多层转运站结构的振动控制与加固分析

成祎民 ，尚 鹏 ，闫春生

（1. 浙江工业大学工学部， 浙江 杭州 310023；2. 浙江省衢州市建筑工程管理处， 浙江 衢州 324000；3.西安建筑科技大学土木工程学院， 陕西 西安 710055）

转运站是设在两台高架固定带式输送机之间的中转站，它主要用于长距离运输过程的中间传递或改变物料的输送方向，在工业运输中起着重要的枢纽作用．转运站多为敞开式空间框架结构，结构本身高宽比较大，层高不规则，除设备层外其余各层通常不设置楼板，属典型的高耸柔性结构；而且皮带张力和动力设备扰力作为引发转运站结构振动的主要激振源，均作用于结构较高部位[1-3]．因此，在抗振动方面，无论是结构形式还是受力性质，转运站结构都要比一般建筑结构不利得多．结构刚

度较小，过大且持续的振动都将降低结构的安全性、适用性和耐久性，影响结构内部机器设备的工作性能和生产安全，并会对操作和检修人员的舒适性甚至身体健康产生不利影响，降低工作效率[4-6]．

对转运站这一特殊结构的振动问题，国内外尚没有系统的研究成果可以借鉴并应用于新建结构的设计和在役结构的加固维修．调查显示，在我国钢铁企业中转运站绝大部分不能达到安全、经济使用50年的要求，特别是有振动设备的转运站结构在使用期间需要反复进行维修，一般在10～25年间就要大修加固，更有甚者因破坏严重，不得不提前拆除重建，严重影响了正常的生产秩序．结合典型工程案例，对振动系统所受各种激励及所产生的响应之间的关系进行了探讨[7-8]，提出了更加符合实际的转运站结构振动控制方法，为新建转运站结构设计和在役转运站结构加固维修提供依据．

1 结构水平振动控制方法

对于钢筋混凝土框架结构，提高结构水平抗侧刚度的常用加固方案主要有以下两种：

(1) 加设钢支撑．钢支撑宜采用双角钢交叉支撑，通过钢板套箍与原框架构件可靠连接．钢支撑布置如图1（a）所示．

（2）增设钢筋混凝土“门式”剪力墙．考虑转运站与通廊接口布置、机器设备吊装和底部交通需要，将后设剪力墙立面做成“门”形，中部适当开洞，并与原框架采用锚筋或现浇钢筋混凝土套可靠连接，形成框架—剪力墙结构．剪力墙立面布置如图1(b)所示．

图1 钢筋混凝土框架加固方案示意图 Fig.1 The schematic drawing of the strengthening scheme of reinforced concrete frame

2 多层转运站结构振动控制的力学模型及振动分析

2.1 力学模型的建立

转运站系某钢铁公司焦化厂煤料输送系统工程之一，为四层六柱组成的钢筋混凝土框架结构，转载单元为顶部两层，转载方向为90°．结构平面布置规则，横向轴线尺寸5.70 m+5.30 m，纵向轴线尺寸8.70 m，总高度18.70 m，一、二层敞开无围护结构，一层（标高4.000 m处）无楼板，三、四层局部外围由砌体填充并开设门窗洞口．框架柱截面尺寸均为500 mm×500 mm．转运站在四层和三层分别与 R3、R4通廊和 R5、R6双机通廊相连．四层布置R3、R4两台输送机机头、驱动电机及减速箱，三层布置R5、R6两台输送机机尾．

结构建模分析采用 ETABS Non-linear V8.48软件，混凝土和钢材均采用线弹性、各向同性材料模型，楼板单元选用膜单元（Membrane），膜厚度采用楼板厚度设计值．为模拟钢桁架通廊的支撑作用，在建立力学分析模型时将钢桁架通廊简化为四个Y方向的弹簧支座，布置在转运站结构计算模型的相应位置；同样，对R5、R6双机通廊在X方向上做类似的简化处理，如图2所示．原结构剖面和计算模型见图3(a)、图3(b)．

图2 简化弹簧支座布置示意图Fig.2 The schematic drawing of simplified spring support

（1）钢支撑加固方案

在原框架结构外围柱间设置钢支撑，建立计算模型，支撑选用双角钢2∟160×10（a=8 mm），钢材牌号为Q235-B，计算模型如图3(c)所示．

（2）钢筋混凝土剪力墙加固方案

在原框架结构外围柱间增设钢筋混凝土剪力墙，混凝土强度等级为 C30．新增的剪力墙厚度h=250 mm，墙肢宽lw=600 mm（四层AB轴两端墙肢宽1 200 mm），连梁高lz=（1 200－hKL）mm，hKL为新增连梁顶部原框架梁的截面高度．考虑工艺要求，建模时在通廊入口和设备吊装入口处适当改变剪力墙墙肢的宽度，墙体单元选用壳单元（Shell），控制最大剖分尺寸为 500 mm．计算模型如图3（d）所示．

图3 多层转运站原结构及两种加固方案计算模型Fig.3 The original structure and computing models of two strengthening schemes

2.2 两种加固方案的动力分析

（1）两种加固方案的效果评价

将原结构和两种加固方案的基本自振频率对比情况列于表1，将原结构和两种加固方案在静荷载及1.70 Hz激振力作用下各参考点的水平位移、加速度幅值计算结果列于表2排-表7，比较两种方案的加固效果．

表1 原结构和两种加固方案的基本自振频率计算结果对比

表1 原结构和两种加固方案的基本自振频率计算结果对比Tab.1 Comparison of vibration frequency between original structure and strengthening schemes

表2 原结构及加固方案在Y向静荷载作用下的水平位移Tab.2 Horizontal displacements of original structure and strengthening schemes under static loading in Y direction

表3 原结构及加固方案在X向静荷载作用下的水平位移 Tab.3 Horizontal displacements of original structure and strengthening schemes under static loading in X direction

表4 原结构及加固方案在Y向1.70 Hz激振力作用下的水平位移幅值Tab.4 Horizontal displacements of original structure and strengthening schemes under 1.70 Hz exciting force in Y direction

表5 原结构及加固方案在X向1.70 Hz激振力作用下的水平位移幅值Tab.5 Horizontal displacements of original structure and strengthening schemes under 1.70 Hz exciting force in X direction

表6 原结构及加固方案在Y向1.70 Hz激振力作用下的水平加速度幅值 Tab.6 The amplitude of horizontal acceleration of original structure and strengthening schemes under 1.70 Hz exciting force in Y direction

表7 原结构及加固方案在X向1.70 Hz激振力作用下的水平加速度幅值Tab.7 The amplitude of horizontal acceleration of original structure and strengthening schemes under 1.70 Hz exciting force in X direction

从上述计算结果可以看出：

（1）增设钢支撑或钢筋混凝土剪力墙，均能有效提高结构的侧向刚度，结构加固后的自振频率可以避开1.00～2.23 Hz低频动力设备的振动频率，防止共振现象的发生．

（2）两种加固方案均能使结构水平振动位移幅值、加速度幅值得到有效控制．加固后，在1.70 Hz的转运站振动频率处，结构各层水平振动位移幅值控制在安全极限标准0.90 mm以内；各层水平加速度幅值控制在人体舒适性界限标准 0.26 m/s2以下．

（3）钢支撑加固是一种干作业法，施工简便快捷，基本不影响正常的生产活动．对于跨度和层高较小的结构，钢支撑加固效果较好；当结构跨度和层高较大时，所需钢支撑长度增加，其刚度相对降低；且以往的工程加固经验表明，该方法不易保证钢板套箍与原结构构件连接的紧密性和牢固性；同时，受生产工艺和结构底部交通的限制，钢支撑通常不能做到均匀布置，加固效果难以保证．

（4）采用钢筋混凝土剪力墙加固，工序复杂、工期较长，同时施工过程会影响正常的生产活动．但采用剪力墙加固可以根据生产工艺和结构底部交通的需要灵活改变布置形式；钢筋混凝土剪力墙的侧向刚度较大，且与原有结构能够可靠连接，使两者在动荷载作用下协同工作．

（5）原结构各楼层参考点的最大水平位移对应激振频率不一致，水平力作用下结构侧向变形不均匀，如图4（a）和图5（a）所示．加固后，由于结构整体刚度提高，弹簧支座对结构局部楼层刚度的改变不再明显，表现为结构各层频率―位移曲线波峰均对应于相同的激振力频率，同时结构侧向变形趋于均匀，如图 4（b）、（c）和 5（b）、（c）所示．图4和图5表示考虑通廊水平支撑作用时，1.0～5.0 Hz频率段简谐水平激振力作用下结构在Y方向和X方向的共振频率及相应各参考点的位移幅值．

图4 R3、R4（水平力标高12.000 m）作用下Y方向的共振频率及参考点峰值位移 Fig.4 Resonance frequency and peak displacement in Y direction under R3, R4 excitation

图5 R5、R6（水平力标高7.500 m）作用下X方向的共振频率及参考点峰值位移 Fig.5 Resonance frequency and peak displacement in X direction under R5, R6 excitation

3 结论

（1）多层转运站结构自身刚度较低及由于通廊的作用导致结构局部刚度改变，结构在计算频段（0.5～5.0 Hz）内的多个频率点发生共振现象，设置交叉钢支撑或钢筋混凝土剪力墙两种加固方案均可改善多频率点发生共振和结构侧向变形不均匀现象．

（2）虽然在原框架柱柱间均匀增设交叉钢支撑或钢筋混凝土剪力墙，均可有效提高结构的整体刚度，减小结构水平位移，但受生产工艺、结构底部交通等条件限制，钢支撑往往不能保证均匀布置，建议优先选用钢筋混凝土“门式”剪力墙加固方案．

（3）一般情况下，只要采用的梁板刚度不低于界限刚度，即可不考虑楼盖的竖向振动问题．对没有设置楼板的楼层，可依附原有框架梁增设“回”字形钢筋混凝土板，提高结构的整体性的同时加强对结构整体的竖向振动控制．

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