鋼結構輸煤棧橋的防振設計★

張衛華 王渭南 申躍奎

(1．中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安 710054;2．西安建筑科技大學，陜西西安 710055)

輸煤棧橋是煤礦、火電廠、煤化工等行業中的主要輔助生產構筑物。近些年來，隨著產能的增加，棧橋結構的寬度、跨度和高度也不斷增加，導致鋼結構輸煤棧橋得到了更為廣泛的應用。但是鋼結構棧橋質量輕、剛度較小，當設計不當時輸煤皮帶在動力荷載作用下經常會發生結構振動的問題。這些振動不僅影響舒適度，損害人體健康，而且嚴重時會對設備及結構安全造成影響。所以本文結合某已經建成的具體工程，分析討論棧橋結構的振動問題。

1 工程概況

該棧橋位于陜西省榆林市，為煤礦的輸煤棧橋，輸煤皮帶寬度為2．0 m，于2010年完工。其場地設防烈度為6度，不考慮抗震設計。如圖1所示，棧橋跨度為30．26 m，寬度為4．30 m，傾角為14°，棧橋低端為鉸接支座，高端為滑動支座。另外，鋼桁架端部設有門架，上下弦平面內設橫梁及上下弦支撐系統，底板為預制槽板，頂板及兩側墻板為夾芯彩板。

煤礦建成投產運行后發現該棧橋的振動比較大，且隨著時間的推移振動有加強的趨勢，從而引起了甲方的重視，并請有關單位進行了監測，結果發現鋼桁架的豎向自振頻率為3．8 Hz，鋼棧橋下弦跨中豎向加速度為0．325 m/s2，超出了有關振動控制的限值，為此有必要進行棧橋的動力特性分析和振動原因研究。分析時鑒于鋼桁架支座均坐落在剛度較大的四柱支架頂部，所以僅考慮鋼桁架的特性。

圖1 棧橋桁架的幾何關系

原先棧橋是由靜力分析來控制設計的，材料采用Q345鋼材。控制各桿件的強度和穩定均滿足設計要求得到桿件的截面如圖2所示，其中除端部門架桿件為H形截面外，上弦截面為2L140×2，下弦截面為2L125×12，其余腹桿大小不等，但都是由雙角鋼組合成的T形截面。這也是進行動力分析的結構原型。

2 結構動力特性分析

對棧橋結構的動力分析采用SAP2000 V14．2．4程序進行。考慮到振動特性分析最好和實際情況相近，在SAP2000的振動模態分析中，質量源沒有采用靜力分析中的荷載，而是根據棧橋皮帶的 實際運力計算每個節點上的質量。

圖2 棧橋結構的截面

對于桁架的上弦節點，考慮80 mm厚夾芯板自重、上弦水平支撐和檁條的質量、側墻板及墻檁的質量和可能的積灰荷載，最后得到2．6 m間距的節點質量為331．4 kg。對于桁架的下弦節點，考慮180 mm厚預制槽形板自重、下弦水平支撐的質量、側墻的質量、皮帶自重及煤自重，最后得到2．6 m間距的節點質量為1 988．0 kg。這樣得到桁架的質量輸入如圖3所示，其中桁架的桿件質量可由單元自行計算。

建立模型時鋼材采用線彈性模型，材料密度7．85×10 kg/m，彈性模量 E=2．0 ×105N/mm2，剪切模量 G=7．69 ×104N/mm2，泊松比 0．30。

不考慮桁架墻板的蒙皮效應分析上述模型，得到桁架的前4階振型如圖4所示，前8階的自振周期如表1所示。其中第一階振型的頻率為3．16 Hz，與實測得到的豎向振動頻率3．8 Hz接近。當考慮棧橋墻板、頂底板的蒙皮作用時，結構的剛度增大，周期變短頻率增大。若考慮其影響系數為1．2，則結構的第一振型對應的頻率為 1．2 ×3．16=3．89 Hz，與實測資料非常接近。

圖3 模型的質量輸入

圖4 棧橋的振型

3 棧橋振動原因

結合棧橋的實際運營進行分析，引起棧橋振動的因素有風荷載和帶式輸送機設備的振動等，主要的振動來源為輸送機設備正常運行時物料、皮帶對托輥的沖擊荷載和托輥轉動時偏心荷載，其次還有膠帶跑偏和受料沖擊引起的結構振動等。其中托輥的偏心激振力、膠帶彎曲變形及物料不均引起的豎向激振力必須進行考慮。

結合本皮帶的設計參數，托輥直徑190 mm，皮帶運行速度2．5 m/s，則托輥的偏心激振力頻率為:

這和結構實測得到的振動頻率相近，可見是引起結構振動的主要原因。這也說明棧橋設計時需要考慮皮帶的傳輸速度和托輥直徑之間的關系，進行棧橋的動力特性比較，否則會引起桁架的較大振動，影響工作人員的舒適度和結構的安全。

假定負載時皮帶沿縱向在托輥之間呈三角函數形狀，那么棧橋受到的物料不均勻引起的激振頻率可以結合托輥的間距和皮帶速度來確定，這里托輥間距為1．0 m，皮帶運行速度為2．5 m/s，則物料不均勻引起的激振力頻率為:

可見物料的不均勻引起的激振力不是本棧橋振動的主要原因。但是如果皮帶的速度提高到4 m/s時，物料不均勻的激振頻率會達到4 Hz，將會引起棧橋的激烈振動。這也說明了棧橋設計時需要考慮皮帶速度和托輥間距之間的關系，否則皮帶上物料不均勻會導致棧橋的較大振動。

4 減振措施

通過上面的分析可見，對于本棧橋振動問題，首先可以通過調整皮帶的傳輸速度，使得托輥偏心和物料不均勻引起的激振力頻率避開結構自振頻率從而實現結構減振。除此以外還可以通過結構的上下弦的加固，改變結構的剛度，從而改變結構的自振頻率實現結構減振。當然對于新設計的棧橋，只需要調整結構的斷面大小，即剛度大小就可以改變結構頻率從而達到減振的目的。

表1 結構的自振周期與頻率

5 結語

本文研究了棧橋結構振動的內在機理，認為對于大跨棧橋結構必須進行結構振動方面的分析設計。結構的自振特性、托輥的偏心荷載激勵和物料不均勻引起的豎向激勵是棧橋振動的內在原因。設計時需要結合工藝參數進行動力研究從而避免結構的強烈振動，實現結構的設計安全。