某深邃泵房結構振動有限元數值分析

熊永華，陳昆鵬，王少杰

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 4300151；2.武漢大學，湖北 武漢 430072）

0 引言

隨著我國工業建筑廠房數量增多,將大型機械布置到樓層上，其經濟性效果顯著，已經成為一個必然趨勢。設備擱置與樓板之上，設備振動會引起結構樓板隨之振動，若設備振動頻率與樓層結構振動頻率相似將會引起樓層結構的共振，甚至會導致結構的損壞。在工業建筑中，如何減振、避振已經成為設計中的一個難題，要解決振動的問題，可以對結構進行動力測試，掌握結構自身的振動頻率、阻尼特性等特征，采取合適的結構布置方案，使結構振動頻率遠離設備振動頻率，從而達到減振隔振的目的[1]。

本文以武漢市某污水處理廠深邃為研究對象（見圖1），基于ANSYS 有限元數值分析軟件建立有限元數值模型進行模態分析，得出深邃泵房固有頻率及振型，根據模態分析的結果提出合理的深邃泵房加固方案以減少振動的影響。

圖1 深邃泵房典型平面及剖面圖

1 深邃泵房有限元分析

1.1 泵房模型和材料

本研究對象的混凝土強度等級為C35，彈模為3.15×104MPa，密度為25 t/m3，泊松比取為0.2。研究[1]顯示當承受動力荷載時，結構的動彈模會隨動力大小發生改變，在動應力值較小時，混凝土的動彈模與靜彈?；窘咏?，隨著動應力的增大動彈模會隨之增大，并在動應力達到一定值時趨于穩定，一般動彈模是靜彈模的1.05 倍。本工程案例中混凝土的動彈模取等于靜彈模。深邃泵房設計圖紙見圖1。

根據設計圖，建立深邃泵房的總體模型見圖2。模型通過三維建模軟件根據設計圖紙建立了地面以下的結構。深邃泵房地下部分類似桶狀結構，分為6層，泵房最外層為地下連續墻，最下兩層分別放置了蝸殼、電機，中間三層放置吊車，上層為泵房電纜層及工作活動區。

圖2 泵房有限元幾何模型

1.2 管道網格劃分

模型網格劃分情況如下，總節點數為776 847，總單元數為352 272，網格質量合格。管道有限元網格劃分見圖3。

圖3 深邃泵房總體網格劃分

1.3 泵房約束

泵房結構的約束情況示意見圖4。將各層板、梁柱與地下連續墻連接處設置為固定約束。泵房墻壁外側與土層接觸采用水平彈簧單元模擬，彈簧剛度根據本工程地勘報告提供的基床系數確定，取深度加權值10 000 kN/m2。

圖4 泵房總體約束設置

1.4 泵房模態分析結果

泵房模態分析結果見圖5。模態分析包括結構的自振頻率計算和振型計算，借助振型圖確定結構構件自振頻率分布。

圖5 泵房前10 階模態

泵房前10 階振型圖及振型說明見圖5 及表1。

表1 前10 階模態振型說明

水泵從啟動至正產工作頻率范圍為0~8.25 Hz，由模態分析結果可知，水泵工作主頻（8.25 Hz）在1階頻率和2 階頻率之間。為避免共振的發生，泵房結構自振頻率需避開水泵的主頻（8.25 Hz）。根據泵房前10 階模態的振型圖可得出：隨機振動產生振幅較大的部位是泵房中心墻，相對標高11.50 m 層、相對標高42.50 m、相對標高46.30 m 層。前10 階模態振型分析結果顯示：易產生振動變形的位置為各層板的中心處、層板被梁或墻分成兩區域后兩個半圓的形心處，這些地方振動振幅較大的區域。

綜上分析，可考慮在相對標高27.00 m 與34.75 m層處增加梁以提高固有頻率到泵的主頻以上，減少共振影響。

1.5 增加梁后泵房模態分析結果

圖6 所示為在相對標高27.00 m 與34.75 m 層處每層增加四道軸向截面為900 mm×1 600 mm 的梁后的廠房三維模型，其余層板等尺寸不變。

圖6 增加梁后的深邃泵房模型

圖7 為廠房模態分析結果，表2 為前4 階模態振型說明。表3 為增加梁的尺寸與廠方固有頻率關系。

表3 梁截面尺寸與廠方固有頻率關系

圖7 前4 階模態振型

表2 前4 階模態振型說明

由模態分析結果可知：各階模態頻率與振幅差別不大，增加梁后的泵房1 階頻率高于泵的主頻25%以上，不易和泵產生共振影響。

2 結論

（1）基于ANSYS 有限元數值分析軟件建立了深邃泵房有限元數值分析模型，從而進行模態分析，結果顯示，最容易產生振動變形的部位是各層板的中心處、層板被梁或墻分成兩區域后兩個半圓的形心處，這些地方屬于振幅較大的區域。

（2）增加梁后的泵房1 階頻率高于泵的主頻25%以上，不易和泵產生共振影響。通過結構有效布置可減少振動和變形，對于解決泵房振動問題是有效的。