洗煤厂钢格板楼面钢框架主厂房加固设计

肖海涛

(山西约翰芬雷华能设计工程有限公司北京分公司，北京 100004)

1 工程概况

某选煤厂多层钢框架主厂房采用钢格板楼面。由于该厂房局部振动较大，2005年—2010年，业主对3.000 m 标高和7.500 m 标高进行了两次加固处理;2011年8 月因工艺改造在3.500 m 标高增加了一台离心机，7.500 m 标高增加了2 台振动筛，13.500 m 标高增加了2 台旋流器组，并对相应设备区域进行了加固，但振动问题依然存在。2012年5 月，为了彻底解决厂房振动，业主聘请相关单位对厂房的振动情况进行现场测试，决定对主厂房进行全面加固处理，彻底解决安全隐患。

2 加固设计

根据机制专业提供的设备荷载及工艺布置建立空间模型对主厂房钢结构进行了全面复核。用3D3S 及ANSYS 建模分析，通过分析计算，改造方案可确定如下:

1)经过验算，原设计基础承载力有一定富余，基础无需加固处理。2)加固方案:钢柱采用焊接角钢的方法进行加固;振动设备下的次梁全部替换为刚度较大的H 型钢;主梁采用加焊H 型钢和加设隅撑的方法加固;其余部分次梁采用贴焊钢板的方法加固。3)为加强振动区域的整体性铺设压型钢板混凝土组合楼板，楼板总厚度130 mm;非振动区域铺设5 mm 厚花纹钢板。4)加固后，放置振动设备的区域，楼面的竖向刚度和平面内刚度都得到很大改善，不会和设备发生共振，振幅控制在可以接受的范围内。5)加固后，放置振动设备的区域，楼面梁直接承受动力荷载，经疲劳验算表明:所有直接承受动力荷载的梁均不会发生疲劳破坏。

2.1 振动分析

2.1.1 结构自振特性

1)结构整体自振特性。为进行共振分析，首先需要将设备的振动频率和整体结构的自振频率进行比较。整体结构前6 阶周期如表1 所示。整体结构的基本周期为0.763 8 s，基本频率为1.309 Hz，第1 振型为Y 方向水平振型。

表1 结构整体振动特性

2)局部结构自振特性。除了和整体结构的自振频率进行比较之外，还应该对放置振动设备的区格的竖向振动频率进行计算和分析。a.3.000 m 标高局部结构自振特性。3.000 m 标高局部结构的前6 阶周期如表2 所示。3.000 m 标高局部结构的基本周期为0.146 73 s，基本频率为6.81 Hz，第1 振型为竖向振型。b.7.500 m 标高局部结构自振特性。7.500 m 标高局部结构的前6 阶周期如表3 所示。7.500 m 标高局部结构的基本周期为0.100 86 s，基本频率为9.91 Hz，第1 振型为竖向振型。c.13.500 m标高局部结构自振特性。13.500 m 标高局部结构的前6 阶周期如表4 所示。13.500 m 标高局部结构的基本周期为0.128 64 s，基本频率为7.77 Hz，第1 振型为竖向振型。

表2 3.000 m 标高局部结构振动特性

表3 7.500 m 标高局部结构振动特性

表4 13.500 m 标高局部结构振动特性

2.1.2 结构共振分析

表5 列出了各层振动设备的振动频率及其和结构自振频率的比值。离心机、振动筛和卧式脱水机都是高频振动设备，其工作频率远远高于结构的自振频率，这表明结构和设备不会发生共振。

表5 振动设备的频率及其和结构自振频率的比值

2.1.3 有限元时程分析

为了计算多自由度体系的强迫振动，本文特别选取3.000 m的某个区格进行了有限元时程分析。建模时，取出了3.000 m 标高平面的一个区格，将主次梁采用Beam44 单元模拟，楼板采用Shell63 单元模拟，将4 个角点设置为固定铰支座。离心机带料重50 kN，频率为25 Hz，荷载按简谐荷载输入。结构阻尼比取为ξ=0.02。输入25 个周期的荷载激励，可得四个加载点的时程曲线，见图1。

可以看出，加载点的最大峰值响应为0.80 mm。对7.500 m的振动筛区格和13.500 m 的卧式脱水机区格进行有限元分析，得出的响应峰值如表6 所示。可见，结构的振动响应峰值在1.0 mm 以内，是可以接受的。

图1 加载点的时程曲线

表6 振动设备时程分析响应峰值

2.2 疲劳分析

2.2.1 应力幅计算

根据振动分析报告的内容，可以得到各振动区域的振动峰值响应和各次梁的弯矩峰值响应如表7 所示。

梁在弹性阶段工作，根据弹性理论，假定已知梁的截面，可以算出梁的最大应力幅为:

表7 各振动区域的振动峰值响应和各次梁的弯矩峰值响应

所有直接承受动力荷载的次梁截面均为H650×250×10×12，其应力幅见表8。

表8 次梁应力幅

2.2.2 疲劳验算

根据GB 50017—2003 钢结构设计规范公式6.2.1-2，容许疲劳应力幅为:

其中，C 和β 均偏安全的按照第2 类构造取值。容许应力幅见表9。由表8，表9 可知，疲劳验算满足要求。

表9 容许应力幅

3 结语

振动设备是主厂房的主要设备，解决振动问题是主厂房结构设计的重点。钢框架主厂房采用钢格板楼面致使结构楼层平面内刚度很小，从而导致结构刚度整体性较差。采用钢格板楼面的钢框架因设备振动引起的结构共振并不少见。此种结构设计时应针对振动设备区域采取适当的加强措施，以加大该区域的整体刚度，减小振动对结构的影响。有效的措施包括:加大振动设备区格的梁、柱截面;楼面设置为刚度较大的混凝土组合楼板;设置水平及竖向支撑等。

［1］GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］.

［2］GB 50583—2010，选煤厂建筑结构设计规范［S］.

［3］GB 50359—2005，煤炭洗选工程设计规范［S］.

［4］张荣山.建筑结构振动计算与抗振措施［M］.北京:冶金工业出版社，2010.