選煤廠主廠房振動分析與控制措施

何志鵬

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

主廠房是選煤廠生產系統的核心建筑，通常采用多層鋼筋混凝土框架結構或鋼結構，其中各樓層布置有各種大型動力設備。在主廠房設計階段，如果對其結構布置考慮不周，生產運營期間容易發生設備振動引起的梁、柱及樓板振動問題，進而導致機器的使用功能下降，甚至可能影響生產的正常進行。因此，在主廠房設計初期，就要考慮動力荷載對結構的影響，并提出改善結構抗振性能的措施，避免不良現象或事故的發生。

對于選煤廠主廠房抗振問題，目前我國沒有特別有效的針對方法，要么消極地等裂縫出現后自行緩解，要么采用增加支撐等方法，但效果均不太理想[1]。經綜合分析與研究，只有在設計階段通過計算和采取積極有效的防治措施，才能從根本上解決問題。根據結構防振設計原則和結構布置原則、動力計算方法，對雞西榮華立井選煤廠的主廠房進行抗振設計，以為選煤廠投產后的正常生產提供安全保障。

1 結構防振設計原則

通過動力學理論可知，兩方面的因素控制著結構的振動[2]: 一方面是對結構施加的激振力，即擾力源；另一方面是結構對特定激勵的響應，即結構自身的動力特性。當結構自身的某階固有頻率與擾力源頻率接近甚至吻合時，將會發生共振現象[3]。此時結構振動響應強烈，振幅可能變得很大，這對結構本身和工作環境不利。通常結構的防振設計主要依據以下原則：

(1)首先考慮避開共振區，即調整結構的自振頻率，使其與設備工作頻率錯開。如果工作頻率不同的多臺振動設備相鄰布置，且結構自振頻率調整困難，導致兩者頻率無法錯開時，宜調整設備布置，盡量設置獨立的結構振動單元。

(2)對于無法避開共振區的情況，應盡可能調整結構剛度，使其自振頻率遠離設備工作頻率，并控制結構振幅不超過正常使用的允許值。一般情況下，對于已經定型的設備，其工作頻率基本確定，防止共振就得從結構方面考慮，選擇適當的結構自振頻率，使其遠離設備激振頻率[4]。

2 結構布置原則

主廠房的結構方案與選煤設備的布置緊密相關，要想設計出合理的結構方案，在進行工藝設計之初，結構設計人員就應全面參與設備布置的研究，結合實際情況對不同設備提出具體的結構布置方案，將動力設備布置在對結構最有利的位置，盡可能從布置方面減輕設備振動對結構可能產生的不利影響[5]。但在很多工業建筑設計中，經常由工藝專業主導平面布置，導致結構布局不完全合理，這就更需要土建設計師根據豐富的設計經驗調整、完善結構方案，進而形成良好的柱網、梁板體系，充分利用結構的整體剛度抵抗設備產生的擾力。在結構布置足夠好時，即使選用等量的材料，也能使設備振動產生的影響大大降低，從而達到既經濟合理，又滿足生產和使用的要求。

根據建筑設計規范，結構方案可以遵循如下原則布置：①由于柱子對抵抗上下慣性力的剛度近似為無限大，故以垂直振動為主的設備宜布置在梁的支座和柱子附近；②以水平振動為主的設備宜布置在梁的跨中部位，并使其擾力沿梁的軸線方向作用[5]；③跳汰機的水平振動頻率應控制在主廠房的自振頻率以下；④對于振動篩和跳汰機，其擾力方向要與承重結構水平剛度較大的方向一致；⑤主廠房宜采用鋼筋混凝土樓蓋，且樓蓋不宜太薄；⑥振動梁宜布置成單跨梁，以方便計算。

結構的自振頻率主要取決于自身剛度，故還應采取措施增強梁的剛度，并減小其跨度，這主要通過以下三種方法實現：①改變結構的柱網布置，一般常用的、較經濟的柱網為6～8 m柱距；②在承受動荷載的梁下面增加鋼或鋼筋混凝土柱子，以減少梁的跨度，這樣可以明顯減少梁的振幅，但這種布置往往受工藝布置的限制；③在承受動荷載的梁下增設鋼斜撐，作為梁的支點，以減小其跨度，這也是減少梁振幅的有效措施。

3 動力計算方法

選煤廠主廠房的各樓層布置設備較多，在實際生產過程中，各設備在同一時間的振幅、頻率不同，在不同時間的振幅、頻率也為變量，因此對振動進行精確計算很困難。目前，對于結構振動計算多采用靜力計算方法，即先將設備的靜力荷載乘以1.3～2.0的動力系數[6]，再將其乘積作為計算荷載施加于結構，然后對結構進行內力計算[5]。

在整體布局完成后，針對結構具體部位，還需通過動力計算對靜力計算結果進行修正和調整。目前，我國大多沿用1991年冶金部的《機器動荷載作用下建筑物承重結構的振動計算和隔振設計規程》[7]，根據該規范的規定，梁的固有振動頻率分為五個區(圖1)，頻率由0至n1為振前區，n1至n2為第一振型共振區，n2至n3為間歇區，n3至n4為第二振型共振區，大于n4為超振區。

圖1 振區結構示意圖

如果設備動荷載的工作頻率在振前區，不會引起共振；如果其在第一振型共振區，就會引起共振，并產生很大的振幅和內力；如果其在間歇區，不會引起大的共振，只有在設備啟停機時，當設備頻率通過第一振型共振區才可能引起瞬時共振；如果其在第二振型共振區，也會引起共振。結構動力計算的首要內容就是摸清結構的動力特性，計算其自振頻率[8]。研究表明，設備的頻率一般在16 Hz左右，將梁的自振頻率控制在24 Hz以上，通常不會發生共振[9]。

根據GB 50583—2010《選煤廠建筑結構設計規范》[10]規定：對于承受動力荷載的結構，當梁的第一頻率密集區內最低自振頻率(計算值)大于設備擾力頻率時，可不進行動力計算，但應按動力系數法對其進行靜力計算。在具體結構設計中，我們只對直接承受動力荷載的梁進行避振計算，也就是對梁的自振頻率進行設計與調整。作為直接振動梁支座的間接振動梁，一般不考慮避振。但對結構進行靜力計算時，由直接振動梁傳來的集中荷載要考慮動力系數；而對柱子進行靜力計算時，不必考慮動力系數，其一般由工藝專業提供。

梁的自振頻率計算式為：

式中：fi為自振頻率，Hz；φ1自振頻率系數；l為梁的計算跨度，m；D為梁的剛度，D=EI，N·m2；m為單位長度換算均布質量，kg/m。

從上式可看出，影響結構自振頻率的因素包括梁的剛度和跨度、單位長度換算均布質量，其中梁的剛度取決于結構材料的性質和矩形梁斷面，梁的高度在其中起關鍵作用；單位長度換算均布質量取決于梁的荷載標準值的大小和設備支座在梁上的分布位置，當支座越靠近梁端時，對抗振性能的提高越有利。

4 工程實例

4.1 工程概況

雞西榮華立井選煤廠主廠房的主體采用鋼筋混凝土框架結構，基礎選用鋼筋混凝土筏板；主要建筑平面分為五層，建筑面積為4 120 m2，建筑體積為35 173 m3；各樓層的主要振動設備為7臺振動篩(主要為中頻)、5臺離心機、4臺壓濾機，其中振動篩工作頻率均為15 Hz。

4.2 結構抗振設計

在結構設計人員接受工藝資料時，工藝部門已經布置出初步的結構方案，因此結構布置需在此基礎上調整。經過研究與分析后，主要調整內容為：調整整體柱距，使平面圖中的所有柱距盡量接近，且最大柱距減小至7.50 m；主要振動設備的地腳均布置在主梁端部或框架柱附近，設備沿梁中心線對稱布置；設備所在區域適當增加結構剛度，樓板采用鋼筋混凝土整體現澆，板厚為160 mm，跨度不大于3 m，板內配置φ10@150 雙排雙向鋼筋，鋼筋接頭全部通過焊接連接；對于工藝布置未給土建布置留有足夠空間的樓層，需要增加層高。經過宏觀調整后，最終確定的結構方案更加合理，為下一步的動力計算創造了有利條件。

對于直接承受動力荷載的支撐梁的剛度，以煤泥脫介篩為例進行動力計算。煤泥脫介篩的工作頻率為15 Hz，其下部由兩根結構梁共同承擔，跨度為7.50 m，單根梁承受的靜力荷載為18 t，混凝土標號為C30。設備支座布置示意圖如圖2所示。

圖2 設備支座布置示意圖

依據文獻[8]確定的計算式為：

n01=φ01A，n*1=φ*1A，n02=φ02A，n*2=φ*2A，A=(D/ml4)1/2，

式中：n01、n*1分別為第一組頻率中最高和最低的頻率，Hz；n02、n*2分別為第二組頻率中最高和最低的頻率，Hz；φ01、φ02、φ*1、φ*2分別為頻率系數；A為與結構剛度和質量有關的數值；D為不變剛度，kg·m2；m為單位長度換算均布質量，kg/m；l為梁的計算跨度，m；

取截面為0.50 m×1.50 m的梁進行動力計算，計算簡圖如圖3所示。

圖3 計算簡圖

梁上的均布荷載q0=536 kg/m，換算的不變剛度D=4.25×108kg·m2，簡支單跨梁的頻率系數φ01=φ*1=1.57(來源于文獻[7]中的表15)，簡支單跨梁的頻率系數φ02=φ*2=6.28(來源于文獻[8]中的表15)。

計算出的承重梁固有振動頻率n01=n*1= 24.75，鋼筋混凝土梁的樓板固有垂直振動頻率的可能誤差ε取0.25，故第一頻率密集區自振頻率為n1=(1-ε)n01=18.60、n2=(1+ε)n02=31.00。脫介篩的工作頻率小于第一頻率密集區自振頻率，說明此矩形截面梁能夠滿足動力計算設計要求。

在進行動力計算時未考慮混凝土板的剛度和設備自身的剛度，作為安全儲備。該選煤廠主廠房于2011年建成投產，應用至今未出現過振動問題，說明結構的抗振效果很好。

5 結語

選煤廠主廠房各樓層布置的振動設備較多，有效控制結構振動是設計中必須考慮的問題。控制結構振動是主廠房設計中的重要環節，在工程建設時結構設計人員應全面參與設備布置的研究，根據相關原則和動力計算方法，結合現場實際情況和工藝布置需要，對結構方案進行抗振分析和調整、優化，防止共振現象的發生，確保后續生產的順利進行。

[1] 許 濤，劉 宏.選煤廠主廠房的防振動設計[J].工業建筑，2010(S1):217-218.

[2] 陸 峰.淺談混凝土結構樓面的振動設計問題[J].四川建材，2014(4): 50-52.

[3] 比爾茲.結構振動分析[M].朱世杰，陳玉瓊，譯.北京：中國鐵道出版社，1988.

[4] 邱德修，樊開儒.多層工業廠房的振動問題分析[J].工業建筑，2010(S1):510-513.

[5] 高紅珍.選煤廠主廠房結構設計中的振動荷載問題[J].煤炭工程，2003(5):26-27.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑結構荷載規范：GB:50009—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[7] 中華人民共和國冶金工業部.機器動荷載作用下建筑物承重結構的振動計算和隔振設計規程[M].北京：冶金工業出版社，1990.

[8] 崔林萌.動力荷載作用下樓蓋結構振動計算方法[J].煤礦設計，1997(10):46-48.

[9] 胥為捷.設備振動荷載對轉運站結構設計的影響[J].水運工程，2013(10):169-172.

[10] 中國煤炭建設協會.選煤場建筑結構設計規范：GB50583—2010[S].北京：中國計劃出版社，2010.