选煤厂主厂房振动分析与控制措施

何志鹏

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

主厂房是选煤厂生产系统的核心建筑，通常采用多层钢筋混凝土框架结构或钢结构，其中各楼层布置有各种大型动力设备。在主厂房设计阶段，如果对其结构布置考虑不周，生产运营期间容易发生设备振动引起的梁、柱及楼板振动问题，进而导致机器的使用功能下降，甚至可能影响生产的正常进行。因此，在主厂房设计初期，就要考虑动力荷载对结构的影响，并提出改善结构抗振性能的措施，避免不良现象或事故的发生。

对于选煤厂主厂房抗振问题，目前我国没有特别有效的针对方法，要么消极地等裂缝出现后自行缓解，要么采用增加支撑等方法，但效果均不太理想[1]。经综合分析与研究，只有在设计阶段通过计算和采取积极有效的防治措施，才能从根本上解决问题。根据结构防振设计原则和结构布置原则、动力计算方法，对鸡西荣华立井选煤厂的主厂房进行抗振设计，以为选煤厂投产后的正常生产提供安全保障。

1 结构防振设计原则

通过动力学理论可知，两方面的因素控制着结构的振动[2]: 一方面是对结构施加的激振力，即扰力源；另一方面是结构对特定激励的响应，即结构自身的动力特性。当结构自身的某阶固有频率与扰力源频率接近甚至吻合时，将会发生共振现象[3]。此时结构振动响应强烈，振幅可能变得很大，这对结构本身和工作环境不利。通常结构的防振设计主要依据以下原则：

(1)首先考虑避开共振区，即调整结构的自振频率，使其与设备工作频率错开。如果工作频率不同的多台振动设备相邻布置，且结构自振频率调整困难，导致两者频率无法错开时，宜调整设备布置，尽量设置独立的结构振动单元。

(2)对于无法避开共振区的情况，应尽可能调整结构刚度，使其自振频率远离设备工作频率，并控制结构振幅不超过正常使用的允许值。一般情况下，对于已经定型的设备，其工作频率基本确定，防止共振就得从结构方面考虑，选择适当的结构自振频率，使其远离设备激振频率[4]。

2 结构布置原则

主厂房的结构方案与选煤设备的布置紧密相关，要想设计出合理的结构方案，在进行工艺设计之初，结构设计人员就应全面参与设备布置的研究，结合实际情况对不同设备提出具体的结构布置方案，将动力设备布置在对结构最有利的位置，尽可能从布置方面减轻设备振动对结构可能产生的不利影响[5]。但在很多工业建筑设计中，经常由工艺专业主导平面布置，导致结构布局不完全合理，这就更需要土建设计师根据丰富的设计经验调整、完善结构方案，进而形成良好的柱网、梁板体系，充分利用结构的整体刚度抵抗设备产生的扰力。在结构布置足够好时，即使选用等量的材料，也能使设备振动产生的影响大大降低，从而达到既经济合理，又满足生产和使用的要求。

根据建筑设计规范，结构方案可以遵循如下原则布置：①由于柱子对抵抗上下惯性力的刚度近似为无限大，故以垂直振动为主的设备宜布置在梁的支座和柱子附近；②以水平振动为主的设备宜布置在梁的跨中部位，并使其扰力沿梁的轴线方向作用[5]；③跳汰机的水平振动频率应控制在主厂房的自振频率以下；④对于振动筛和跳汰机，其扰力方向要与承重结构水平刚度较大的方向一致；⑤主厂房宜采用钢筋混凝土楼盖，且楼盖不宜太薄；⑥振动梁宜布置成单跨梁，以方便计算。

结构的自振频率主要取决于自身刚度，故还应采取措施增强梁的刚度，并减小其跨度，这主要通过以下三种方法实现：①改变结构的柱网布置，一般常用的、较经济的柱网为6～8 m柱距；②在承受动荷载的梁下面增加钢或钢筋混凝土柱子，以减少梁的跨度，这样可以明显减少梁的振幅，但这种布置往往受工艺布置的限制；③在承受动荷载的梁下增设钢斜撑，作为梁的支点，以减小其跨度，这也是减少梁振幅的有效措施。

3 动力计算方法

选煤厂主厂房的各楼层布置设备较多，在实际生产过程中，各设备在同一时间的振幅、频率不同，在不同时间的振幅、频率也为变量，因此对振动进行精确计算很困难。目前，对于结构振动计算多采用静力计算方法，即先将设备的静力荷载乘以1.3～2.0的动力系数[6]，再将其乘积作为计算荷载施加于结构，然后对结构进行内力计算[5]。

在整体布局完成后，针对结构具体部位，还需通过动力计算对静力计算结果进行修正和调整。目前，我国大多沿用1991年冶金部的《机器动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规程》[7]，根据该规范的规定，梁的固有振动频率分为五个区(图1)，频率由0至n1为振前区，n1至n2为第一振型共振区，n2至n3为间歇区，n3至n4为第二振型共振区，大于n4为超振区。

图1 振区结构示意图

如果设备动荷载的工作频率在振前区，不会引起共振；如果其在第一振型共振区，就会引起共振，并产生很大的振幅和内力；如果其在间歇区，不会引起大的共振，只有在设备启停机时，当设备频率通过第一振型共振区才可能引起瞬时共振；如果其在第二振型共振区，也会引起共振。结构动力计算的首要内容就是摸清结构的动力特性，计算其自振频率[8]。研究表明，设备的频率一般在16 Hz左右，将梁的自振频率控制在24 Hz以上，通常不会发生共振[9]。

根据GB 50583—2010《选煤厂建筑结构设计规范》[10]规定：对于承受动力荷载的结构，当梁的第一频率密集区内最低自振频率(计算值)大于设备扰力频率时，可不进行动力计算，但应按动力系数法对其进行静力计算。在具体结构设计中，我们只对直接承受动力荷载的梁进行避振计算，也就是对梁的自振频率进行设计与调整。作为直接振动梁支座的间接振动梁，一般不考虑避振。但对结构进行静力计算时，由直接振动梁传来的集中荷载要考虑动力系数；而对柱子进行静力计算时，不必考虑动力系数，其一般由工艺专业提供。

梁的自振频率计算式为：

式中：fi为自振频率，Hz；φ1自振频率系数；l为梁的计算跨度，m；D为梁的刚度，D=EI，N·m2；m为单位长度换算均布质量，kg/m。

从上式可看出，影响结构自振频率的因素包括梁的刚度和跨度、单位长度换算均布质量，其中梁的刚度取决于结构材料的性质和矩形梁断面，梁的高度在其中起关键作用；单位长度换算均布质量取决于梁的荷载标准值的大小和设备支座在梁上的分布位置，当支座越靠近梁端时，对抗振性能的提高越有利。

4 工程实例

4.1 工程概况

鸡西荣华立井选煤厂主厂房的主体采用钢筋混凝土框架结构，基础选用钢筋混凝土筏板；主要建筑平面分为五层，建筑面积为4 120 m2，建筑体积为35 173 m3；各楼层的主要振动设备为7台振动筛(主要为中频)、5台离心机、4台压滤机，其中振动筛工作频率均为15 Hz。

4.2 结构抗振设计

在结构设计人员接受工艺资料时，工艺部门已经布置出初步的结构方案，因此结构布置需在此基础上调整。经过研究与分析后，主要调整内容为：调整整体柱距，使平面图中的所有柱距尽量接近，且最大柱距减小至7.50 m；主要振动设备的地脚均布置在主梁端部或框架柱附近，设备沿梁中心线对称布置；设备所在区域适当增加结构刚度，楼板采用钢筋混凝土整体现浇，板厚为160 mm，跨度不大于3 m，板内配置φ10@150 双排双向钢筋，钢筋接头全部通过焊接连接；对于工艺布置未给土建布置留有足够空间的楼层，需要增加层高。经过宏观调整后，最终确定的结构方案更加合理，为下一步的动力计算创造了有利条件。

对于直接承受动力荷载的支撑梁的刚度，以煤泥脱介筛为例进行动力计算。煤泥脱介筛的工作频率为15 Hz，其下部由两根结构梁共同承担，跨度为7.50 m，单根梁承受的静力荷载为18 t，混凝土标号为C30。设备支座布置示意图如图2所示。

图2 设备支座布置示意图

依据文献[8]确定的计算式为：

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

式中：n01、n*1分别为第一组频率中最高和最低的频率，Hz；n02、n*2分别为第二组频率中最高和最低的频率，Hz；φ01、φ02、φ*1、φ*2分别为频率系数；A为与结构刚度和质量有关的数值；D为不变刚度，kg·m2；m为单位长度换算均布质量，kg/m；l为梁的计算跨度，m；

取截面为0.50 m×1.50 m的梁进行动力计算，计算简图如图3所示。

图3 计算简图

梁上的均布荷载q0=536 kg/m，换算的不变刚度D=4.25×108kg·m2，简支单跨梁的频率系数φ01=φ*1=1.57(来源于文献[7]中的表15)，简支单跨梁的频率系数φ02=φ*2=6.28(来源于文献[8]中的表15)。

计算出的承重梁固有振动频率n01=n*1= 24.75，钢筋混凝土梁的楼板固有垂直振动频率的可能误差ε取0.25，故第一频率密集区自振频率为n1=(1-ε)n01=18.60、n2=(1+ε)n02=31.00。脱介筛的工作频率小于第一频率密集区自振频率，说明此矩形截面梁能够满足动力计算设计要求。

在进行动力计算时未考虑混凝土板的刚度和设备自身的刚度，作为安全储备。该选煤厂主厂房于2011年建成投产，应用至今未出现过振动问题，说明结构的抗振效果很好。

5 结语

选煤厂主厂房各楼层布置的振动设备较多，有效控制结构振动是设计中必须考虑的问题。控制结构振动是主厂房设计中的重要环节，在工程建设时结构设计人员应全面参与设备布置的研究，根据相关原则和动力计算方法，结合现场实际情况和工艺布置需要，对结构方案进行抗振分析和调整、优化，防止共振现象的发生，确保后续生产的顺利进行。

[1] 许 涛，刘 宏.选煤厂主厂房的防振动设计[J].工业建筑，2010(S1):217-218.

[2] 陆 峰.浅谈混凝土结构楼面的振动设计问题[J].四川建材，2014(4): 50-52.

[3] 比尔兹.结构振动分析[M].朱世杰，陈玉琼，译.北京：中国铁道出版社，1988.

[4] 邱德修，樊开儒.多层工业厂房的振动问题分析[J].工业建筑，2010(S1):510-513.

[5] 高红珍.选煤厂主厂房结构设计中的振动荷载问题[J].煤炭工程，2003(5):26-27.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范：GB:50009—2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[7] 中华人民共和国冶金工业部.机器动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规程[M].北京：冶金工业出版社，1990.

[8] 崔林萌.动力荷载作用下楼盖结构振动计算方法[J].煤矿设计，1997(10):46-48.

[9] 胥为捷.设备振动荷载对转运站结构设计的影响[J].水运工程，2013(10):169-172.

[10] 中国煤炭建设协会.选煤场建筑结构设计规范：GB50583—2010[S].北京：中国计划出版社，2010.