談SAP2000在空間構架式動力機器基礎中的應用

張國玲 劉炳強

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

1 概述

在工業廠房的設計中，動力設備基礎的設計涉及土建和機械兩個專業，計算復雜，若缺乏精確計算，將使得設計的基礎過于龐大，工程中急需合理地解決空間構架式動力設備基礎的設計問題。

向紅［1］利用振幅法對構架式基礎進行了動力計算滿足國內規范要求，通過靜力計算對地基強度、基組偏心值及構架式基礎強度進行了驗算。黃鎧生、謝秀［2］等對空間構架式機器基礎設計與計算的方法和步驟進行了說明。

2 空間構架式基礎的計算原則

空間構架式基礎一般由橫梁、縱梁組成頂板，頂板和基礎底板之間以成對的柱子支承。空間構架式基礎是一個無限自由度的空間體系，其影響因素很多，如基礎本身質量、設備的質量、剛度的分布和剛度、地基的影響、擾力大小和相位等。由于機器的不平衡擾力使機組和基礎產生振動［3，4］，因此構架式動力基礎多自由度振動計算，多采用平面連續梁模型和空間框架模型。本文在計算構架式動力基礎中采用空間框架模型［5-7］。

3 SAP2000功能

SAP2000［8］采用基于對象的非線性有限元技術，可以模擬能量耗散裝置、材料非線性等一系列的特性。基于對象的有限元技術可以采用復雜的自動網格劃分功能。SAP2000對節點個數沒有限制，具有框架單元、殼單元、實體單元、連接單元，這些單元組合起來可模擬復雜的結構［9］。SAP2000強大的分析功能表現在:順序施工、混凝土徐變與收縮、沖擊分析、多基激勵、基礎隔振與阻尼器、大位移分析、屈曲分析等。SAP2000在結構非線性靜力計算方面彌補了當今不少結構計算軟件的不足之處。

SAP2000的特點［8］:三維結構整體性能分析，空間建模方便，荷載計算功能完善，可從CAD等軟件導入，文本輸入輸出功能完善。結構彈性靜力及時程分析功能相當不錯，效果高，后處理方便。

4 工程實例

4.1 實例概況

已建成使用的某鋼廠電動鼓風機基礎(該基礎在使用過程中狀況良好)，基礎頂板標高7.390 m，長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。機組設計參數見表1，表2。荷載作用點布置圖見圖1。

表1 機組性能表

圖1 荷載作用點布置

4.2 計算分析

建立模型時，基礎頂板采用板單元，柱采用框架單元。在整體坐標系中的精確位置進行組裝，在組裝時應確保各部分的單元節點充分連接。柱腳采用嵌固端，建成模型見圖2。

荷載考慮基礎自重、機組設備重、X方向、Y方向和Z方向擾力，機器頻率78 Hz～115 Hz，機組設備重量在動力計算時作為附加質量。

4.3 模態分析結果

模態分析用于確定結構的模態，考慮了動力荷載的空間分布，可以得到更精確的結果。為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。前12個主振型的自振頻率和周期見表3。

表2 機組荷載表

圖2 鼓風機基礎模型圖

表3 前12個主振型的自振頻率和周期表

4.4 動力計算—穩態分析

結構在動力荷載作用下，其振動由兩部分組成，第一部分是由荷載引起的按荷載頻率的強迫振動，第二部分是按自振頻率的振動即伴生的自由振動，經過一段時間后，伴生的自由振動由于存在阻尼隨時間t的增長很快衰減掉，而強迫振動則持續下去，形成振動的穩態過程，這一過程中的振動稱為穩態振動。通過對結構振動的穩態分析，計算出其振動加速度和振幅，按《動力機器基礎設計規范》來判斷結構設計是否合理。

4.5 計算結果

SAP2000采用的是有限元分析，每個單元節點都有其相對應的位移、速度和應力，本文只給出荷載點所簡化的質量節點的Z向振幅、速度以及整個模型的最大值，結果是:Z向最大振幅0.005 3 mm，Z向最大振動速度3.01 mm/s，質量集中點相同位置Z向振幅、速度見表4。

通過計算，基礎振動速度小于5 mm/s，說明所取的柱子斷面及平臺頂板厚度是可行的，再加上投產以后的運行情況是良好的，說明運用SAP2000計算空間構架式動力基礎是可行的。

5 動力基礎設計中的強度問題

在動力基礎設計中，不僅要控制其振動速度和位移，其強度也是設計關注的要點。SAP2000可以通過定義不同的荷載工況進行內力分析，分析結果能夠客觀展現動力基礎的實際受力情況。依次確定基礎的極限承載力。在大型的動力機器基礎設計時需進行動內力分析，SAP2000對此能夠進行分析，從而確定基礎的斷面尺寸，達到預計的設計強度。

6 動力基礎設計中的剛度問題

動力基礎中剛度問題同樣值得關注，結構的剛度決定了結構的自振頻率，即剛度越大則自振頻率越高。由于機器頻率一般比較高，動力基礎設計必須使其自振頻率遠離機器的激振頻率以避開共振區(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個主振型)，如果結構剛度低了，結構的強度和變形則有可能滿足不了使用要求。為了解決這一矛盾，需要對結構進行反復調整、計算，以確定合理的結構形式及各構件的截面，利用SAP2000程序處理起來則比較方便。

表4 SAP2000計算結果表

7 結語

1)SAP2000分析計算功能十分強大，利用面向對象的操作方法來建模，它集荷載計算、靜動力分析、線性和非線性計算等所有計算分析于一體，容納了最新的靜力、動力、線性和非線性分析技術，計算快捷，分析結果合理可靠。

2)風機基礎運行情況表明，用SAP2000程序計算受簡諧振動的設備基礎是可行的。可以為空間構架式動力基礎的強度設計及剛度設計提供快速有效的計算手段，能發揮很好的作用。

［1］向 紅.透平壓縮機組空間構架式基礎的設計和計算［J］.醫藥工程設計，2004，25(1):15-18.

［2］黃鎧生，謝 秀.淺談空間構架式動力機器基礎設計與計算［J］.山西建筑，2002，28(11):20-21，34.

［3］張榮山.工程振動與控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［4］GB 50040，動力機器基礎設計規范［S］.

［5］徐 建.建筑振動工程手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［6］侯興民，馬小燕，吳漢生，等.動力機器基礎振動與設計若干問題的討論［J］.地震工程與工程振動，2008，28(3):131-137.

［7］王錫康.動力機器基礎振動學科在我國的發展及需研究的若干問題［J］.工業建筑，2007，37(6):83-90.

［8］北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［9］周錫元，馬東輝.疊層鋼板橡膠墊的穩定性分析和溫度驗算［J］.建筑科學，1997(6):17-19.