大型砂石加工系统筛分楼动力分析及减振加固研究

卢有娥

(中国水利水电第九工程局有限公司,贵阳 550081)

筛分车间是人工砂石加工系统的重要构筑物,具有筛选和分级的功能。近年来,随着砂石加工系统处理能力的增强,筛分工艺多采用垂直作业,实现了多楼层、多台筛分设备的空间立体布置。框架式筛分楼结构属于柔性结构[1],多个不同相位的振动源作用于筛分楼中,在不采取弹簧隔振等特殊隔振措施的情况下,筛分楼的振动特性取决于结构梁、板、柱的布置及底层基础与地基土的特性,使得结构体系的动力响应十分复杂。本文针对某大型砂石加工系统筛分楼进行动力分析,针对筛分楼振动过大的现象提出减振加固措施,供类似工程参考。

1 工程概况

1.1 筛分楼布置

某大型砂石加工系统处理能力1 500 t/h,由于场地狭小,工艺布置中将筛分系统集中于筛分楼中。筛分楼为三层钢筋混凝土框架结构,长30.1 m,宽13.2 m,高21.8 m,其中第一层(6.5 m层)高6.5 m,第二层(13.5 m层)高7 m,第三层(21.8 m层)高8.3 m,A轴与B轴之间布置中间隔层(10.2 m层)。筛分楼第二层与第三层楼板处布置4台2YKR3675圆振动筛,单台振动筛重30.1 t,振幅3.5～4.5 mm,振动频率13.3～15 Hz,单台振动筛4个支点处的工作动负荷与最大动负荷分别为6.5 kN和32.5 kN。筛分楼在长度方向对称布置,并于中间断开,缝宽100 mm。筛分楼21.8 m层与10.2 m层布置带式输送机。筛分楼结构布置与振动筛定位如图1、图2和图3所示。

图1 筛分楼结构与设备布置(正立面)

图2 筛分楼结构与设备布置(侧立面)

图3 13.5 m层振动筛支座布置

1.2 振动现象

某大型砂石加工系统自2019年建成投产以来,筛分楼第三层楼板振动强烈。经实测,13.5 m层振动筛支座处的最大振动速度为91 mm/s,现场操作人员明显感觉不适。13.5 m层框架柱沿①、②、③轴方向的振动速度为19.2 mm/s,强烈的振动对结构安全产生了重大影响。

2 筛分楼结构动力分析

2.1 有限元分析模型建立

根据筛分楼结构整体布置,取筛分楼一侧结构进行建模。采用SAP2000有限元分析软件进行三维建模,梁、柱采用框架单元模拟,楼板采用薄壳单元模拟,柱底与地面刚接,不考虑地基与基础对上部结构的影响,结构几何模型如图4所示。结构主要设备(振动筛、胶带机、料仓等)的重量通过节点质量的形式添加于模型之中,结构阻尼系数取0.02。

图4 筛分楼结构有限元模型建立

2.2 模态分析

对筛分楼模型进行模态分析,提取出模型在0～120%正常运行频率范围内的自振频率和模态,筛分楼模型的模态质量参与系数如表1所示。其中,X向为沿轴平动方向,Y向为沿②轴平动方向,Z向为竖向平动方向,RX方向为绕轴方向重心轴的转动方向,RY方向为绕②轴方向重心轴的转动方向,RZ方向为绕竖向重心轴转动方向。表2显示了前三阶振型以及80%～120%正常运行频率范围内与设备层楼板振动相关的模态信息。

表1 筛分楼模型的模态质量参与系数(一)

表2 筛分楼模型的模态质量参与系数(二)

可以看出,与设备层楼板振动相关的振型主要集中在10～18 Hz,这与振动筛的自振频率(13.3～15 Hz)有重合区域,楼板与振动筛已发生共振现象。

2.3 强迫振动分析

根据厂家提供资料,振动筛支座处荷载动力荷载为6.5 kN,假设动力荷载以简谐规律加载于结构之上,采用SAP2000程序中的稳态分析方法,在振动筛的工作频率范围内对整体结构进行强迫振动分析(不考虑启机、停机的工况)。频域范围取振动筛正常运行工作频率的80%～120%范围,考虑到结构中6.5 m层与13.5 m层均布置2台振动筛,各振动筛运行时各自振动相位差不同,故划分4个工况进行综合考虑,如表3所示。

表3 筛分楼动力分析工况

整理计算结果发现,在80%～120%工作频率频率范围内,13.5 m层振动筛支座1和支座2处的最大振动位移为0.46 mm,最大振动速度为32.60 mm/s;支座3和支座4处的最大振动位移为0.21 mm,最大振动速度为14.68 mm/s。可以看出,通过SAP2000进行数值模拟得出的最大振动速度(32.3 mm/s)要小于实测最大振动速度(91 mm/s),这一方面可能由于振动筛运行工况不佳,在实际运行中动负荷大于厂家提供的工作动负荷;另一方面可能是地基基础影响了上部结构整体刚度,放大了结构在强迫振动下的振幅。

图5给出了振动筛支座1在80%～120%工作频率频率范围内的最大振动速度情况,可以看出,在10.6 Hz和15.8 Hz附近,支座1的振动速度较大,这符合筛分楼整体结构的第12和第19阶振型的振动形式,说明在10.6 Hz和15.8 Hz频域附近振动筛与筛分楼13.5 m层楼板发生了共振。

图5 支座1在10～18 Hz频域范围内的最大振动速度

3 筛分楼减振研究

3.1 振动控制标准

《水利水电工程施工组织设计手册(第五卷) : 结构设计》[2](以下简称《水电设计手册》)中给出了砂石系统筛分楼楼面允许振幅值,如表4所示。现场实测13.5 m层振动筛支座处的最大振动速度为91 mm/s,转化振幅约为0.97 mm,远远超过0.17～0.19 mm的限值。与此同时,根据《建筑工程容许振动标准》[3](以下简称《容许振动标准》)规定,圆振动筛在时域范围内的水平及竖向容许振动速度峰值应取10.0 mm/s,实测支座处最大振动速度为32.3 mm/s,同样远超标准要求。筛分楼需要进行减震加固设计。

表4 筛分楼动力分析工况

3.2 减振技术路线

建筑结构常用的减振措施包括对结构进行加固,使其具有更大的质量与刚度(如增大框架截面、增设支撑体系等),以及安装隔振系统隔绝或减弱振动能量的传递(TMD减震器等)。考虑到本砂石加工系统已实际投入生产,安装隔振系统较困难,本次减振处理采用加固结构(增大梁柱截面或增设支撑体系)的方法。

3.3 减振分析

为增加筛分楼13.5 m层结构的竖向刚度,采用增加混凝土梁截面、增设楼层间钢管混凝土立柱、增设混凝土斜撑等三种方式进行加固验算。方案一将振动筛支座下设混凝土梁的截面由400×1 000增加至600×1 200;方案二在13.5 m层及顶层之间增设钢管混凝土柱,以增加结构整体竖向刚度;方案三在13.5 m层及6.5 m层增设混凝土斜撑,并在结构底层设置竖向混凝土柱与斜撑连接。方案二和方案三的加固方案如图6和图7所示。采用2.3节的稳态分析方法对结构进行强迫振动分析,分别得到了三种方案振动筛支座处的振动情况,如表5所示。

表5 各加固方案振动筛支座处最大振动速度 mm·s-1

图6 方案二:13.5 m层与顶层之间加设钢管混凝土立柱

图7 方案三:6.5 m层与13.5 m层加混凝土斜撑

三种方案相比,方案一加大梁截面并不能有效降低振动筛支座处的振动,方案二和方案三可以有效降低振动筛支座处的振动,且方案二的减振效果可以满足《水电设计手册》中的要求。与此同时,由于方案二采用的是钢管混凝土柱的加固方式,该方案施工简单,施工过程中无需停产停机,故推荐此方法。

4 结论

基于SAP2000有限元软件建立振动筛动负荷作用下筛分楼的振动模型,先后对模型进行模态分析、强迫振动分析以及减振分析,得出以下结论:

(1)筛分楼设备层楼板振动振型主要集中在10～18 Hz,与振动筛的自振频率(13.3～15 Hz)有重合区域,说明设备层楼板与振动筛发生共振现象;

(2)强迫振动分析中,振动筛支座处的最大振动位移0.46 mm,最大振动速度32.3 mm/s,小于实测最大振动速度(91 mm/s),可能是振动筛运行工况不佳以及地基基础刚度的影响;

(3)楼层中间加设钢管混凝土柱的方案可以有效降低振动筛支座处的振动,且该方案施工简单,施工过程中无需停产停机,是较为有效的加固方案。