唐宏欣，李兵強(qiáng)

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 鞍山 114004)

在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，建筑工程的振動(dòng)問題越來越引起人們的重視，振動(dòng)過大，會(huì)危害建筑的安全，影響機(jī)器設(shè)備的正常工作、儀器儀表的測量精度、工作人員的身體健康，還會(huì)對環(huán)境造成污染[1]。尤其是工業(yè)建筑內(nèi)的大型振動(dòng)設(shè)備較多，設(shè)備振動(dòng)會(huì)引起廠房結(jié)構(gòu)的連帶振動(dòng)，過大的結(jié)構(gòu)振動(dòng)將危害廠房結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[2-3]。

某建材有限公司年產(chǎn)1000萬噸骨料生產(chǎn)線工程篩分樓，長38m，寬16.04m，高24.5m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；主要平臺為標(biāo)高6m、11m、16.2m平臺，振動(dòng)篩位于標(biāo)高6m、11m平臺，每層各6臺振動(dòng)篩。該振動(dòng)篩處理能力為500t/h，振動(dòng)頻率為750RPM，荷重為16t/臺，由于平臺振動(dòng)嚴(yán)重，導(dǎo)致梁板損壞，為了結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)為了減小振動(dòng)，現(xiàn)采用有限元程序?qū)υY(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，計(jì)算平臺的振型與頻率，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供參考。

1 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

1.1 模型的簡化

選取一個(gè)獨(dú)立框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元方法建模，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[4]。由于篩分樓結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置復(fù)雜、結(jié)構(gòu)材料性能及施工質(zhì)量等因素的影響，采用有限元軟件很難精確模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)，因此建立計(jì)算模型時(shí)需進(jìn)行一定的簡化。計(jì)算模型簡化的基本原則為：遵循模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)的基本特性和受力狀況相近的原則，并達(dá)到模型結(jié)構(gòu)能比較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況和振動(dòng)特性的效果。

篩分樓整體結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)體系，梁柱支撐采用框架單元模擬，平臺布置圖如圖1所示。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通常假定“樓板在平面內(nèi)剛度無窮大，在平面外剛度為零”，可通過指定節(jié)點(diǎn)隔板束縛來實(shí)現(xiàn)這一假定。但對于平面布置不規(guī)則、樓板開洞較大的結(jié)構(gòu)，剛性樓板假定會(huì)導(dǎo)致較大的計(jì)算誤差，因此建立計(jì)算模型時(shí)應(yīng)考慮樓板的實(shí)際剛度。另外通過現(xiàn)場照片可以看出，墻面圍護(hù)材料為單層壓型鋼板，因此忽略墻體對結(jié)構(gòu)的剛度影響；同時(shí)由于缺乏膠帶機(jī)通廊相關(guān)資料，因此建模時(shí)不考慮通廊對結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度的增強(qiáng)作用。

圖1 平臺布置圖(單位：mm)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析采用SAP2000有限元軟件三維框架單元進(jìn)行建模[5]。篩分樓的柱、梁、板均采用C30混凝土，加固構(gòu)件擬采用型鋼，定義混凝土和鋼材的材料屬性均為線彈性、各向同性。篩分樓結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則，結(jié)構(gòu)構(gòu)件(尤其梁)的截面尺寸繁多，柱網(wǎng)布置見圖2所示。

圖2 柱網(wǎng)平面布置圖(單位：mm)

采用框架單元模擬梁、柱；采用厚殼單元模擬樓板，不考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(填充墻、附屬鋼平臺及鋼樓梯等)的影響，初步建立的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 篩分樓結(jié)構(gòu)模型

1.2 模態(tài)分析結(jié)果

使用有限元程序的模態(tài)分析功能對計(jì)算模型進(jìn)行模態(tài)分析。由于本篩分樓為框架結(jié)構(gòu)，分析方法選擇特征向量法，截取前200階振型，限于篇幅，僅在表1中列出計(jì)算模型的前20階模態(tài)參數(shù)。

表1 前20階振型模態(tài)參數(shù)

圖4～圖9為部分所對應(yīng)的陣型圖。

圖4 1階振型

圖5 2階振型

圖6 3階振型

圖7 9階振型

圖8 14階振型

圖9 36階振型

2 結(jié)果討論與分析

依據(jù)表1模態(tài)分析結(jié)果，對篩分樓動(dòng)力特性作進(jìn)一步分析，可得出以下結(jié)論。

(1)模態(tài)分析時(shí)截取前200階振型，X、Y、Z向累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)分別為1、1、0.9，振型截取數(shù)量滿足高規(guī)要求。

(2)結(jié)構(gòu)第1階振型以Y向平動(dòng)為主(圖4)，Y向的質(zhì)量參與系數(shù)為0.63；第2階振型以X向平動(dòng)為主(圖5)，X向的質(zhì)量參與系數(shù)為0.61；第3階振型以繞Z軸扭轉(zhuǎn)為主(圖6)，繞Z軸的質(zhì)量參與系數(shù)為0.65，但扭轉(zhuǎn)中帶有一定的平動(dòng)屬性，Y向質(zhì)量參與系數(shù)0.13。雖然結(jié)構(gòu)Y向柱列多于X向，但由于Y向柱、梁截面偏小，使得Y向剛度反而小于X向，所以，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中柱、梁截面的選取不太合理。

(3)結(jié)構(gòu)低階振型以X向、Y向平動(dòng)和繞Z軸扭轉(zhuǎn)為主。到第50階振型時(shí)，X向、Y向和繞Z軸的累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)已達(dá)到100%；而Z向的累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)才達(dá)到42%。在前50階振型中，Z向質(zhì)量參與較多的是第9、14、36階振型，其中第9、14階振型主要為屋面(標(biāo)高24.5m)梁、板的豎向振動(dòng)(圖7、圖8)；第36階振型為標(biāo)高6m平臺梁、板的豎向振動(dòng)(圖9)。

3 結(jié)論

對某篩分樓進(jìn)行了模態(tài)仿真計(jì)算，結(jié)合前200階模態(tài)頻率和陣型來看，盡管該篩分樓結(jié)構(gòu)Y向柱列多于X向，但由于Y向柱、梁截面偏小，導(dǎo)致Y向剛度比X向剛度小，平臺振動(dòng)嚴(yán)重，引起梁板損壞。因此可以得出原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中柱、梁截面的選取不合理，需要修改結(jié)構(gòu)尺寸。