某筛分楼钢筋混凝土结构的振动分析

唐宏欣，李兵强

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.鞍钢集团矿业设计研究院有限公司，辽宁 鞍山 114004)

在现代社会的生产和生活中，建筑工程的振动问题越来越引起人们的重视，振动过大，会危害建筑的安全，影响机器设备的正常工作、仪器仪表的测量精度、工作人员的身体健康，还会对环境造成污染[1]。尤其是工业建筑内的大型振动设备较多，设备振动会引起厂房结构的连带振动，过大的结构振动将危害厂房结构的安全性和耐久性[2-3]。

某建材有限公司年产1000万吨骨料生产线工程筛分楼，长38m，宽16.04m，高24.5m，结构形式为钢筋混凝土框架结构；主要平台为标高6m、11m、16.2m平台，振动筛位于标高6m、11m平台，每层各6台振动筛。该振动筛处理能力为500t/h，振动频率为750RPM，荷重为16t/台，由于平台振动严重，导致梁板损坏，为了结构安全，同时为了减小振动，现采用有限元程序对原结构进行动力分析，计算平台的振型与频率，为结构设计及改进提供参考。

1 动力学仿真计算

1.1 模型的简化

选取一个独立框架结构进行有限元方法建模，并设置相关参数进行计算[4]。由于筛分楼结构和设备布置复杂、结构材料性能及施工质量等因素的影响，采用有限元软件很难精确模拟实际结构，因此建立计算模型时需进行一定的简化。计算模型简化的基本原则为：遵循模型结构与原型结构的基本特性和受力状况相近的原则，并达到模型结构能比较真实地反映结构的实际受力状况和振动特性的效果。

筛分楼整体结构为框架结构体系，梁柱支撑采用框架单元模拟，平台布置图如图1所示。钢筋混凝土结构通常假定“楼板在平面内刚度无穷大，在平面外刚度为零”，可通过指定节点隔板束缚来实现这一假定。但对于平面布置不规则、楼板开洞较大的结构，刚性楼板假定会导致较大的计算误差，因此建立计算模型时应考虑楼板的实际刚度。另外通过现场照片可以看出，墙面围护材料为单层压型钢板，因此忽略墙体对结构的刚度影响；同时由于缺乏胶带机通廊相关资料，因此建模时不考虑通廊对结构抗侧移刚度的增强作用。

图1 平台布置图(单位：mm)

结构动力分析采用SAP2000有限元软件三维框架单元进行建模[5]。筛分楼的柱、梁、板均采用C30混凝土，加固构件拟采用型钢，定义混凝土和钢材的材料属性均为线弹性、各向同性。筛分楼结构平面布置不规则，结构构件(尤其梁)的截面尺寸繁多，柱网布置见图2所示。

图2 柱网平面布置图(单位：mm)

采用框架单元模拟梁、柱；采用厚壳单元模拟楼板，不考虑非结构构件(填充墙、附属钢平台及钢楼梯等)的影响，初步建立的结构模型如图3所示。

图3 筛分楼结构模型

1.2 模态分析结果

使用有限元程序的模态分析功能对计算模型进行模态分析。由于本筛分楼为框架结构，分析方法选择特征向量法，截取前200阶振型，限于篇幅，仅在表1中列出计算模型的前20阶模态参数。

表1 前20阶振型模态参数

图4～图9为部分所对应的阵型图。

图4 1阶振型

图5 2阶振型

图6 3阶振型

图7 9阶振型

图8 14阶振型

图9 36阶振型

2 结果讨论与分析

依据表1模态分析结果，对筛分楼动力特性作进一步分析，可得出以下结论。

(1)模态分析时截取前200阶振型，X、Y、Z向累计质量参与系数分别为1、1、0.9，振型截取数量满足高规要求。

(2)结构第1阶振型以Y向平动为主(图4)，Y向的质量参与系数为0.63；第2阶振型以X向平动为主(图5)，X向的质量参与系数为0.61；第3阶振型以绕Z轴扭转为主(图6)，绕Z轴的质量参与系数为0.65，但扭转中带有一定的平动属性，Y向质量参与系数0.13。虽然结构Y向柱列多于X向，但由于Y向柱、梁截面偏小，使得Y向刚度反而小于X向，所以，原结构设计中柱、梁截面的选取不太合理。

(3)结构低阶振型以X向、Y向平动和绕Z轴扭转为主。到第50阶振型时，X向、Y向和绕Z轴的累计质量参与系数已达到100%；而Z向的累计质量参与系数才达到42%。在前50阶振型中，Z向质量参与较多的是第9、14、36阶振型，其中第9、14阶振型主要为屋面(标高24.5m)梁、板的竖向振动(图7、图8)；第36阶振型为标高6m平台梁、板的竖向振动(图9)。

3 结论

对某筛分楼进行了模态仿真计算，结合前200阶模态频率和阵型来看，尽管该筛分楼结构Y向柱列多于X向，但由于Y向柱、梁截面偏小，导致Y向刚度比X向刚度小，平台振动严重，引起梁板损坏。因此可以得出原结构设计中柱、梁截面的选取不合理，需要修改结构尺寸。