及应力集中处、加载点处应引起注意。

对于分析模型的建立目前有两种方法：其一，在分析软件中直接建立并剖分单元从而建立有限元模型；其二，在考虑基础几何尺寸规则性的基础上，在CAD中分别绘制有代表性的剖面，并合理划分单元，继而再导入分析软件中进行拉伸剖分等工作，并最终组装为整体模型。考虑到各设备基础外形的复杂性，在分析软件中直接建立并进行网格的划分有一定的困难，推荐采用第二种CAD导入模式，以期快速准确完成几何模型的建立。

2.2.2 边界条件的合理输入

荷载通过动力设备传到基础，继而再传导到大地上或通过桩传导到大地上，可见作为基础的载体桩/土（边界条件）作用影响甚大，是我们进行有限元分析中必不可少的一环。边界条件的设置是否合理，模拟是否准确，直接影响到基础的动力，反映计算结果的准确及结构的安全与否，对于此边界条件主要涉及浅基础及深基础的水平及竖直方向（有时也涉及到扭转向）的弹簧支承刚度及阻尼大小（应根据相关深度范围土的测试参数进行准确计算或范围计算，并考虑施工因素、构造措施等合理选取适值输入），值得注意的是，边界条件应与实际情况一致，如考虑了隔振措施的辊磨基础周边，其支承弹簧刚度及阻尼应予以忽略。

为了能准确获得基础的边界条件，在进行地质勘测时，基础影响深度范围内的以下土的动力参数是需要测定以供分析计算时采用的：

（1）各土层的剪切模量G；

（2）各土层的泊松比u；

（3）各土层波速Vs；

（4）各土层的内摩擦角φ；

（5）各土层的摩擦系数μ；

（6）各土层的质量密度ρ。

关于基础影响深度，在动荷载作用下，由于地基土的受压面积随深度增加而增大，因此作用在单位面积上的动应力也随深度增加而减小，土层的动变位亦随之减小，一般在深度2d以上的土层可以不考虑动应力的影响。中国《动力机器基础设计规范》给出的其影响深度hd推荐如下：

方形基础：

式中：

hd——影响深度，m

d——方形基础的边长，m

其他形状的基础：

式中：

A——基础底面积，m2

2.2.3 荷载的输入

其中包括静力荷载及动力（扰力）荷载（相关的动力荷载，通常模拟为简谐波荷载），荷载加载时间的选取应根据实际情况（如周期数、时间长度、基础的反映、计算结果等）合理选取。

图1 频率比f0/fm、阻力对基础振幅的影响

2.3 有限元程序的计算（动力计算）

程序的计算时间及精度同有限元网格的划分有很大的关系，在保证精度的原则下，网格大小的划分可以0.5～2.0m为基本单元进行，可根据基础的几何尺寸的大小确定相协调的基本网格的大小，在应力集中处及受力点处网格的划分应引起注意，应能保证力流的有效传递。

2.4 计算结果的读取

有限元动力分析计算完毕，分别提取下列计算结果以供采用：

（1）自振频率f及周期T的读取；

（2）最不利点振动线位移时程曲线及基础最大振动线位移Af；

（3）最不利点振动速度时程曲线及基础最大振动速度Vf；

（4）最不利点振动加速度时程曲线及基础最大振动加速度αf。

2.5 根据计算结果参照限值要求得出结论

结构的周期是否能避开共振区，基础的位移、加速度、速度是否在规范及设备要求的允许范围内，即Af≤[A]、Vf≤[V]、αf≤[α]，如各方面计算结果均满足，则设计可行，如不满足，根据计算结果重新调整设计再次进行新的循环直到满足要求为止。当然，如结构初次计算满足各要求并有较大的安全度，则可根据计算结果进行设计优化。

图2 莱歇磨振幅限值表

图3 美国规范（ACI_351.3R-04）振幅限值表格

通常我们应控制基础的自振频率fo避开设备的运转频率fm，以避免共振的发生，对此，通常限定基础的自振频率fo远离设备的运转频率fm20%～33%甚或50%，如果周期频率能很好地隔离，大部分情况下可不再做后续的评估工作，如果有共振的风险（频率比fo/fm、阻尼对基础振幅的影响见图1所示），应调整基础尺寸，或在条件允许情况下调整设备的运转，并进行更加精准的结构受力计算，在计算时应有意折减阻尼的作用以评估基础是否足够安全。

关于各种限值的规定有以下几个来源：设备资料、规范、经验、咨询公司的要求。举例如下：设备资料可由设备制造商提供，如莱歇磨提供了限值表供分析计算复核时采用（图2）。对于规范的要求，目前国际上主流的规范对于动力基础有明确限值要求，应用较广且方便的振幅限值表格为美国规范（ACI_351.3R-04），如图3所示。在无准确资料可用时可根据我们的经验或者是由审批公司提出要求。

3 结语

动力设备基础的分析涉及设备、基础和地基三大方面，涉及内容相当广泛，其分析过程不是一蹴而就的，有时要经过反复多次调整再计算，不过经过以上分析步骤的总结其系统分析是有规律可循的，按此分析可最大程度地保证设计安全及做到合理的工程优化。

[1]GB50040-96，动力机器基础设计规范[S].北京：中国计划出版社，1996.

[2]351.3R-04，Foundations for Dynamic Equipment ACI[S].

[3]BS EN1991-3，Actions induced by cranes and Machinery[S]，2006.

[4]Assessment Scales ofmechanical vibrations caused by LOESCHEmills Q915516-00-4 en.■

TU278

A

1001-6171（2015）06-0039-04

天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；

2015-03-16；编辑：赵莲