洗煤廠鋼格板樓面鋼框架主廠房加固設(shè)計

肖海濤

(山西約翰芬雷華能設(shè)計工程有限公司北京分公司，北京 100004)

1 工程概況

某選煤廠多層鋼框架主廠房采用鋼格板樓面。由于該廠房局部振動較大，2005年—2010年，業(yè)主對3.000 m 標(biāo)高和7.500 m 標(biāo)高進(jìn)行了兩次加固處理;2011年8 月因工藝改造在3.500 m 標(biāo)高增加了一臺離心機(jī)，7.500 m 標(biāo)高增加了2 臺振動篩，13.500 m 標(biāo)高增加了2 臺旋流器組，并對相應(yīng)設(shè)備區(qū)域進(jìn)行了加固，但振動問題依然存在。2012年5 月，為了徹底解決廠房振動，業(yè)主聘請相關(guān)單位對廠房的振動情況進(jìn)行現(xiàn)場測試，決定對主廠房進(jìn)行全面加固處理，徹底解決安全隱患。

2 加固設(shè)計

根據(jù)機(jī)制專業(yè)提供的設(shè)備荷載及工藝布置建立空間模型對主廠房鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面復(fù)核。用3D3S 及ANSYS 建模分析，通過分析計算，改造方案可確定如下:

1)經(jīng)過驗算，原設(shè)計基礎(chǔ)承載力有一定富余，基礎(chǔ)無需加固處理。2)加固方案:鋼柱采用焊接角鋼的方法進(jìn)行加固;振動設(shè)備下的次梁全部替換為剛度較大的H 型鋼;主梁采用加焊H 型鋼和加設(shè)隅撐的方法加固;其余部分次梁采用貼焊鋼板的方法加固。3)為加強(qiáng)振動區(qū)域的整體性鋪設(shè)壓型鋼板混凝土組合樓板，樓板總厚度130 mm;非振動區(qū)域鋪設(shè)5 mm 厚花紋鋼板。4)加固后，放置振動設(shè)備的區(qū)域，樓面的豎向剛度和平面內(nèi)剛度都得到很大改善，不會和設(shè)備發(fā)生共振，振幅控制在可以接受的范圍內(nèi)。5)加固后，放置振動設(shè)備的區(qū)域，樓面梁直接承受動力荷載，經(jīng)疲勞驗算表明:所有直接承受動力荷載的梁均不會發(fā)生疲勞破壞。

2.1 振動分析

2.1.1 結(jié)構(gòu)自振特性

1)結(jié)構(gòu)整體自振特性。為進(jìn)行共振分析，首先需要將設(shè)備的振動頻率和整體結(jié)構(gòu)的自振頻率進(jìn)行比較。整體結(jié)構(gòu)前6 階周期如表1 所示。整體結(jié)構(gòu)的基本周期為0.763 8 s，基本頻率為1.309 Hz，第1 振型為Y 方向水平振型。

表1 結(jié)構(gòu)整體振動特性

2)局部結(jié)構(gòu)自振特性。除了和整體結(jié)構(gòu)的自振頻率進(jìn)行比較之外，還應(yīng)該對放置振動設(shè)備的區(qū)格的豎向振動頻率進(jìn)行計算和分析。a.3.000 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)自振特性。3.000 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)的前6 階周期如表2 所示。3.000 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)的基本周期為0.146 73 s，基本頻率為6.81 Hz，第1 振型為豎向振型。b.7.500 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)自振特性。7.500 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)的前6 階周期如表3 所示。7.500 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)的基本周期為0.100 86 s，基本頻率為9.91 Hz，第1 振型為豎向振型。c.13.500 m標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)自振特性。13.500 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)的前6 階周期如表4 所示。13.500 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)的基本周期為0.128 64 s，基本頻率為7.77 Hz，第1 振型為豎向振型。

表2 3.000 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)振動特性

表3 7.500 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)振動特性

表4 13.500 m 標(biāo)高局部結(jié)構(gòu)振動特性

2.1.2 結(jié)構(gòu)共振分析

表5 列出了各層振動設(shè)備的振動頻率及其和結(jié)構(gòu)自振頻率的比值。離心機(jī)、振動篩和臥式脫水機(jī)都是高頻振動設(shè)備，其工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)的自振頻率，這表明結(jié)構(gòu)和設(shè)備不會發(fā)生共振。

表5 振動設(shè)備的頻率及其和結(jié)構(gòu)自振頻率的比值

2.1.3 有限元時程分析

為了計算多自由度體系的強(qiáng)迫振動，本文特別選取3.000 m的某個區(qū)格進(jìn)行了有限元時程分析。建模時，取出了3.000 m 標(biāo)高平面的一個區(qū)格，將主次梁采用Beam44 單元模擬，樓板采用Shell63 單元模擬，將4 個角點設(shè)置為固定鉸支座。離心機(jī)帶料重50 kN，頻率為25 Hz，荷載按簡諧荷載輸入。結(jié)構(gòu)阻尼比取為ξ=0.02。輸入25 個周期的荷載激勵，可得四個加載點的時程曲線，見圖1。

可以看出，加載點的最大峰值響應(yīng)為0.80 mm。對7.500 m的振動篩區(qū)格和13.500 m 的臥式脫水機(jī)區(qū)格進(jìn)行有限元分析，得出的響應(yīng)峰值如表6 所示?？梢?，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)峰值在1.0 mm 以內(nèi)，是可以接受的。

圖1 加載點的時程曲線

表6 振動設(shè)備時程分析響應(yīng)峰值

2.2 疲勞分析

2.2.1 應(yīng)力幅計算

根據(jù)振動分析報告的內(nèi)容，可以得到各振動區(qū)域的振動峰值響應(yīng)和各次梁的彎矩峰值響應(yīng)如表7 所示。

梁在彈性階段工作，根據(jù)彈性理論，假定已知梁的截面，可以算出梁的最大應(yīng)力幅為:

表7 各振動區(qū)域的振動峰值響應(yīng)和各次梁的彎矩峰值響應(yīng)

所有直接承受動力荷載的次梁截面均為H650×250×10×12，其應(yīng)力幅見表8。

表8 次梁應(yīng)力幅

2.2.2 疲勞驗算

根據(jù)GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公式6.2.1-2，容許疲勞應(yīng)力幅為:

其中，C 和β 均偏安全的按照第2 類構(gòu)造取值。容許應(yīng)力幅見表9。由表8，表9 可知，疲勞驗算滿足要求。

表9 容許應(yīng)力幅

3 結(jié)語

振動設(shè)備是主廠房的主要設(shè)備，解決振動問題是主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。鋼框架主廠房采用鋼格板樓面致使結(jié)構(gòu)樓層平面內(nèi)剛度很小，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度整體性較差。采用鋼格板樓面的鋼框架因設(shè)備振動引起的結(jié)構(gòu)共振并不少見。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)針對振動設(shè)備區(qū)域采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，以加大該區(qū)域的整體剛度，減小振動對結(jié)構(gòu)的影響。有效的措施包括:加大振動設(shè)備區(qū)格的梁、柱截面;樓面設(shè)置為剛度較大的混凝土組合樓板;設(shè)置水平及豎向支撐等。

［1］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］GB 50583—2010，選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］GB 50359—2005，煤炭洗選工程設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］張榮山.建筑結(jié)構(gòu)振動計算與抗振措施［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010.