鋼結構皮帶機廊道共振問題淺析

周正為

摘 要：本文通過鋼結構皮帶機廊道工程實例，敘述鋼結構廊道和皮帶機設備產生共振的問題，分析產生該問題的原因，并提出相應的改進方案。

關鍵詞：鋼結構；皮帶機廊道；共振

帶式輸送機以一條無端的輸送帶環繞驅動滾筒和改向滾筒，兩滾筒之間的上下分支各以若干托輥支承，結構簡單，振動頻率很高。一方面，由于輸送帶的物理特性，其自身可能產生共振問題；另一方面，鋼結構廊道是以固定支架作為不動點，沿輸送帶方向設置多個單片支架，組成的一種結構體系，安裝方便，經濟適用，在工程中應用廣泛。鋼結構通廊屬于柔性結構體系，能充分利用鋼材的材料特性，具有自身剛度偏小，固有振動頻率偏高的特點。因此，正常使用狀態下，帶式輸送機和鋼結構廊道的振動頻率可能存在交集，也會產生共振問題。

1 帶式輸送機自身產生共振問題

托輥管體材料的不均勻性及托輥在加工和裝配過程中不可避免的誤差，使得托輥偏心振動，轉速越高，托輥的振動頻率也越高。當其振動頻率與輸送帶的自由振動頻率相等時，將產生共振，導致輸送帶跑偏、托輥及機身損壞，甚至會造成工程事故，嚴重影響輸送機的正常運行。隨著帶式輸送機向高帶速、長距離、大運量方向發展，共振發生的可能性越來越大，共振造成的危害也大大增加。

輸送帶是各向異性材料構成，其橫向與縱向特性差異很大，在橫向的振動過程中，主要是縱向材料在起作用，故可以將輸送帶的構成簡化為單純的彈性體，使得分析模型進一步簡化。輸送帶沿機身被托輥組分成若干個小段，任取兩托輥組間的一段，托輥組間距為l，邊界條件是在兩托輥組處的振幅為0，輸送帶第i階的固有頻率為：ρ——輸送帶的線密度； T——任意段內輸送帶張力

（1.1）

由上式可見，輸送帶在初始條件下可產生各種頻率的振動，最低的振動為基頻，因此，設計中需要令托輥的轉動速度fR≤輸送帶的基頻ω0即可滿足要求。

為避免輸送帶共振，一方面可以增大托輥直徑，減小帶速，這樣可以有效降低托輥轉速；另一方面，可以通過適當增大輸送機張力，減小輸送帶單位質量，減小托輥間距等方法增大輸送帶基頻。然而，增大托輥直徑和減小托輥間距會增加材料用量，減小帶速和減小輸送帶質量會造成工程運輸量的不飽和，每個項目都有其自身特征，設計時需要綜合考慮經濟性和運力的平衡，使方案達到最優。

2 帶式輸送機和鋼結構廊道產生共振問題

和鋼結構廠房不同，鋼結構廊道的結構體系以輕柔為主，豎向荷載由縱向梁傳至固定支架及單片支架，沿輸送機方向的地震荷載由固定支架承擔，垂直輸送機方向的風荷載由該方向的單片支架承擔。由于運輸方面的限制，通常縱梁按簡支設計，其固有頻率為見下式。

（1.2）

簡支梁的剛度很小，因此其固有自振頻率也很小，和帶式輸送機的振動頻率相同時，便產生共振現象。由于輸送帶的振型為弦形振型，人站在走道處可以明顯感到周而復始的振動效果。由式1.2可知，若要增大鋼結構的固有頻率，可以增大梁高或增大梁寬。增大梁高可以有效提高剛度，但是受限于抗震規范高厚比構造要求，增大梁高的同時需要增加腹板厚或者增加加勁肋，結果梁的質量m也會增加，頻率的增加并不明顯。增大梁寬對剛度的貢獻不大，還會造成較大的鋼材浪費。因此，鋼結構廊道的固有自振頻率并不是產生共振問題的主要因素。

筆者認為，產生這種共振現象的主導因素分為兩種：一種是輸送帶的振動頻率，另一種是托輥鋼支架的局部振動頻率。橫向托輥鋼支架分為上下兩根，一般采用型鋼和豎向托輥支架連接。由于輸送帶的帶寬不同，當帶寬較大而橫向托輥支架剛度很小時，會產生局部振動現象，剛度越小。振幅越大，這種局部振動有時會成為輸送帶的主要振動頻率，在物料粘性高時尤其明顯。

為了避免這種局部振動的情況發生，需要采取相應的構造措施。首先，對于帶寬大于2.4m的輸送帶，橫向托輥的跨度很大，可以加大橫向托輥的剛度。其次，可以在橫向托輥之間加設水平支撐，水平支撐可以使用圓鋼，建議按拉桿設計，在滿足設計要求的同時最大限度節省鋼材。最后，可以考慮在支座處安裝粘滯阻尼器作為消能減振裝置，減少振動給行人帶來的影響。這種方法是從舒適度方面著眼，在國內外許多項目中有所應用，但并不能解決共振給整個結構帶來的危害。

3 處理共振問題的思考

第一，根據《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）3.1.2條和6.1.1條，承重結構應按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行設計，正常使用極限狀態包括影響正常使用的振動問題。直接承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化的循環次數n等于或大于5x104次時，應進行疲勞計算。當產生共振的構件振幅過大時，即使結構沒有直接承受動力荷載，該構件也應該考慮疲勞問題。

第二，通過改變結構剛度和質量的方式改變固有振動頻率的方式并不可行，浪費鋼材，效果也不明顯，從整體投資的角度來看不是好的解決方案。

第三，產生共振的原因多種多樣，應該由工藝和結構專業共同協作解決問題。一方面，工藝在施工圖提資階段應該給出設備的振動頻率，方便結構設計人員采取相應的措施；另一方面，結構人員應及時反饋信息，對設備中的個別構件進行微調，防止共振現象的產生。

當今工程樣式多種多樣，設備和鋼結構共振問題是普遍存在的，也是經常被忽略的。對設計人員來說，保證工程質量安全是項目的根本出發點，忽略任何一個細節都可能造成不可挽回的損失。因此，本文提出的問題具有深入研究的價值，希望能對設計施工人員有所幫助。

參考文獻

[1]本社.GB50011-2001建筑抗震設計規范[M].建筑工業出版社，2006.

[2]中國工程建設標準化協會組織.GB 50011-2001 建筑抗震設計規范[M].中國建筑工業出版社，2005.

（作者單位：大連港口設計研究院有限公司）