大型砂石加工系統篩分樓動力計算難點分析

吳 皓,陳必焰

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司, 湖南 長沙 410014;2.中南大學 地球科學與信息物理學院, 湖南 長沙 410006)

篩分車間作為砂石加工系統中不可或缺的重要構筑物,具有篩選和分級的功能.近年來,隨著砂石加工系統開采能力的增強,為節省用地,系統采用垂直式作業工藝,篩分車間實現同一樓層布置多臺篩分設備、多樓層的空間布置.篩分樓內安裝有一系列動力設備,形成多個振動源,產生一系列頻率不同的動力荷載,使篩分樓的振動問題十分復雜[1].目前針對多層鋼筋混凝土篩分車間的振動問題并沒有統一、適用的計算方法.本文針對某大型砂石加工系統分級篩分車間的結構動力特性參數以及振動控制進行研究,對多層鋼筋混凝土篩分車間的動力計算提出幾點思考,供類似工程設計參考.

1 工程概況

某大型砂石加工系統設計小時處理能力為5000 t/h,由于場地狹小,工藝布置將篩分系統集中于篩分樓中.篩分樓支承12臺2 YKg3060 WGAT圓振動篩、12臺3 YKQ3673－AT圓振動篩和16條帶式輸送機,沿中心線軸對稱布置.雙層篩2 YKg3060 WG－AT圓振動篩放置在342.500 m高程的框架平臺上,三層篩3YKQ3673－AT放置在350.500 m高程的框架平臺上,和358.800 m高程用于固定除塵管和檢修設備的平臺,形成三層框架結構.在篩分設備主框架外側346.600 m高程架設平臺,每側放置3條帶式輸送機.左右對稱的結構通過339.900 m高程的帶式輸送機平臺、350.500 m高程的檢修平臺和358.800 m高程的檢修平臺進行連接,另外365.450 m高程設置鋼平臺用于固定大溜槽和6條帶式輸送機,357.2 m高程兩側設置安排檢修吊裝的32 t橋式起重機.其中,主框架結構根據工藝要求,沿設備篩分方向柱距為8 m,垂直方向柱距為7 m,第一層層高為5 m,第二層層高為8 m,第三層層高為8.3 m,框架平面尺寸、層高均超出常規砂石系統篩分車間建議尺寸[2],見圖1.

圖1 分級篩分車間結構布置

2 動力設計難點分析

目前關于有振動作用的工業廠房的動力計算并無統一的方法,且相關問題的研究文獻較少,通常采用經驗公式法對簡化的構件進行頻率計算,或通過有限元方法對結構進行整體建模計算,判斷是否出現共振現象,然后計算運行期間結構關鍵點的動位移,在此基礎上確定是否進行構件的疲勞計算.

2.1 結構布置

由于框架結構傳力路徑簡單、明確,荷載通過水平結構體系傳給豎向結構體系,直至傳到基礎,因此多層振動構筑物多采用框架結構,以抵抗振動荷載[2].因此,本工程采用鋼筋混凝土框架結構.

根據工藝要求,本工程篩分樓內圓振動篩2YKg3060 WG－AT和3YKQ3673－AT沿結構的軸對稱左右各1臺,共4臺為1組,共6組,每組設備同時運行,獨立檢修.單組設備框架平面尺寸為8 m×7 m,按照?混凝土結構設計規范?GB50010－2010中對露天條件下現澆鋼筋混凝土框架結構設置伸縮縫的要求,最大間距為35 m,需要對本工程篩分樓進行分縫處理.

由于本工程中有2種不同型號的圓振動篩在正常工作時同時運行,會同時形成多個振動源,且頻率不同,因此計算時需要對結構關鍵點的振幅合成方法進行分析.對工業廠房在多臺動力設備的不同擾力作用下,目前沒有通用的方法計算結構關鍵點的合成振幅.?建筑工程振動手冊?[3]中對不多于4臺動力設備時,采用簡單相加的方法;?動力機器基礎設計規范?GB50040－96[4]中無論頻率是否相同,都看作隨機現象,進行振動分量的合成;對于多個一諧擾力或多個二諧擾力的振動合成,相當于直接相加.因此,設置2條伸縮縫.同時由于該地區的地震烈度是7度(0.1 g),因此采用伸縮縫、抗震縫、沉降縫三縫合一的做法,將篩分樓分為3個獨立結構,每個獨立結構中一側的動力設備控制為4臺.

2.2 三維模型簡化

選取一個獨立框架結構進行有限元方法建模,并設置相關參數進行計算.采用三維實體單元建模,約束條件為結構柱端定義為固端約束,板與梁為剛性連接,梁與柱也為剛性連接.采用彈性分析,符合虎克定律,彈性模量取值為32.5 GPa,泊松比取值為0.2,材料密度取值為2600 kg/m3.

篩分樓內動力設備運行時受載荷復雜,不僅包含動力設備的自重及動載荷,還需承受除塵設備的自重及臨時檢修平臺自重等荷載.由于結構承受靜載不會使結構產生振幅,因此在動力計算分析時僅輸入圓振動篩產生的動載荷(見圖2).

多臺振動設備同時運行時,通常存在不同相位差.通過對類似鋼筋混凝土框架篩分樓進行敏感度分析,認為所有設備同時開啟,保持一定相位差運行時,對結構的影響最不利.因此對結構進行簡化,假定所有設備同時開啟,沿軸對稱同側的3 YKQ3673－AT圓振動篩相位差為0°,同時與同側的2 YKg3060 WG－AT圓振動篩相位差為180°.

2.3 動力計算

實際工程中,工業廠房的豎向振動問題多為廠房樓蓋的豎向振動.低頻動力設備會引起工業廠房的水平振動問題,中頻動力設備會引起樓蓋結構的豎向振動,本工程中圓振動篩的工作頻率為13.3,14 Hz和16.7 Hz,根據工程經驗,基本上不會引起廠房的水平低頻振動問題[5].篩梁作為振動設備直接作用的水平結構體系,在利用有限元軟件進行計算時,也需要選取關鍵點,進行動位移定量計算.本工程通過有限元方法對結構進行建模計算,以獲得結構準確的動力響應參數,計算得到的結構豎向位移云圖見圖3.

圖2 動力荷載布置

圖3 豎向位移云圖

在不同振型階數下,由有限元計算得到板在關鍵點處的豎向動位移與篩梁在關鍵點處的豎向動位移,見表1和表2.由表1與表2可知,當選取振型階數為60階計算時,豎向動位移是偏于保守的.

表1 板在關鍵點處的豎向動位移 /mm

表2 篩梁在關鍵點處的豎向動位移/mm

2.4 有限元成果分析

?水利水電工程施工組織設計手冊(第五卷):結構設計?中給出了篩分樓樓面允許振幅值如表3所示.頻率為14.17 Hz對應850次/min;頻率為16.17 Hz對應970次/min.

表3 板在關鍵點處的豎向動位移 /mm

樓板除了在關鍵點處的位移達到0.1010 mm,在其余關鍵點處的最大豎向位移為0.0524 mm,均小于?水利水電工程施工組織設計手冊(第五卷):結構設計?所建議的值.板在關鍵點的豎向位移超過了妨礙工作的位移限值,但是沒有超過長期作用下的有害位移限值.

?水利水電工程施工組織設計手冊(第五卷):結構設計?中明確指出:當計算得出的梁跨內最大動位移(不計入柔性支座之動位移)小于梁跨的1/40000時,可以不進行疲勞強度驗算.由于該工程篩梁的跨度為8 m,因此當梁跨內的最大動位移小于0.2 mm時可以不進行疲勞驗算.通過表3數據,不難發現,篩梁跨中最大位移為0.0992 mm,小于0.2 mm,因此該工程可以不進行疲勞強度驗算.

3 結 論

(1)目前關于有振動作用的工業廠房的動力計算并無統一的方法,可先對篩分樓進行定性分析,合理選擇篩分樓結構型式,確定計算模型,再利用有限元軟件對結構整體和局部進行動力計算,對關鍵點的動位移進行定量計算.

(2)多臺振動設備的篩分車間,需考慮多個振源間的相互影響,在進行結構設計時,可通過對結構進行分縫處理減少單個結構內振動設備的臺數,減弱多臺設備振動對篩分車間結構的不利影響.

(3)通過對多層鋼筋混凝土篩分樓動力特性參數的有限元分析,從計算成果可預測工業廠房的振動情況,為結構設計提供有利參考意見.

[1] 李小可.多層鋼筋混凝土篩分車間振動問題的一般處理方法[D].西安:西安建筑科技大學,2015.

[2] 中國工程建設標準化協會建筑振動專業委員會.建筑振動工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3] 黃啟平.五強溪水電站人工砂石系統篩分樓設計體會[J].中南水電,2011,53(2):55G58.

[4]GB50040－96.動力機器基礎設計規范[S].

[5] 韓勇軍.煤炭篩分樓的振動篩擾力結構研究[J].煤炭與化工,2016,39(11):117G121.