大跨度輸煤棧橋振動分析與解決方法

李紅波

（中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司，天津300000）

1 工程概況

某煤礦輸煤棧橋，軸線寬度為3.8m，總長度約166m，共4 跨，單跨約40m,距地面高約50m，棧橋結(jié)構(gòu)形式為鋼桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)置雙角鋼下拉桿。經(jīng)過幾年的運(yùn)行使用，發(fā)現(xiàn)下拉桿出現(xiàn)不同程度的斷裂或開焊（見圖1）。

圖1 鋼桁架下?lián)螚U斷裂處

2 原因分析

2.1 數(shù)據(jù)分析

用MIDAS Civil 建立棧橋單跨計算模型，進(jìn)行模態(tài)分析，求解棧橋主體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性；計算分2 種工況，分別為空載和施加煤炭荷載。計算結(jié)果只考慮前四階低頻模態(tài)，如表1 所示，主結(jié)構(gòu)模態(tài)變形圖如圖2 和圖3 所示。

表1 主結(jié)構(gòu)模態(tài)計算結(jié)果

圖2 主結(jié)構(gòu)空載狀態(tài)下模態(tài)變形圖

圖3 主結(jié)構(gòu)帶載狀態(tài)下模態(tài)變形圖

帶載工況下棧橋主結(jié)構(gòu)固有頻率相比空載狀態(tài)有了明顯的減小，幅度為35%；當(dāng)棧橋在輸煤狀態(tài)下，其荷載大幅增加，會增大棧橋的振幅。

實(shí)地檢測結(jié)果如下：振動測試根據(jù)現(xiàn)場情況選定3 個工況，分別為卸煤、空轉(zhuǎn)、運(yùn)煤，其中卸煤和運(yùn)煤對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擾動較大，進(jìn)行了重點(diǎn)檢測。從上到下依次為1 跨、2 跨、3 跨、4 跨，跨中位置4 個測點(diǎn)，檢測數(shù)據(jù)如表2 所示。經(jīng)檢測運(yùn)煤工況棧橋振動最大值對應(yīng)頻率穩(wěn)定，集中在7.6～7.8Hz。

表2 各個工況下下振動速度測試最大值及峰值頻率

通過檢測數(shù)據(jù)說明：棧橋主體結(jié)構(gòu)振動最大值為2.5～4mm/s，在結(jié)構(gòu)可能受損振動量級2.5～10mm/s 區(qū)域（《機(jī)器動荷載作用下建筑物承重結(jié)構(gòu)的振動計算和隔振設(shè)計規(guī)程》YBJ55-90），在動載荷的長期作用下易對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷破壞。

運(yùn)煤時棧橋主振頻率為7.6～7.8Hz，與棧橋扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率一致，說明在運(yùn)煤過程中，扭轉(zhuǎn)作用下對下拉桿產(chǎn)生一定的疲勞應(yīng)力。

2.2 實(shí)地觀測

風(fēng)的脈動和橫風(fēng)向激振效應(yīng)，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件在順風(fēng)向和橫風(fēng)向均能產(chǎn)生振動，氣流圍繞著物體流動時，在物體兩側(cè)發(fā)生分離。當(dāng)物體的特征尺度與氣流速度存在一定關(guān)系時，將有規(guī)律地交替釋放漩渦。這種由交替渦流引起且與風(fēng)向垂直的振動，按其發(fā)生原因稱為渦激振動。該工程離地面約50m 高，所處地域風(fēng)也較大較頻繁。在倉頂近距離觀察下拉桿，并拍攝視頻觀察，棧橋整體未發(fā)生變形，僅下拉桿發(fā)生有規(guī)律的扭轉(zhuǎn)、不停地振顫，以此判斷在風(fēng)激勵下的局部桿件有渦激共振。

綜合以上數(shù)據(jù)檢測和實(shí)際觀察，可以判斷在運(yùn)煤過程中，扭轉(zhuǎn)作用下對下拉桿產(chǎn)生一定的疲勞應(yīng)力。同時在風(fēng)速較大的情況下，下拉桿局部桿件產(chǎn)生渦激共振，長期的振顫、扭轉(zhuǎn)作用下桿件疲勞破壞。

3 解決方法

主要有2 種方法：增加振動桿件的阻尼；提高桿件的剛度，減少桿件的長細(xì)比。從實(shí)際情況和設(shè)計可實(shí)施性考慮，采用提高桿件剛度的方法較簡捷，具體措施如下：

1）減小桿件長細(xì)比，提高桿件產(chǎn)生渦激共振的臨界風(fēng)速。設(shè)計時減小下拉桿節(jié)間距，增加支撐。計算提取下拉桿自振頻率，計算臨界風(fēng)速，二者在滿足規(guī)范的要求下，風(fēng)載不會發(fā)生共振破壞。

2）增加下拉桿的構(gòu)件，例如增加斜桿支撐等，使風(fēng)在穿過棧橋時產(chǎn)生亂流，無法形成固定渦旋脫落頻率，減少發(fā)生共振的可能性。

3）桿件節(jié)點(diǎn)采用防止疲勞破壞的措施。例如，設(shè)計時腹桿與弦桿間的間距不小于50mm，節(jié)點(diǎn)板的兩側(cè)做成半徑r不小于60mm 的圓弧；節(jié)點(diǎn)板與角鋼弦桿的連接焊縫，起落弧點(diǎn)至少縮進(jìn)5mm；節(jié)點(diǎn)板與H 形截面T 形對接與角接組合焊縫應(yīng)予悍透，圓弧處不得有起落弧缺陷；桿件的填板的焊縫起落弧點(diǎn)應(yīng)縮進(jìn)至少5mm 等。

4 結(jié)語

本文給出了帶下拉桿輸煤棧橋，下拉桿在運(yùn)煤荷載、風(fēng)荷載作用下，局部桿件產(chǎn)生渦激共振，長期的振顫、扭轉(zhuǎn)作用下桿件疲勞破壞。有效的解決方法，就是提高桿件的剛度，減少桿件的長細(xì)比。此方法在幾個工程中實(shí)踐應(yīng)用并取得良好效果，實(shí)踐證明此方法可行。