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        某深邃泵房結(jié)構(gòu)振動有限元數(shù)值分析

        2021-10-27 05:52:16熊永華陳昆鵬王少杰
        城市道橋與防洪 2021年9期
        關(guān)鍵詞:層板泵房振型

        熊永華,陳昆鵬,王少杰

        (1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,湖北 武漢 4300151;2.武漢大學(xué),湖北 武漢 430072)

        0 引言

        隨著我國工業(yè)建筑廠房數(shù)量增多,將大型機械布置到樓層上,其經(jīng)濟性效果顯著,已經(jīng)成為一個必然趨勢。設(shè)備擱置與樓板之上,設(shè)備振動會引起結(jié)構(gòu)樓板隨之振動,若設(shè)備振動頻率與樓層結(jié)構(gòu)振動頻率相似將會引起樓層結(jié)構(gòu)的共振,甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞。在工業(yè)建筑中,如何減振、避振已經(jīng)成為設(shè)計中的一個難題,要解決振動的問題,可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力測試,掌握結(jié)構(gòu)自身的振動頻率、阻尼特性等特征,采取合適的結(jié)構(gòu)布置方案,使結(jié)構(gòu)振動頻率遠(yuǎn)離設(shè)備振動頻率,從而達(dá)到減振隔振的目的[1]。

        本文以武漢市某污水處理廠深邃為研究對象(見圖1),基于ANSYS 有限元數(shù)值分析軟件建立有限元數(shù)值模型進(jìn)行模態(tài)分析,得出深邃泵房固有頻率及振型,根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果提出合理的深邃泵房加固方案以減少振動的影響。

        圖1 深邃泵房典型平面及剖面圖

        1 深邃泵房有限元分析

        1.1 泵房模型和材料

        本研究對象的混凝土強度等級為C35,彈模為3.15×104MPa,密度為25 t/m3,泊松比取為0.2。研究[1]顯示當(dāng)承受動力荷載時,結(jié)構(gòu)的動彈模會隨動力大小發(fā)生改變,在動應(yīng)力值較小時,混凝土的動彈模與靜彈?;窘咏?,隨著動應(yīng)力的增大動彈模會隨之增大,并在動應(yīng)力達(dá)到一定值時趨于穩(wěn)定,一般動彈模是靜彈模的1.05 倍。本工程案例中混凝土的動彈模取等于靜彈模。深邃泵房設(shè)計圖紙見圖1。

        根據(jù)設(shè)計圖,建立深邃泵房的總體模型見圖2。模型通過三維建模軟件根據(jù)設(shè)計圖紙建立了地面以下的結(jié)構(gòu)。深邃泵房地下部分類似桶狀結(jié)構(gòu),分為6層,泵房最外層為地下連續(xù)墻,最下兩層分別放置了蝸殼、電機,中間三層放置吊車,上層為泵房電纜層及工作活動區(qū)。

        圖2 泵房有限元幾何模型

        1.2 管道網(wǎng)格劃分

        模型網(wǎng)格劃分情況如下,總節(jié)點數(shù)為776 847,總單元數(shù)為352 272,網(wǎng)格質(zhì)量合格。管道有限元網(wǎng)格劃分見圖3。

        圖3 深邃泵房總體網(wǎng)格劃分

        1.3 泵房約束

        泵房結(jié)構(gòu)的約束情況示意見圖4。將各層板、梁柱與地下連續(xù)墻連接處設(shè)置為固定約束。泵房墻壁外側(cè)與土層接觸采用水平彈簧單元模擬,彈簧剛度根據(jù)本工程地勘報告提供的基床系數(shù)確定,取深度加權(quán)值10 000 kN/m2。

        圖4 泵房總體約束設(shè)置

        1.4 泵房模態(tài)分析結(jié)果

        泵房模態(tài)分析結(jié)果見圖5。模態(tài)分析包括結(jié)構(gòu)的自振頻率計算和振型計算,借助振型圖確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件自振頻率分布。

        圖5 泵房前10 階模態(tài)

        泵房前10 階振型圖及振型說明見圖5 及表1。

        表1 前10 階模態(tài)振型說明

        水泵從啟動至正產(chǎn)工作頻率范圍為0~8.25 Hz,由模態(tài)分析結(jié)果可知,水泵工作主頻(8.25 Hz)在1階頻率和2 階頻率之間。為避免共振的發(fā)生,泵房結(jié)構(gòu)自振頻率需避開水泵的主頻(8.25 Hz)。根據(jù)泵房前10 階模態(tài)的振型圖可得出:隨機振動產(chǎn)生振幅較大的部位是泵房中心墻,相對標(biāo)高11.50 m 層、相對標(biāo)高42.50 m、相對標(biāo)高46.30 m 層。前10 階模態(tài)振型分析結(jié)果顯示:易產(chǎn)生振動變形的位置為各層板的中心處、層板被梁或墻分成兩區(qū)域后兩個半圓的形心處,這些地方振動振幅較大的區(qū)域。

        綜上分析,可考慮在相對標(biāo)高27.00 m 與34.75 m層處增加梁以提高固有頻率到泵的主頻以上,減少共振影響。

        1.5 增加梁后泵房模態(tài)分析結(jié)果

        圖6 所示為在相對標(biāo)高27.00 m 與34.75 m 層處每層增加四道軸向截面為900 mm×1 600 mm 的梁后的廠房三維模型,其余層板等尺寸不變。

        圖6 增加梁后的深邃泵房模型

        圖7 為廠房模態(tài)分析結(jié)果,表2 為前4 階模態(tài)振型說明。表3 為增加梁的尺寸與廠方固有頻率關(guān)系。

        表3 梁截面尺寸與廠方固有頻率關(guān)系

        圖7 前4 階模態(tài)振型

        表2 前4 階模態(tài)振型說明

        由模態(tài)分析結(jié)果可知:各階模態(tài)頻率與振幅差別不大,增加梁后的泵房1 階頻率高于泵的主頻25%以上,不易和泵產(chǎn)生共振影響。

        2 結(jié)論

        (1)基于ANSYS 有限元數(shù)值分析軟件建立了深邃泵房有限元數(shù)值分析模型,從而進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)果顯示,最容易產(chǎn)生振動變形的部位是各層板的中心處、層板被梁或墻分成兩區(qū)域后兩個半圓的形心處,這些地方屬于振幅較大的區(qū)域。

        (2)增加梁后的泵房1 階頻率高于泵的主頻25%以上,不易和泵產(chǎn)生共振影響。通過結(jié)構(gòu)有效布置可減少振動和變形,對于解決泵房振動問題是有效的。

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