Analyzing Methods and Steps of Cement Plant Power Equipment Foundation

李紅雨

水泥廠動力設備基礎分析方法步驟探討

Analyzing Methods and Steps of Cement Plant Power Equipment Foundation

李紅雨

1 緒論

動力設備基礎（輥磨、管磨、風機、碎碎、窯墩等）在水泥廠的結(jié)構(gòu)形式中占有重要的位置，從數(shù)量及工程量上都占有相當大的比例，其設計的優(yōu)劣及工程量的優(yōu)化與否會直接影響工程建設的好壞及造價的高低。目前國內(nèi)在動力基礎的設計上雖已做過大量的研究并形成了較為成熟的設計經(jīng)驗，對于部分類型動力基礎的研究已形成一套經(jīng)驗性的總結(jié)，并已在實踐中大量應用，也證明其完全適用于工程，但因動力設備基礎的動力計算相當復雜，其設計計算還停留在較為粗曠的經(jīng)驗及靜力計算方法上，缺少嚴格的動力分析過程。隨著涉及項目的增多，國外的咨詢公司通常要求提供大型動力設備基礎的有限元振動分析計算以確保結(jié)構(gòu)的安全性，以往遇到這種情況時多采用外包方式進行，費用高昂且進度難以控制，因此符合合同要求的國外主流規(guī)范（歐洲規(guī)范、美國規(guī)范）及滿足設備運行需要的大型動力設備基礎的有限元分析計算越來越為設計所需要。

目前國內(nèi)對動力基礎的研究大部分建立在已有經(jīng)驗及國內(nèi)相關規(guī)范（動力機器基礎設計規(guī)范）的基礎上，設計通常缺少嚴格的動力分析過程。國外設計人員對此的研究相對較成熟，但是由于其所用軟件的不適用性以及項目中各種基礎形式的多樣性，系統(tǒng)性較差，不利于指導設計，也容易讓設計者產(chǎn)生困惑。如何按照相關規(guī)范及設備的指標要求進行動力基礎的有限元振動分析計算，是目前急需解決的重要問題。本文以此為研究目的，嘗試以經(jīng)驗為支撐，以國外規(guī)范（歐/美國動力基礎規(guī)范）為理論依據(jù)，以有限元分析軟件為載體，以國外工程設計實例為參考，找尋一套水泥廠各型動力設備基礎在各種地基條件下（處于淺層土中、樁基等）依照相關的規(guī)范（歐規(guī)及美規(guī)）及規(guī)定進行有限元動力基礎分析的行之有效的方法步驟。

2 動力設備基礎分析步驟

對于水泥廠的各型動力設備基礎，整體而言，雖然其設備的運行各具自身特點，且其靜力計算及動力計算各有特殊性，但其分析步驟基本一致，概括來講共分六步。

2.1 設備及基礎所處位置地質(zhì)條件等相關資料的收集

設備及基礎所處位置地質(zhì)條件等相關資料收集，主要涉及以下幾項:

（1）設備的型號、運轉(zhuǎn)的速度/臨界轉(zhuǎn)速、功率、規(guī)格及輪廓尺寸圖等；

（2）設備底座外廓圖、輔助設備、與機器基礎連接的有關管道和坑、溝、孔、洞的尺寸以及灌漿層厚度、地腳螺栓、預埋件的位置等；

（3）設備（擾體）的自重及重心位置；

（4）設備的荷載分布圖，包括動力荷載在內(nèi)的所有荷載大小、方向、作用點；

（5）設備運轉(zhuǎn)期間不同區(qū)域的溫度分布；

（6）正常運轉(zhuǎn)時設備支撐點的允許位移；

（7）基礎的位置及其鄰近建筑物的基礎圖；

（8）建筑場地的地質(zhì)勘察資料及地基動力試驗資料或地基土動力參數(shù)；

根據(jù)設備資料及地質(zhì)條件進行基礎預設計（可根據(jù)經(jīng)驗確定，如配重要求，外形要求等），并進行靜力計算復核，需滿足地基承載力要求、偏心率控制要求等，并可通過靜力計算得出基礎配筋。關于非桿式結(jié)構(gòu)的配筋目前有以下兩種方法：

a內(nèi)力配筋法：對于較簡單的結(jié)構(gòu)形體或易于計算內(nèi)力的結(jié)構(gòu)可采用內(nèi)力配筋法，即由擬靜法來計算結(jié)構(gòu)受力從而得出配筋,并考慮在受力薄弱處或應力集中處采用增加構(gòu)造配筋的方式實現(xiàn)；

b主拉應力法:對于較復雜的結(jié)構(gòu)，可采用彈性力學分析方法，參照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》給出的原則，利用有限元的應力計算結(jié)果，進行配筋計算。

關于基礎的靜力計算，推薦采用清楚明確易于調(diào)整的表格化方式進行：

（1）首先求得預設計下基礎的幾何參數(shù)，舉例如下（見表1）；

（2）用EXCEL表格分別求得各荷載工況（風、地震、設備恒載、基礎自重、活載等）標準值下相對于基礎形心的基礎受力狀況；

（3）根據(jù)相應荷載組合采用EX?CEL表格進行地基承載能力（正常使用極限狀態(tài)）計算；

（4）根據(jù)相應荷載組合采用EX?CEL表格進行承載能力極限狀態(tài)計算;

（5）根據(jù)以上結(jié)果進行配筋及構(gòu)造等設計。

在靜力計算時需要考慮設備運行的各種工作狀態(tài)（安裝、測試、維修、正常運轉(zhuǎn)、異常運行等），因此涉及諸多荷載組合，按設備的運行狀態(tài)分列如下：

（1）安裝狀態(tài)：

恒載+安裝荷載；

恒載+安裝荷載+折減的風荷載+雪、冰或雨荷載；

恒載+安裝荷載+地震作用+雪、冰或雨荷載。

（2）測試狀態(tài)：

恒載+測試荷載；

表1 截面幾何參數(shù)表

恒載+測試荷載+活荷載+雪、冰或雨荷載；

恒載+測試荷載+折減的風荷載+雪、冰或雨荷載。

（3）維修狀態(tài)：

恒載+維修荷載+活荷載+雪、冰或雨荷載。

（4）正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)：

恒載；

恒載+溫度作用+設備運轉(zhuǎn)荷載+活荷載+風荷載+雪、冰或雨荷載；

恒載+溫度作用+設備運轉(zhuǎn)荷載+地震作用+風荷載+雪、冰或雨荷載。

（5）異常運行狀態(tài)：

恒載+設備異常運轉(zhuǎn)荷載+活荷載+折減的風荷載；

注：通常安裝及測試短時間狀態(tài)下，在荷載組合中可采用折減的風荷載，在安裝狀態(tài)可采用80%的風載，在測試狀態(tài)可采用33%的風載。

對于以上荷載組合應根據(jù)正常使用極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)及各國規(guī)范對于荷載類別的相關要求，取用相應的分項系數(shù)及組合值系數(shù)。

2.2 預設計基礎有限元模型的建立

2.2.1 幾何模型的輸入

采用實體單元輸入，單元的大小應根據(jù)實體尺寸合理控制，單元的劃分應簡單、有規(guī)律，轉(zhuǎn)角及應力集中處、加載點處應引起注意。

對于分析模型的建立目前有兩種方法：其一，在分析軟件中直接建立并剖分單元從而建立有限元模型；其二，在考慮基礎幾何尺寸規(guī)則性的基礎上，在CAD中分別繪制有代表性的剖面，并合理劃分單元，繼而再導入分析軟件中進行拉伸剖分等工作，并最終組裝為整體模型。考慮到各設備基礎外形的復雜性，在分析軟件中直接建立并進行網(wǎng)格的劃分有一定的困難，推薦采用第二種CAD導入模式，以期快速準確完成幾何模型的建立。

2.2.2 邊界條件的合理輸入

荷載通過動力設備傳到基礎，繼而再傳導到大地上或通過樁傳導到大地上，可見作為基礎的載體樁/土（邊界條件）作用影響甚大，是我們進行有限元分析中必不可少的一環(huán)。邊界條件的設置是否合理，模擬是否準確，直接影響到基礎的動力，反映計算結(jié)果的準確及結(jié)構(gòu)的安全與否，對于此邊界條件主要涉及淺基礎及深基礎的水平及豎直方向（有時也涉及到扭轉(zhuǎn)向）的彈簧支承剛度及阻尼大?。☉鶕?jù)相關深度范圍土的測試參數(shù)進行準確計算或范圍計算，并考慮施工因素、構(gòu)造措施等合理選取適值輸入），值得注意的是，邊界條件應與實際情況一致，如考慮了隔振措施的輥磨基礎周邊，其支承彈簧剛度及阻尼應予以忽略。

為了能準確獲得基礎的邊界條件，在進行地質(zhì)勘測時，基礎影響深度范圍內(nèi)的以下土的動力參數(shù)是需要測定以供分析計算時采用的：

（1）各土層的剪切模量G；

（2）各土層的泊松比u；

（3）各土層波速Vs；

（4）各土層的內(nèi)摩擦角φ；

（5）各土層的摩擦系數(shù)μ；

（6）各土層的質(zhì)量密度ρ。

關于基礎影響深度，在動荷載作用下，由于地基土的受壓面積隨深度增加而增大，因此作用在單位面積上的動應力也隨深度增加而減小，土層的動變位亦隨之減小，一般在深度2d以上的土層可以不考慮動應力的影響。中國《動力機器基礎設計規(guī)范》給出的其影響深度hd推薦如下：

方形基礎：

式中：

hd——影響深度，m

d——方形基礎的邊長，m

其他形狀的基礎：

式中：

A——基礎底面積，m2

2.2.3 荷載的輸入

其中包括靜力荷載及動力（擾力）荷載（相關的動力荷載，通常模擬為簡諧波荷載），荷載加載時間的選取應根據(jù)實際情況（如周期數(shù)、時間長度、基礎的反映、計算結(jié)果等）合理選取。

圖1 頻率比f0/fm、阻力對基礎振幅的影響

2.3 有限元程序的計算（動力計算）

程序的計算時間及精度同有限元網(wǎng)格的劃分有很大的關系，在保證精度的原則下，網(wǎng)格大小的劃分可以0.5～2.0m為基本單元進行，可根據(jù)基礎的幾何尺寸的大小確定相協(xié)調(diào)的基本網(wǎng)格的大小，在應力集中處及受力點處網(wǎng)格的劃分應引起注意，應能保證力流的有效傳遞。

2.4 計算結(jié)果的讀取

有限元動力分析計算完畢，分別提取下列計算結(jié)果以供采用：

（1）自振頻率f及周期T的讀取；

（2）最不利點振動線位移時程曲線及基礎最大振動線位移Af；

（3）最不利點振動速度時程曲線及基礎最大振動速度Vf；

（4）最不利點振動加速度時程曲線及基礎最大振動加速度αf。

2.5 根據(jù)計算結(jié)果參照限值要求得出結(jié)論

結(jié)構(gòu)的周期是否能避開共振區(qū)，基礎的位移、加速度、速度是否在規(guī)范及設備要求的允許范圍內(nèi)，即Af≤[A]、Vf≤[V]、αf≤[α]，如各方面計算結(jié)果均滿足，則設計可行，如不滿足，根據(jù)計算結(jié)果重新調(diào)整設計再次進行新的循環(huán)直到滿足要求為止。當然，如結(jié)構(gòu)初次計算滿足各要求并有較大的安全度，則可根據(jù)計算結(jié)果進行設計優(yōu)化。

圖2 萊歇磨振幅限值表

圖3 美國規(guī)范（ACI_351.3R-04）振幅限值表格

通常我們應控制基礎的自振頻率fo避開設備的運轉(zhuǎn)頻率fm，以避免共振的發(fā)生，對此，通常限定基礎的自振頻率fo遠離設備的運轉(zhuǎn)頻率fm20%～33%甚或50%，如果周期頻率能很好地隔離，大部分情況下可不再做后續(xù)的評估工作，如果有共振的風險（頻率比fo/fm、阻尼對基礎振幅的影響見圖1所示），應調(diào)整基礎尺寸，或在條件允許情況下調(diào)整設備的運轉(zhuǎn)，并進行更加精準的結(jié)構(gòu)受力計算，在計算時應有意折減阻尼的作用以評估基礎是否足夠安全。

關于各種限值的規(guī)定有以下幾個來源：設備資料、規(guī)范、經(jīng)驗、咨詢公司的要求。舉例如下：設備資料可由設備制造商提供，如萊歇磨提供了限值表供分析計算復核時采用（圖2）。對于規(guī)范的要求，目前國際上主流的規(guī)范對于動力基礎有明確限值要求，應用較廣且方便的振幅限值表格為美國規(guī)范（ACI_351.3R-04），如圖3所示。在無準確資料可用時可根據(jù)我們的經(jīng)驗或者是由審批公司提出要求。

3 結(jié)語

動力設備基礎的分析涉及設備、基礎和地基三大方面，涉及內(nèi)容相當廣泛，其分析過程不是一蹴而就的，有時要經(jīng)過反復多次調(diào)整再計算，不過經(jīng)過以上分析步驟的總結(jié)其系統(tǒng)分析是有規(guī)律可循的，按此分析可最大程度地保證設計安全及做到合理的工程優(yōu)化。

[1]GB50040-96，動力機器基礎設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1996.

[2]351.3R-04，F(xiàn)oundations 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

天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司，天津300400；

2015-03-16；編輯：趙蓮