談SAP2000在空間構(gòu)架式動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)中的應(yīng)用

張國(guó)玲 劉炳強(qiáng)

(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019; 2.山東華元建設(shè)集團(tuán)，山東 諸城 262200)

1 概述

在工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中，動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)涉及土建和機(jī)械兩個(gè)專業(yè)，計(jì)算復(fù)雜，若缺乏精確計(jì)算，將使得設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)過(guò)于龐大，工程中急需合理地解決空間構(gòu)架式動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

向紅［1］利用振幅法對(duì)構(gòu)架式基礎(chǔ)進(jìn)行了動(dòng)力計(jì)算滿足國(guó)內(nèi)規(guī)范要求，通過(guò)靜力計(jì)算對(duì)地基強(qiáng)度、基組偏心值及構(gòu)架式基礎(chǔ)強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算。黃鎧生、謝秀［2］等對(duì)空間構(gòu)架式機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算的方法和步驟進(jìn)行了說(shuō)明。

2 空間構(gòu)架式基礎(chǔ)的計(jì)算原則

空間構(gòu)架式基礎(chǔ)一般由橫梁、縱梁組成頂板，頂板和基礎(chǔ)底板之間以成對(duì)的柱子支承。空間構(gòu)架式基礎(chǔ)是一個(gè)無(wú)限自由度的空間體系，其影響因素很多，如基礎(chǔ)本身質(zhì)量、設(shè)備的質(zhì)量、剛度的分布和剛度、地基的影響、擾力大小和相位等。由于機(jī)器的不平衡擾力使機(jī)組和基礎(chǔ)產(chǎn)生振動(dòng)［3，4］，因此構(gòu)架式動(dòng)力基礎(chǔ)多自由度振動(dòng)計(jì)算，多采用平面連續(xù)梁模型和空間框架模型。本文在計(jì)算構(gòu)架式動(dòng)力基礎(chǔ)中采用空間框架模型［5-7］。

3 SAP2000功能

SAP2000［8］采用基于對(duì)象的非線性有限元技術(shù)，可以模擬能量耗散裝置、材料非線性等一系列的特性。基于對(duì)象的有限元技術(shù)可以采用復(fù)雜的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能。SAP2000對(duì)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)沒(méi)有限制，具有框架單元、殼單元、實(shí)體單元、連接單元，這些單元組合起來(lái)可模擬復(fù)雜的結(jié)構(gòu)［9］。SAP2000強(qiáng)大的分析功能表現(xiàn)在:順序施工、混凝土徐變與收縮、沖擊分析、多基激勵(lì)、基礎(chǔ)隔振與阻尼器、大位移分析、屈曲分析等。SAP2000在結(jié)構(gòu)非線性靜力計(jì)算方面彌補(bǔ)了當(dāng)今不少結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的不足之處。

SAP2000的特點(diǎn)［8］:三維結(jié)構(gòu)整體性能分析，空間建模方便，荷載計(jì)算功能完善，可從CAD等軟件導(dǎo)入，文本輸入輸出功能完善。結(jié)構(gòu)彈性靜力及時(shí)程分析功能相當(dāng)不錯(cuò)，效果高，后處理方便。

4 工程實(shí)例

4.1 實(shí)例概況

已建成使用的某鋼廠電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)(該基礎(chǔ)在使用過(guò)程中狀況良好)，基礎(chǔ)頂板標(biāo)高7.390 m，長(zhǎng)14.1m，寬7m，板厚2m，柱3列，每列兩根，縱向柱距分別為6.3 m和6.9 m，橫向柱距6.1 m，柱截面0.9 m×0.9 m，混凝土C25。機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，表2。荷載作用點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖1。

表1 機(jī)組性能表

圖1 荷載作用點(diǎn)布置

4.2 計(jì)算分析

建立模型時(shí)，基礎(chǔ)頂板采用板單元，柱采用框架單元。在整體坐標(biāo)系中的精確位置進(jìn)行組裝，在組裝時(shí)應(yīng)確保各部分的單元節(jié)點(diǎn)充分連接。柱腳采用嵌固端，建成模型見(jiàn)圖2。

荷載考慮基礎(chǔ)自重、機(jī)組設(shè)備重、X方向、Y方向和Z方向擾力，機(jī)器頻率78 Hz～115 Hz，機(jī)組設(shè)備重量在動(dòng)力計(jì)算時(shí)作為附加質(zhì)量。

4.3 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)，考慮了動(dòng)力荷載的空間分布，可以得到更精確的結(jié)果。為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。前12個(gè)主振型的自振頻率和周期見(jiàn)表3。

表2 機(jī)組荷載表

圖2 鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)模型圖

表3 前12個(gè)主振型的自振頻率和周期表

4.4 動(dòng)力計(jì)算—穩(wěn)態(tài)分析

結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下，其振動(dòng)由兩部分組成，第一部分是由荷載引起的按荷載頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)，第二部分是按自振頻率的振動(dòng)即伴生的自由振動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，伴生的自由振動(dòng)由于存在阻尼隨時(shí)間t的增長(zhǎng)很快衰減掉，而強(qiáng)迫振動(dòng)則持續(xù)下去，形成振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程，這一過(guò)程中的振動(dòng)稱為穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)分析，計(jì)算出其振動(dòng)加速度和振幅，按《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。

4.5 計(jì)算結(jié)果

SAP2000采用的是有限元分析，每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)都有其相對(duì)應(yīng)的位移、速度和應(yīng)力，本文只給出荷載點(diǎn)所簡(jiǎn)化的質(zhì)量節(jié)點(diǎn)的Z向振幅、速度以及整個(gè)模型的最大值，結(jié)果是:Z向最大振幅0.005 3 mm，Z向最大振動(dòng)速度3.01 mm/s，質(zhì)量集中點(diǎn)相同位置Z向振幅、速度見(jiàn)表4。

通過(guò)計(jì)算，基礎(chǔ)振動(dòng)速度小于5 mm/s，說(shuō)明所取的柱子斷面及平臺(tái)頂板厚度是可行的，再加上投產(chǎn)以后的運(yùn)行情況是良好的，說(shuō)明運(yùn)用SAP2000計(jì)算空間構(gòu)架式動(dòng)力基礎(chǔ)是可行的。

5 動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度問(wèn)題

在動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，不僅要控制其振動(dòng)速度和位移，其強(qiáng)度也是設(shè)計(jì)關(guān)注的要點(diǎn)。SAP2000可以通過(guò)定義不同的荷載工況進(jìn)行內(nèi)力分析，分析結(jié)果能夠客觀展現(xiàn)動(dòng)力基礎(chǔ)的實(shí)際受力情況。依次確定基礎(chǔ)的極限承載力。在大型的動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行動(dòng)內(nèi)力分析，SAP2000對(duì)此能夠進(jìn)行分析，從而確定基礎(chǔ)的斷面尺寸，達(dá)到預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

6 動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的剛度問(wèn)題

動(dòng)力基礎(chǔ)中剛度問(wèn)題同樣值得關(guān)注，結(jié)構(gòu)的剛度決定了結(jié)構(gòu)的自振頻率，即剛度越大則自振頻率越高。由于機(jī)器頻率一般比較高，動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須使其自振頻率遠(yuǎn)離機(jī)器的激振頻率以避開(kāi)共振區(qū)(在本文算例模型多次試算中增大柱子截面自振頻率增高，尤其是前3個(gè)主振型)，如果結(jié)構(gòu)剛度低了，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形則有可能滿足不了使用要求。為了解決這一矛盾，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整、計(jì)算，以確定合理的結(jié)構(gòu)形式及各構(gòu)件的截面，利用SAP2000程序處理起來(lái)則比較方便。

表4 SAP2000計(jì)算結(jié)果表

7 結(jié)語(yǔ)

1)SAP2000分析計(jì)算功能十分強(qiáng)大，利用面向?qū)ο蟮牟僮鞣椒▉?lái)建模，它集荷載計(jì)算、靜動(dòng)力分析、線性和非線性計(jì)算等所有計(jì)算分析于一體，容納了最新的靜力、動(dòng)力、線性和非線性分析技術(shù)，計(jì)算快捷，分析結(jié)果合理可靠。

2)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)行情況表明，用SAP2000程序計(jì)算受簡(jiǎn)諧振動(dòng)的設(shè)備基礎(chǔ)是可行的。可以為空間構(gòu)架式動(dòng)力基礎(chǔ)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度設(shè)計(jì)提供快速有效的計(jì)算手段，能發(fā)揮很好的作用。

［1］向 紅.透平壓縮機(jī)組空間構(gòu)架式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和計(jì)算［J］.醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2004，25(1):15-18.

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