沈 超，李大華，劉 億，宛新林，張海龍

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022)

臨渙選煤廠煤炭篩分廠房振動檢測與分析

沈 超，李大華，劉 億，宛新林，張海龍

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022)

為保證臨渙選煤廠煤炭篩分廠房結構安全，在對廠房振源判斷、自振檢測、強迫振動檢測的基礎上，分析共振原因。研究結果表明：篩分機產生的撓力是使設備下方的梁板產生共振的原因，設備對結構的干擾頻率與梁板豎向自振第1模態(tài)頻率接近，而直接承受恒載與撓力的次梁剛度較小，導致結構動力響應增強。為此，應采取有效措施加強次梁和樓板的剛度。

框架結構；結構共振；動態(tài)檢測

振動設備上樓早已成為一種設計形式，隨著煤炭篩分向著精細化進一步發(fā)展，更多的動力設備需要安裝在不同的樓層上，從而滿足生產工藝的需求，這使得廠房結構變得更加復雜。同一樓層內不同類別、不同型號的振動設備，對廠房結構產生的撓力差異很大，再加上樓板開洞、豎向輸料管道跨樓層聯通及跨軸線吊車梁等輔助設備安裝的影響，機械與結構發(fā)生共振的原因更復雜，檢測難度更大。因此，對大型振動設備工業(yè)廠房結構安全的共振檢測仍是一個重要的研究課題。

國外關于建筑共振問題的研究開展較早，1988年瑞典建筑研究委員會發(fā)布了樓板振動設計指南，對計算樓板自振頻率的公式做了初步總結[1]；1990年加拿大根據其國內七十年代的一系列研究工作，對木制樓板的振動設計要求制定了相關規(guī)范[2-3]；1997年Murray研究了建筑結構的振動問題，提出了樓板振動加速度限值標準[4]。國內對建筑共振問題也進行了大量研究，2003年王國硯等通過簡化工業(yè)廠房結構模型和動態(tài)特性模擬計算與分析，討論了機械設備運轉引起樓面振動的一些計算方法；郅倫海等[5]的研究說明，將工業(yè)廠房內動力設備的基礎或支架與廠房結構主體分開，可以獲得理想的減振效果；杜銳[6]的研究表明：當振動篩安裝在相鄰軸線內時，樓板的動力響應最大，豎直方向與水平方向的振幅存在顯著差異；薛剛等[7]通過對工業(yè)廠房內振動篩的運轉監(jiān)測獲得了其振動加速度和頻率，據此對樓板共振原因進行了分析，為結構的加固減振提供了科學依據。

為保證臨渙選煤廠煤炭篩分廠房結構安全，基于對廠房振源判斷、自振檢測、強迫振動檢測，分析結構共振原因，為廠房減振加固方案的制定提供理論支持。

1 工程概況

臨渙選煤廠煤炭篩分廠房為鋼筋混凝土(C35)框架結構，共有四個結構層，頂層局部含有躍層。建筑高度為31.1 m，廠房縱向長度為92.0 m，橫向長度為44.0 m?？蚣苤叽鐬?00 mm×700 mm，主梁尺寸為350 mm×900 mm，次梁尺寸為300 mm×400 mm，現澆混凝土樓板厚度為180 mm。

廠房內的大型動力設備(包括破碎機組、篩分機組)均位于第四層(圖1)，第二、三層安裝有電磁分離設備。樓內機組運轉時，廠房樓板、門窗均會產生較大幅度的振動，并伴有外墻皮脫落，下料斗處、抗震縫周圍混凝土開裂的現象。另外，在實際生產過程中，由于機械與結構共振的原因，生產人員常出現身體不適的癥狀。

為解決廠房結構共振問題帶來的一系列危害，該選煤廠曾將其中一臺篩分機的鋼制螺旋彈簧減震系統(tǒng)更換成了橡膠減震墊，但樓板振動現象并沒有得到明顯改善。通過對大型煤炭篩分廠房結構與機械共振問題的研究，提出了快速、高效的共振問題動態(tài)檢測方案。

圖1 第四層設備布置平面簡圖

2 動態(tài)檢測方案

為快速、有效地檢測出結構的自振頻率和不同動力荷載下的強迫振動頻率，采用DZQ48/24/12型高分辨地震儀作為檢測儀器。利用儀器的脈動測量功能進行點位的加速度譜采集，并通過可根據需要進行設置的數字濾波器(高低帶通濾波器)將加速度譜轉換為頻譜。

2.1 振源判斷

該廠房內第二、三層均為電磁分離設備和轉速較小的攪拌設備，這些設備對結構產生的撓力較小，不可能是引起結構明顯振動的振源。觀察發(fā)現，穿過樓板的豎向輸送管道處樓板振動較為明顯，初步判斷，引起結構振動的振源位于安裝有破碎機組、篩分機組的第四層。另外，廠房內跨抗震縫的吊車梁、鋼結構工作平臺的安裝，強化了振動波的傳播。

第四層共有8臺破碎機，每4臺為一個機組，兩個機組的設備轉動方向相反(圖1中箭頭所示)；篩分機共有12臺，每4臺為一個機組，3個機組的設備轉動方向完全一致(圖1中箭頭所示)。為了快速、準確的判斷廠房結構振動原因，按照由軸1至軸26的方向實施動態(tài)檢測。檢測點位分別為框架角結點、縱橫梁跨中部、樓層樓板的平面幾何中心點，通過檢測得到某一點位的加速度時程曲線后，將其轉換為頻域譜，暫不進行濾波處理。

由動態(tài)檢測結果發(fā)現：在全部機組運轉的情況下，結構基頻為14.8 Hz，遠高于廠房自振基頻3.9 Hz(圖2)；軸5至軸12的點位頻域譜中，隨機干擾頻率較多(圖3)，但越接近篩分機組的點位，隨機干擾頻率越少，其周圍的點位出現了沒有干擾頻率的理想頻譜圖(圖4)；在測點點位向篩分機不斷接近的過程中，采樣信號最大幅值的量級由e+003 mV變?yōu)閑+005 mV(圖3、圖4)。由此判斷，篩分機對結構振動的影響較大，該分析為后續(xù)的自振頻率和不同工況下的強迫振動檢測方案的布置奠定了基礎。

圖2 結構基頻檢測結果

圖3 軸5至軸12的點位頻域譜

圖4 理想頻譜圖

2.2 自振檢測

在全部機組停機后，進行廠房自振特性檢測。檢測點位和內容包括：框架結構梁柱結點X、Y、Z三個方向自振特性檢測，篩分機周圍的梁、板跨中Z向自振特性檢測，測點布置如圖5所示。

圖5 具體點位布置示意圖

1#點位于減振支座下的鋼筋混凝土基礎上，即位于次梁上；2#點位于設備下方的縱向框架梁上；3#點位于橫向框架梁跨上；4#點位于鋼結構工作平臺上，具體為兩電機中間位置。將檢測到的加速度時程曲線轉換成頻域譜后進行濾波處理，獲得的結構基頻為3.9 Hz。

2.3 強迫振動檢測

根據機組的分布情況，將其分為三組分別測量其加速度脈動。第一組只運行篩分機1號機組，第二組運行篩分機1、2號機組，第三組運行全部篩分機組。點位布置包括設備周圍點(圖5)、該層框架角結點、部分梁柱結點，檢測結構在上述情況下梁、板豎向(Z向)和梁柱角結點的加速度時程曲線。檢測結果顯示：在三種情況下，點位Z向振動頻率分別為14.9、14.7、14.8 Hz，即結構的強迫振動頻率基本一致，說明結構的強迫振動與設備運行數量和布置位置無關。

3 共振原因分析

3.1 有限元模型的建立

結合現場測試結果，采用Midas有限元軟件建模，對結構動力特性進行深入分析，以便找出振動原因。由于安裝在廠房上的生產輔助設備較多，建模時需要進行如下簡化[8]：對結構動力響應影響較大的設備簡化為實體塊體重量，忽略懸掛在樓板下的輕型吊車鋼梁、輸料管道對結構剛度的影響。計算模型包括篩分機下的框架梁、次梁、樓板(圖6)，結構自振特性計算選用Lanczos法，并提取結構的前6階振型(表1)。

圖6 結構計算模型

模態(tài)頻率/Hz振型第1模態(tài)14.1平彎耦合第2模態(tài)16.4平彎耦合第3模態(tài)24.3平彎耦合第4模態(tài)25.2平彎扭耦合第5模態(tài)27.2平彎扭耦合第6模態(tài)33.7平彎扭耦合

3.2 仿真分析

結構的自振基頻為3.9 Hz，篩分機的撓力方向均為豎直向下，且頻率均遠大于結構的基頻，因此，僅對樓板豎直方向的振動進行分析。對比不同情況時的強迫振動結果可知：篩分機對結構的干擾頻率(14.7～14.9 Hz)與結構自振的第1模態(tài)(圖7)頻率14.1 Hz接近，因此引發(fā)了篩分機與樓板的平彎耦合振動。直接承受恒載和撓力的次梁的剛度與框架梁剛度相差較大，自振振幅也較大，這使結構的動力響應增大。根據GB 50583—2010《選煤廠建筑結構設計規(guī)范》，選煤廠常用的動力設備工作頻率分為三類[9]：轉速小于400 r/min的為低頻類，轉速在400～2 000 r/min的為中頻類，轉速大于2 000 r/min的為高頻類。相關統(tǒng)計資料表明[10]：多數選煤廠廠房梁板的豎向自振頻率一般處于9～26 Hz頻段內，相當于轉速為540～1 560 r/min的動力設備。根據廠家提供的資料，臨渙選煤廠篩分機的自振頻率為900 r/min，其自振頻率處于9～26 Hz頻段內，這與仿真分析和檢測結果所得頻率吻合。

圖7 結構自振第1模態(tài)

4 結論

(1)對結構振源的初步判斷發(fā)現，引起振動的振源位于安裝有破碎機組、篩分機組的第四層，其中篩分機對結構振動的影響較大；結構基頻為3.9 Hz，各點位Z向振動頻率分別為14.9、14.7、14.8 Hz，說明結構的強迫振動與設備運轉數量和布置位置無關。

(2)篩分機產生的撓力是使設備下方梁板產生共振的原因，設備對結構的干擾頻率與梁板豎向自振第1模態(tài)頻率接近，而直接承受恒載與撓力的次梁剛度與框架梁剛度相差較大，從而使結構的動力響應增加。

(3)就檢測結果來看，更換設備減震系統(tǒng)的措施并不能使振動的劇烈程度降低，為保證廠房結構安全，應采取有效措施增強次梁和樓板的剛度。

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[3] Song T T. An overview of active and hybrid structural control research in the U. S.the strcu. dyn[J]. Design of Tall Buildings, 1993, 2(1): 192-209.

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[9] GB 50583—2010 選煤廠建筑結構設計規(guī)范[S].

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Vibration detection and analysis of coal screening plant in Linhuan coal preparation plant

SHEN Chao, LI Da-hua, LIU Yi, WAN Xin-lin, ZHANG Hai-long

(Civil engineering school, Anhui Jianzhu University, Hefei, Anhui 230022,China)

In order to ensure the structure of coal re-screening plant in Linhua coal preparation plant, the reason of resonance is analyzed by deciding vibration source, detecting natural vibration and forced vibration. The results show that resonance of beam-plate under equipment is caused by flexural stress from screens, what's more, interfering frequency to structure of the plant , caused by equipment, is close to first modal frequency generated by vertical natural vibration of beam-plate, however, smaller rigidity of secondary beam directly supporting horizontal load and flexural stress, will increase dynamic response of the structure. For this reason, measures should be taken to strengthen rigidity of secondary beam and floor.

frame structure; structure resonance; dynamic detection

1001-3571(2015)05-0024-04

TD921+.3 ；TU311.3

A

2015-08-09

10.16447/j.cnki.cpt.2015.05.006

安徽省教育廳自然科學研究項目(KJ2012Z048)

沈 超(1989—)，男，河南省開封市人，碩士研究生，從事工程結構的現代施工技術研究。

E-mail: shenchaode369@foxmail.com Tel: 18326189295