矿山工程筛分厂房结构振动问题设计分析

时间：2024-07-28

陶继波，耿璐，崔小雄，黄斯拜

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

1 前言

筛分厂房普遍应用于矿山工程中，随着筛分技术的发展，振动筛设备日益大型化，由筛分设备所产生的振动问题日益受到重视。筛分设备的振动，不仅引起噪音污染，并会通过支座传导到厂房平台上，对结构的安全造成影响。振动设备对结构的影响主要分为两类：厂房的水平振动、厂房楼板的竖向振动[1]。轻则会引起操作者的不适，重则使结构开裂，导致结构破坏。

筛分厂房一般采用多层钢筋混凝土框架结构，由于筛分设备的往复运动，虽然筛分设备在支座处均设置有减震措施，对结构造成的振动并不能完全避免。为防止筛分框架对周围建筑的影响，往往将筛分框架基础与周围建筑基础之间脱开处理，并用柔性材料嵌缝处理。筛分设备及配套设备布置在各层平台上，框架各层平台根据工艺布置要求在开洞，往往对结构平台梁柱的结构布置造成不利影响。故对筛分厂房的设计，需要结构与工艺专业设计人员紧密配合，从设备布置、结构方案和计算方法等方面进行综合考虑，将振动的影响控制在结构安全的范围内。

2 结构布置原则

对筛分厂房振动问题的结构设计，不仅要考虑结构的承载力和变形满足规范要求，更重要的是要避免振动筛的振动与设备支承结构发生共振，保证设备振动对结构影响在可接受范围内。主要有二种途径：一是调整机器的运转频率；二是改变结构的自振频率[2]。调整机器的运转频率一般可采取在振动筛上加设反向振子，增设隔振垫，调整设备振动方向等措施，此部分属于设备厂家考虑的范畴，本文主要讨论在给定设备厂家资料的情况下，振动筛自振频率已确定的结构设计工作。

结构的自振频率主要取决于结构的刚度，对筛分平台楼板而言，若结构的自振频率低于设备的强迫振动频率，当设备在开启或停机时，会发生设备动荷载工作频率穿越结构自振频率从而产生穿越共振；当结构中的自振频率高于设备中的强迫振动频率，结果就会偏于安全。一般情况下，支撑构件和整体结构的固有频率应与激振器转速不同，支撑梁的固有频率高于激振器的转速。在设计阶段可通过增加支撑梁高度，增加次梁，增加板厚调整支撑楼板的自振频率。

在设计方案的确定阶段，由于筛分厂房设备布置的复杂多变，工艺方案布置的制约，楼板开洞位置，柱距布置方式，各层层高均存在很大变数。想通过精确地结构计算，分析结构的振动性能，既没有充足时间也不能保证结构模型与最终实际情况的误差。有效的方式是与工艺设计人员密切配合，在满足工艺布置的前提下，通过概念设计的方式，选取对结构分析有利的结构布置方案。

(1)宜采用多跨结构，各跨轴距不宜相差过大。框架各层平台层高不宜有相差太大，避免层间刚度突变。平面布置应尽量减少楼板开洞，框架柱在开洞位置在满足工艺前提下尽量用梁拉结。

(2)如遇到地基土不理想的情况，应加强地基土的处理，或采取半地下结构，既降低了结构重心，又能使超挖土方质量抵消一部分结构自重。振动筛重心与支撑平台质心应尽量靠近，减小结构的偏心。

(3)振动筛属于结构中质量最大，振动影响最明显的设备，应尽量降低振动筛平台的布置高度，并与厂房主体结构脱开。尽可能把振动筛放置于对结构最有利的位置，应布置在主梁中轴线上，宜布置在承重墙、柱及梁支座附近，不应放在悬臂梁上，且使振动筛振动方向沿结构刚度强轴方向布置。

3 工程概况

某项目筛分厂房的布置图如图1和图2所示。抗震设防烈度为7°(0.1 g)，设计地震分组为第一组。筛分厂房为2跨，跨度分别为9.5 m、18 m。附跨9.5 m，内部布置配电室、办公室、皮带输送系统及皮带给矿机等设备。主跨18 m，内部设置筛分框架，13.5 m标高平台布置有两台振动筛，物料由26 m筛上皮带系统和22.7 m皮带给矿机输送至13.5 m标高处振动筛，由振动筛筛分处理后，输送至地面皮带廊，并运输至下一个工段。振动筛框架采用混凝土结构，与厂房主体脱开布置，单独进行结构设计。

图1 厂房平面图

图2 厂房剖面图

振动筛的设备参数:振动筛带料后质量为88 t,设备的转速为850 r/m，运转频率14 Hz，筛分面积118 m2。振动筛下接储料仓，13.5 m标高楼板开洞切断了框架梁，只有局部楼板，结构整体性较差。

4 水平振动整体结构分析

前期方案阶段，振动筛支撑框架先后共讨论了三个结构方案。方案一：混凝土框架结构，具体如图3所示，为满足工艺设备吊装通行，结构采取了抽柱处理，柱距采用7.95 m，4.75 m。方案二：框架- 短肢剪力墙结构，具体如图4所示，为加强振动筛强轴结构刚度，在满足设备通行的前提下布置了局部剪力墙，并适当开洞。方案三：框架- 钢结构，具体如图5所示，经与工艺人员沟通，调整3.5 m和8.5 m设备布置，柱距采用4.15 m，3.80 m，4.75 m，并在层间加设HW200 mm×200 mm钢支撑加强结构刚度。

图3 混凝土框架结构

图4 框架- 短肢剪力墙结构

图5 框架- 钢支撑结构

厂房的水平整体振动跟结构的刚度有关，可通过建立整体三维模型进行有限元分析，框架式基础宜采用多自由度空间力学模型分析。用有限元软件SAP2000分别进行建模，具体如图6至图8所示。在建模时不但要考虑设备重量的影响，还需要考虑设备运行时物料重量和物料冲击产生的动荷载。通过3种结构方案分别进行建模分析，并对结构的自振周期和频率进行对比分析，结果见表1。

表1 各方案模态周期及频率

图6 混凝土框架计算模型

图7 框架- 短肢剪力墙计算模型

图8 框架- 钢支撑计算模型

对比以上分析结果可知：增设短肢剪力墙和增设钢支撑后，结构自振频率均有明显变化，其中增设短肢剪力墙后，结构沿设备振动强轴方向(Y向)固有频率提高了67.8%。减小柱距，增设钢支撑后，Y向固有频率提高了77.1%。增设短肢剪力墙和减小柱距、增设钢支撑均可以有效增强结构的侧向刚度，改善结构的水平振动。综合考虑工艺布置及结构的合理性，本项目最终选择减小柱距，增设钢支撑的结构形式。

5 平台板竖向振动结构分析

13.5 m标高处楼板是振动筛支撑平台，楼板开洞面积较大，平台刚度不足。为判断支撑平台是否与振动设备发生共振，可选取本层平台进行模态分析。柱可以作为主梁的刚性支座，钢筋混凝土楼盖的阻尼比可取0.05。用有限元软件SAP2000进行建模，梁单元采用线单元模拟，板单元采用壳单元模拟，结构平面布置图及计算模型如图8、图9所示，通过调整梁高，主梁梁高400 mm×1 200 mm,次梁梁高350 mm×1 000 mm。模态分析结果见表2。

表2 13.5 m楼板模态周期及频率

图9 13.5 m楼板计算模型

图10 13.5 m楼板计算模型

模态分析结果如下，平台以竖向弯曲振动为主，模型的前三阶自振频率分别为16.219 Hz、17.772 Hz、18.684 Hz，均超出振动筛运转频率14 Hz，避免启停阶段设备自振频率穿越楼板固有频率引发的共振。一般可以采取调整主次梁梁高，增设次梁，修改板厚等改变平台刚度，从而改变平台结构自振频率，其中修改支撑梁截面对平台刚度的改变最明显。