收稿日期: 2007- 06- 07
作者简介: 王耀宏 ( 1971- ) , 男, 高级工程师 , 1993年毕业于中国矿业大学工业与民用 建筑专业, 现 从事结构 设计工 作。
多层工业厂房设备耦联振动的动力 响应分析
王耀宏
(中煤国际工程集团武汉设计研究院, 湖北 武汉 430064)
摘 要: 论文应用大型通用有限元软件对加固前后的某多层工业厂房结构进行了动力时程分 析, 计算结果表明框架经加固后, 改善了厂房的整体动力特性, 动力响应大大降低, 为改进抗振 设计提供了途径和依据。
关键词: 设备耦联; 多层厂房; 时程分析; 有限元;
中图分类号: TU352 1 文献标识码: B 文章编号: 1671- 0959( 2007) 09 0097 03
0 引 言
设备耦联振动 的工业 厂房 结构的 减振 设计 是结构 设计 的一项重要 内容, 而 有些设 备的 振动特 性很 复杂, 设 计困 难。某多层工 业 厂房 是一 幢 3层 的钢 筋 混凝 土 框架 结 构, 在建成试 运行 时, 人 为 感觉 厂房 主 体尤 其上 部 振动 过 大, 经加固后 满足 使 用。为 了进 一步 研 究该 结构 的 动力 特 性, 追寻改善结构抗 振性 能的方 法, 本文 在前 期现 场动力 测试 的基础上利用大 型通 用有限 元程 序, 对加 固前 后的厂 房结 构进行动力 时程分 析, 评估 加固 效果, 为 多层厂 房结 构的 减振设计提供了一定 的依据。
1 结构有限元建模
厂房高为 32 455m, 结 构平 面 为长 方形; 结构 底 层纵 向 为 3 跨 共 27 5m, 底 层 横 向 为 3 跨 共 14m, 在 标 高 13 850m 以上 结构 沿纵 向 和横 向均 为 一跨, 建至 32 455m 标高平面。后期加固 方式 是在 结构 标高 13 850m 以 上, 沿 纵向和横 向在 柱 间附 加钢 斜 支撑, 以增 加它 的 整体 刚 度。
计算时应用有限 元分析 软件 AN SY S瞬 太动 力模块 进行 分析, 采用了梁 板单 元建模 方式, 同 时对 于结构 较为 复杂 的部位进行 了简化; 混凝土 及钢 材都采 用线 弹性模 型, 其 参数 ( 弹性模量、泊松比、材料密度 )按规范取值。单元类
1) 电弧喷 涂 T 8A、 3G r13 丝材, 涂 层组 织 为马 氏 体, 具有较高的强度和耐磨性, 有 很好减磨效 果, 内应力 很低, 涂层结合力强。
2) 电弧喷涂锌、铝合金涂层属阳极性涂层, 失效形式 是阳极溶解, 当 腐蚀 介质到 达基 体与涂 层交 界面 处, 由于 基体金属与 喷涂层 电位 差别, 引 起较负 的涂 层溶 解, 从而 使基体腐蚀减弱。
3) 在钢铁表 面喷涂不锈钢合金粉末, 能起到 很好的耐 磨, 耐氧化, 防 腐效 果。镍 基合 金是 以镍 为基 ( N i含 量不 小于 50% ) , 并含有其他元素的合金。
4) 镍基合金强度好, 塑性好, 在含氯化铁或 氯化铜等 强氯化性及强酸 环境 中具有 良好 耐腐蚀 等优 异性 能。故常 在要求耐腐蚀性高的 工件表面喷焊。
4 结 论
1) 在液压支架生产和修复中可以使用的表面 处理工艺
很多, 各有优缺 点, 具体 使用 什么处 理方 法要根 据液 压支 架的具体使用环境以及 处理的成本等来合理的选择。
2) 各种表面处 理都有其缺点和适用范围, 如电 镀工艺 对环境污染 比较严 重, 热喷 涂材 料浪费 比较 严重, 如 何克 服这些缺点提高其 适用范 围及 开发新 的工 艺是 今后液 压支 架表面处理工艺的研究 方向。
参考文献:
[ 1 ] 王 国法. 液 压 支架 技 术 [ M ]. 北 京: 煤 炭 工 业 出版 社, 1999.
[ 2 ] 李 惠 琪, 等. 采 煤 设 备 的 腐 蚀与 防 护 [ J ] . 矿 山 机 械, 1999, ( 4 ) .
[ 3 ] 赵 文珍. 煤 矿 液 压 支 柱 腐 蚀失 效 分 析 [ J ] . 表 面 工 程, 2001, ( 6 ) .
( 责任编辑 郑燕凌 )
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2007年第 9期 煤 炭 工 程 研究探讨
型有三种: 对结构主体和附加的钢斜撑 采用 BEAM 4十二节 点空间梁单元和 shell63四 节点弹 性板单元; 对于振 源设备 则采用三维质量单元 MA SS21。没有加钢支撑的梁 板模型如 图 1所示。三维梁单元为 2807个, 板单元为 3968个, 质量 单元为 46个, 合计 6821个 单元。 附加 钢支 撑的 结构 梁板 模型如图 2所示。该模型 梁单元 2863个, 板 单元 3968 个, 质量单元 46个, 合计 6877个单元。
图 1 未加斜撑有限元
图 2 加斜撑有限元
2 结构动力时程分析
该动力时程分 析运用 从实 测振源 测得 的加 速度时 程曲 线中识别出的 4 个激 振频率, 分别以 正弦 波激 励方式 作为 等效激励模式计算框架结构加固 前后特征部 位的动力响 应。
荷载频率 分别 取 1 65H z, 2 34H z, 2 85H z, 3 30H z, 动力 持续 时 间 25s, 只 给 出 频 率 为 2 34H z 时 结 构 加 固 前 后 24 850层面 z向 (横向 )动力 响应时 程曲线 如图 3、 4所 示, 图中虚线表示结 构加 固前的 动力 响应, 实 线表 示结构 加固 后的动力响 应。通过 分析, 得 到各正 弦波 激振方 式下 的结 构动力响应最大值见表 1。
图 3 荷载频率 2 34H z时 24 850m 处 z向位移时程
图 4 荷载频率 2 34H z时 24 850m 处 z向加速度时程 表 1 实测频率作用下结 构特征部位动力响应最大值
项目 频率 /H z 方向 动力响应
单位
结构特征点动力响应最大值
13 850m ( 一层 ) 24 850m ( 二层 ) 32 455m ( 三层 )
未 加 支 撑 ( 加 支 撑 )
1 65
X 轴 a( m / s2) 0 243( 0 261) 0 412 ( 0 401) 0 552( 0 410 ) u( m ) 0 00541( 0 00500) 0 00876 ( 0 00747 ) 0 0993( 0 00641) Z轴 a( m / s2) 0 310( 0 298) 0 483 ( 0 324) 0 545( 0 340 )
u( m ) 0 0077( 0 00503) 0 0114( 0 00551 ) 0 0132( 0 00580)
2 34
X 轴 a( m / s2) 0 210( 0 208) 0 311 ( 0 283) 0 478( 0 283 ) u( m ) 0 00330( 0 00356) 0 00514 ( 0 00406 ) 0 00614( 0 00413) Z轴 a( m / s2) 0 336( 0 217) 0 293 ( 0 237) 0 337( 0 242 )
u( m ) 0 00343( 0 00323) 0 00412 ( 0 00351 ) 0 00466( 0 00349)
2 85
X 轴 a( m / s2) 0 226( 0 247) 0 265 ( 0 252) 0 405( 0 276 ) u( m ) 0 00245( 0 00266) 0 00369 ( 0 00298 ) 0 00466( 0 00306) Z轴 a( m / s2) 0 314( 0 281) 0 257 ( 0 216) 0 313( 0 232 )
u( m ) 0 00246( 0 00235) 0 00283 ( 0 00236 ) 0 00358( 0 00256)
3 30
X 轴 a( m / s2) 0 184( 0 204) 0 266 ( 0 235) 0 371( 0 267 ) u( m ) 0 00187( 0 00208) 0 00278 ( 0 00216 ) 0 00338( 0 00225) Z轴 a( m / s2) 0 202( 0 275) 0 200 ( 0 165) 0 300( 0 180 )
u( m ) 0 00195( 0 00213) 0 00216 ( 0 00173 ) 0 00282( 0 00189) 注: 其中表中 a表示结构特征部位加速度, u表示结构特征部位位移, X 向表示结构纵向, Z向表示结构横向, 以下相同。
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研究探讨 煤 炭 工 程 2007年第 9期
3 计算与实测结果的比较分析
通过 对基于 4个激 振主频 简谐激 励下的 时程分析 结果 研究可得到如下结果 :
当荷载主频率为 1 65H z时, 框架结 构上部加 固后第二 层特征部位在 X 向 (纵 向 ) 加速度 最大值 从 0 412m /s2下降 至 0 401m / s2, 下降 3 14% 左右, 最大位移从 8 76mm 降至 7 47mm, 下降 14 7% ; 在 Z 向 (横向 )加速度 从 0 483m /s2 下降至 0 324m / s2, 下降 32 9% , 最大位移从 11 4mm 降至 5 51mm, 下降 51 6% 。 第三 层 特征 部 位 X 向加 速 度下 降 25 7% , 下降 35 4% ; Z 向加 速 度下 降 37 6% , 最 大 位移 下降 56% 。荷载主频率为 2 34H z时, 框架结构上部加固后 第二层特征部位 在 X 向加 速度 最大 值从 0 311m / s2下 降至 0 283m /s2, 下 降 了 9% , 最 大 位 移 从 5 14mm 下 降 至 4 06mm, 下降 21% ; Z 向加速 度最 大值从 0 293m /s2下降 至 0 237m / s2, 下降了 19 1% , 最大位移从 4 12mm 下降至 3 51mm, 下降 14 8% 。第三层特征部位 X 向加速度最大值 下降 40 7% , 最 大 位 移 下 降 32 7% ; Z 向 加 速 度 下 降 28 1% , 最大位移下 降 25 1% 。荷 载主 频率 为 2 85H z时, 框架结构上部加固后 第二层 特征部 位在 X 向最 大加速 度从
0 265m /s2下 降 至 0 252m /s2, 下 降 4 9% , 最 大 位 移 从 3 69mm 下降至 2 98mm, 下降了 19 2% ; 在 Z 向加 速度从 0 257m /s2下 降 至 0 216m /s2, 下 降 15 9% , 最 大 位 移 从 2 83mm 下降至 2 36mm, 下 降了 16 6% 。第 三层特征 部位 X 向加速度 最大 值下 降 31 9% , 最 大 位移 下降 34 3% ; Z 向加速度下降 25 9% , 最大 位移下 降 28 5% 。荷载 主频率 为 3 30H z时, 框架结构上部加固后第二层特征部位在 X 向 加 速 度 最 大 值 从 0 266m / s2 下 降 至 0 235m / s2, 下 降 11 7% , 最 大 位 移 从 2 78mm 下 降 至 2 16mm, 下 降 了 22 3% ; 在 Z 向 加 速 度 最 大 值 从 0 200m /s2 下 降 至 0 165m /s2, 下 降 17 5% , 最 大 位 移 从 2 16mm 下 降 至 1 73mm, 下降了 19 9% 。第三层特征部位 X 向最大加速度 下降 28% , 最大位移下 降 33 4% ; Z 向最 大加 速度下 降了
40% , 最大位移下降 32 9% 。
对比结构加 固前后 的计 算结果 可知, 二 层和 三层 的位 移和加速度 振动幅 度均 有明 显的下 降, 减振 效果 明显; 同 时由于加钢斜撑 后改 变了结 构的 振动特 性, 一 层位移 和加 速度基本没有发 生变 化。结构 经加固 后特 征部 位的加 速度
最大值都在 0 2~ 0 4( m /s2) 左右, 这 与加固 后厂房 结构特 征部位现场 实测结 果较 吻合 (见表 2), 验证 了理 论计 算结 果的正确性。
表 2 一、二、三层特征部位点加速度最大值
方向
层高 /m 32 455
( 三层 )
24 850 ( 二层 )
13 850 ( 一层 ) X 最大加速度 ( m / s2) 0 39 0 33 0 28
Z最大加速度 ( m / s2) 0 37 0 27 0 24
4 结 论
本文以结构动 力时程 分析 理论为 基础 并通 过引入 有限 单元法的计算思 想, 对某 多层 工业厂 房建 立数 学模型 进行 抗振加固动力响应分析 , 经过以 上分析得出如下结论:
1) 本文的有限 元模型由于简化计算的需要, 与 实际结 构可能有些差别, 但基本反映了 厂房的振动规律。
2) 通过有限元 计算与实测结果的比较可发 现, 以正弦 波激励方式作为等 效激励 计算 模式基 本反 应了 框架结 构在 实际荷载作用下的动力 响应。
3) 钢斜撑的加 固方式增大了框架的侧向刚 度, 对减小 厂房振动的效果明显。
4) 对 于有大型动力设备的厂房应尽量使动力设 备基础 或支架与厂房结 构的 主体脱 开, 若无 法脱 开则 其跨度 不宜 大于 9m, 否则应采用有效 措施进行减振。
5) 本 文仅是对厂房结构动力优化设计做的一个 初步探 索, 尚有许多问题需要做进一步 的研究。
参考文献:
[ 1 ] 王军. 水电站厂房结构抗 振加固优化 [ J] . 大连理 工学报, 2002, ( 2 ).
[ 2 ] 李黎, 邬传宇. 建筑 结构 动力特 性动 点脉 动测 试 [ J] . 实 验力学, 1998( 6 ).
[ 3 ] 应怀樵. 波形和频谱分析 与随机数据 处理 [ M ] . 北京: 中 国铁道出版社, 1995.
[ 4 ] R W 克拉夫. 结 构动 力学 [ M ] . 北 京: 中国 铁道 出版 社, 2003.
( 责任编辑 章新敏 )
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