王建立 黃燕平 邱玲玲 王新章 羅勇

(1.隔而固(青島)結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所有限公司 266100；2.隔而固(青島)振動控制有限公司 266100)

1 工程概況

本吸收塔為某石油化工企業(yè)的催化裂化裝置增設(shè)煙氣凈化設(shè)施及原料適應(yīng)性改造項目，吸收塔C-2151主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。本塔主體由三部分組成:底部入口及脫硫部分、中部靜電除塵部分和頂部煙囪(圖1)，在塔體側(cè)面及不同標高處設(shè)有梯子及梯子平臺。塔體總高約80m，地處福建省泉州市沿海，當?shù)亟＜撅L性氣候明顯，塔體在風激勵下的振動影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，長期持續(xù)的振動易使設(shè)備產(chǎn)生疲勞裂紋，影響塔體的使用壽命。因此，塔體在風激勵下的振動應(yīng)專項研究。

圖1 吸收塔總體布置Fig.1 Absorber arrangement

2 理論建模與模態(tài)分析

該吸收塔三個組成部分的質(zhì)量分別為:頂部煙囪84905kg，中部靜電除塵部分88732kg，底部入口及脫硫部分148587kg，加上其他附件的質(zhì)量塔體總質(zhì)量為341290kg，塔 體 為 鋼 結(jié)構(gòu)，鋼材為S31603。根據(jù)塔體及梯子結(jié)構(gòu)圖及相關(guān)參數(shù)，將吸收塔分為12段，采用梁單元，建立塔體SAP2000有限元模型。有限元模型用來計算設(shè)有調(diào)諧質(zhì)量減振器的風振響應(yīng)和地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

另外，將吸收塔每段的長度、質(zhì)量、橫截面等參數(shù)輸入小程序，建立了用于風荷載橫風向位移計算的簡化模型。此模型可以根據(jù)規(guī)范DIN EN 1991-1-4計算塔體風荷載動力分析的模態(tài)參數(shù)和橫向風振的變形，橫風向風振的計算方法在文獻[1]中已有描述，本文不再贅述。

模態(tài)分析結(jié)果顯示，吸收塔一階自振頻率f1=0.764Hz(簡化模型)，f1=0.76Hz(有限元模型)，模態(tài)質(zhì)量m1=35700kg，圖2為簡化模型和有限元模型吸收塔前兩階振型對比。

圖2 吸收塔前兩階振型Fig.2 The first two modes of absorber

3 調(diào)諧質(zhì)量減振器參數(shù)設(shè)計

高聳建筑結(jié)構(gòu)的風致振動，是以某階固有振動為主，因而可以把原來的系統(tǒng)看作為一個單質(zhì)點系統(tǒng)。系統(tǒng)自身的阻尼比d通常很小，所以當激振頻率f與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率f0接近時，會產(chǎn)生強烈的共振，結(jié)構(gòu)振動的幅值可能達到靜變形的50倍以上。

采用調(diào)諧質(zhì)量減振器TMD減振，是在原系統(tǒng)(主系統(tǒng))上耦合一個單自由度的彈簧質(zhì)量振動系統(tǒng)(附加系統(tǒng))，則原單自由度振動系統(tǒng)變?yōu)橐粋€兩自由度振動系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 原結(jié)構(gòu)和TMD所組成的兩自由度振動系統(tǒng)Fig.3 Two degrees freedom vibration system of original structure and TMD

如果使附加振動系統(tǒng)的固有頻率處于原系統(tǒng)(下稱主系統(tǒng))的原來固有頻率附近，則原來固有頻率處的共振峰消失。新系統(tǒng)由單峰共振區(qū)變?yōu)殡p峰共振區(qū)，且一個上移，一個下移。理論上，如果激振頻率僅在原共振峰附近激勵，即使TMD沒有附加阻尼C，主系統(tǒng)的振動也很小，附加質(zhì)量的振動卻很大，相位恰與激振力相位相反，與激振力抵消，也就是通過對原系統(tǒng)頻率的調(diào)諧保護了原來系統(tǒng)，因此該質(zhì)量稱為調(diào)諧質(zhì)量。

沒有阻尼的TMD在實踐上很少使用，因為一旦參數(shù)不準或激振力頻率發(fā)生改變，偏離原來的共振峰，則主系統(tǒng)的振幅迅速增大，形成新的共振峰，所以無阻尼TMD的減振頻率范圍很窄，實踐中失敗的TMD系統(tǒng)要么因為頻率調(diào)諧不準，要么因為阻尼不足或老化過快而失效。

如果附加系統(tǒng)有適當?shù)淖枘酑，則振動傳遞曲線變得平滑，曲線谷上移峰下降，也就是在主系統(tǒng)原有頻率附近要損失一些減振效果。但當調(diào)諧頻率和激勵力頻率出現(xiàn)偏離時，仍有較好的寬頻減振效果。

根據(jù)DEN HARTOG優(yōu)化準則，按照有限元計算的模態(tài)質(zhì)量和其垂直振動的第一階固有頻率，進行調(diào)諧質(zhì)量減振器TMD設(shè)計，TMD參數(shù)見表1。

表1 TMD參數(shù)Tab.1 TMD parameters

4 理論計算與現(xiàn)場測試

4.1 風振分析

吸收塔項目所在地基本風壓為0.75kN/m2，地面粗糙度為A，場地類別II類，根據(jù)文獻[2]中所述方法計算，吸收塔橫風向最大位移為145mm。

理論公式計算時，根據(jù)簡化模型的計算結(jié)果，將吸收塔的實際位移通過響應(yīng)函乘以一個放大系數(shù)得到，使其最大值為145mm。

由圖4響應(yīng)函數(shù)可以看出，有TMD時橫向風激勵作用下吸收塔的最大位移大幅減小至±7mm(藍色曲線)，TMD的最大行程為±23mm(綠色曲線)。對比有無TMD狀態(tài)下系統(tǒng)的最大響應(yīng)，可以對增加TMD后結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)阻尼進行評估。依據(jù)有TMD時系統(tǒng)的最大響應(yīng)可得結(jié)構(gòu)的阻尼比為5.2%。

圖4 有無TMD時吸收塔的位移及TMD行程Fig.4 Absorber top displacement with/without TMD and TMD travel

附加上TMD后，吸收塔在激勵開始階段沒有動力放大的情況，減振效果明顯。由圖5、圖6還可看出，有TMD控制的情況下，在激勵結(jié)束時振動衰減非?？?，能夠使吸收塔的振動在短時間內(nèi)穩(wěn)定下來。

圖5 有TMD及無TMD控制時塔頂位移反應(yīng)Fig.5 Absorber top deflection with/without TMD

圖6 激勵開始階段和激勵結(jié)束階段Fig.6 The beginning and the end stages of excitation

4.2 地震響應(yīng)驗算

在調(diào)諧質(zhì)量減振器設(shè)計過程中，其不僅要達到在正常使用狀態(tài)下的位移及舒適性要求，而且在地震工況下，吸收塔在地震激勵下的振動響應(yīng)也應(yīng)滿足要求。吸收塔所在地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計分組為第二組，設(shè)計基本地震加速度為0.15g。本次共選取了5組地震波進行計算，其中有4條為天然波，1條為人工波。其加TMD前后的振動響應(yīng)結(jié)果見表2。

表2 吸收塔在地震激勵下的響應(yīng)Tab.2 Absorber response under earthquake

從表2可以看出，雖然TMD是按風振控制進行設(shè)計，但對地震動也有一定的減振效果。

5 后期測試

5.1 現(xiàn)場測試

吸收塔主體完工后非運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，測試人員對吸收塔的振動特性進行了現(xiàn)場測試。TMD鎖定及釋放狀態(tài)，在吸收塔頂部塔體及TMD質(zhì)量塊上分別布置測點，如圖7所示。

測試過程中，風向略有變化，但保持傳感器布置方向不變。

圖7 吸收塔頂部產(chǎn)品圖及測點布置Fig.7 Absorber top and measuring point

5.2 測試分析

由測點振動速度頻譜圖8可知，吸收塔一階固有頻率為0.785Hz，阻尼比為0.73%(此阻尼比及后續(xù)阻尼比均為設(shè)備非運行狀態(tài)進行的測試，設(shè)備運行中阻尼比會有變化)，其測試頻率與計算頻率0.764Hz基本一致。

圖8 TMD鎖定狀態(tài)振動速度頻譜圖Fig.8 Vibration velocity spectrum diagram for TMD locked

TMD釋放后，采集吸收塔的振動速度響應(yīng)，對比分析TMD鎖定與釋放時，吸收塔振動速度的響應(yīng)及阻尼特性。TMD鎖定與釋放時，吸收塔頂部水平振動速度頻譜的峰值分別為:1.894mm/s、0.456mm/s。按振動速度峰值計算的TMD減振效果為70%以上，如圖9所示。

TMD釋放后，吸收塔結(jié)構(gòu)阻尼比提高至2.7%。此吸收塔安裝TMD后的減振效果與類似項目相符[1]。

圖9 吸收塔加TMD前后振動速度頻譜圖對比Fig.9 Comparison of absorber top velocity spectrum with/without TMD

6 結(jié)論

1.鋼結(jié)構(gòu)吸收塔在風荷載激勵下易產(chǎn)生風致共振，調(diào)諧質(zhì)量減振器對吸收塔抗風振效果良好，能夠很好地避免其長期處于風激勵的共振狀態(tài)下，并有效減少吸收塔風振導(dǎo)致的危害。

2.添加調(diào)諧質(zhì)量減振器后，吸收塔系統(tǒng)阻尼比增加，風致振動衰減較快；且對地震動作用也有一定的減振效果。