转运站结构振动影响因素分析与控制对策

沈建东，郑翔

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071）

转运站结构振动影响因素分析与控制对策

沈建东，郑翔

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071）

如何控制转运站的结构振动是当前研究的热门问题，论文通过分析转运站的结构特点，介绍了振动产生的危害，研究了结构振动的影响因素，提出了几种控制振动的典型对策，对解决转运站的结构振动问题具有一定的指导意义。

转运站；结构振动；影响因素；控制对策

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.008

1 引言

转运站在工业运输系统中有着广泛的应用，其主要作用是保证货物运输的连续性，减少运输成本，是产品产地或集中点与目的地之间的中转站。根据转运站是否改变物料的输送方向，可分为同向转载和异向转载两种。在实际使用过程中，转运站由于大功率驱动电机、减速箱、输送机传动滚筒等旋转式动力设备在运行过程中会对产生较大的离心扰力，形成异常振动，对转运站的正常运行产生影响，所以加强对转运站振动影响的分析，研究相应的控制措施，成为当前急需解决的问题。

2 转运站的结构特点和振动危害

大多数的转运站是敞开式的钢筋混凝土框架结构，长宽尺寸相当，但高度与长宽之比较大，除设备层外，一般不设楼板，填充墙少且洞口较大、较多，支撑柱较少，设备层较高，是典型的高耸柔性结构。这种结构特征决定了输送机皮带张力和动力设备扰力是转运站异常振动的主要激振源，特别是近年来随着长运距、高带速、大运量、大功率带式输送机在运输领域的广泛实用，使得转运站结构的振动问题更加突出。

异常振动的振幅如果超过设计指标，会对转运站带来严重的破坏。转运站的异常振动可分为竖向振动异常和水平振动异常。竖向振动异常时主要是对楼层上的精密仪器产生不利影响，过大的振幅会影响仪器的工作精度，增加其磨损程度，降低其使用寿命，直接增加了维护和维修成本；同时其对置身其间的员工有直接的影响，长期的振动会使员工产生不适感，甚至可能出现心慌、头晕等身体反应，严重时可能产生惧怕等心理反应，这是由于竖向振动频率接近人体器官的振动频率，产生共振现象导致的。水平振动异常是转运站常见的另一种结构异常振动，这种振动主要对建筑物的整体结构造

成影响，呈现周期往复的特点，当振动达到一定次数后，容易使墙体、构件等结构出现裂缝，转运站发生倾斜，最终导致严重后果。

3 转运站振动影响因素分析

转运站结构振动现象主要表现为结构水平侧向振动和楼盖的竖向振动[1]。转运站的动力设备一般都设置在较高楼层或者顶部，为了便于设备的维修和保养，一般在顶层设置单梁悬挂起重机，这样的结构造成了顶层的层高一般都比较高(6.0～7.0m)；同时物料经由皮带输送机的传递后，通过漏斗中转到下一层皮带输送机上，为了减少物料对皮带输送机的冲击，下层层高设计的相对较小(4.0～5.0m)，加上转运站的柱截面从底层到顶层相同，这就造成顶层与次层抗侧刚度差距比较大；而填充墙的楼层与没有楼扳的相邻层也会出现较大的刚度差异，动力设备的运转就容易产生异常振动。

通过对转运站的结构特点进行分析，加上动力设备的的振源特性，经过分析可知，转运站结构发生异常振动的原因：一是由于动力设备的激振力频率接近甚至和结构构件共振频率相同，产生了共振现象引起异常振动；二是转运站本身的结构或构件刚度不足，致使结构在受到振动载荷作用时产生较大的振幅，超过结构安全和正常使用所能承受的振动标准，导致异常振动。多层框架结构厂房水平振动的自振频率在1.5～4.5Hz之间。当振动设备自振频率与结构的自振频率重合时，结构就会出现低频共振现象，低频共振振幅较大；当振动设备自振频率在10Hz以上时，结构出现高频共振现象，高频共振振幅较小。低频共振对转运站的危害最大，应尽量避免。

4 转运站结构振动控制对策

根据上文的分析可知，转运站结构的刚性、动力设备的振动频率和激振力的大小都对转运站的结构振动具有决定意义，而动力设备激振力的大小、频率相对固定，因此控制结构振动的主要途径是改变转运站的结构刚性，一般称为被动的避振手段，本文重点介绍如何降低设备层楼板的振动和采用屈曲约束支撑避振两种方法。近年来，随着振动控制研究的深入，出现了主动振动控制手段，主要是改变结构的振动频率，本文重点对设置斜拉索控制和设置阻尼器控制振动进行介绍。

4.1 设备层楼板的振动控制设备层楼板的振动主要由设备的振动引起，主要与楼板刚度、主次梁的布置刚度以及振动设备的隔振措施等有关，因此对设备层的振动控制也要从这几方面着手。通常采取的做法是对大功率动力设备基础进行隔振设计，同时对楼板次梁进行加固，加强楼板与主次梁之间的连接、加装橡胶垫，减小楼板的异常振动。对于设置动力设备的楼层异常振动的处理应遵循以下几个原则:（1）将振源与有防振要求的精密设备分开放置，增加振动从振源到精密设备的传导距离，有效减少振动对设备的危害；（2）降低振动幅度，可采取提高支承结构(包括基础)的刚度和整体性，增设楼面次梁，增加楼板厚度等刚性减振方法。也可采用动力设备与楼板之间用弹性垫隔离的柔性减振方法；（3）综合减振，同时减少振动输出和振动输入，以减小振动输出为主，以减小振动输入为辅。

4.2 采用屈曲约束支撑控制侧向水平振动

对转运站来说，为防止侧向水平震动，传统加固方法主要有:加设钢支撑布置、增设钢筋混凝土“门式”剪力墙、采用外包钢筋混凝土套增大框架截面3种，在传统的加固方法的基础上，可以采用屈曲约束支撑作为加固方式，屈曲约束支撑有以下优点:（1）屈曲约束支撑刚度适中且稳定，不会因外界载荷增大而导致失稳现象，同时容易满足变形要求；（2）是在克服传统支撑构件容易屈曲的同时具有受力性能稳定、滞回性能良好的优点，适合需反复承受载荷的情况下使用；（3）屈曲约束支撑通过铰接或螺栓连接，不需焊接或检测，安装便捷，性价比高。通过应力分析和响应分析，可以看出，使用屈曲约束支撑后，结构抗侧刚度增加，改变了结构的振动频率，降低了结构水平振动位移幅值和加速度幅值。

4.3 斜拉索控制

结构振动一般在其工作频率下会产生一个相对较为稳定的荷载值，此时可利用斜拉索改变其固有振动频率，可将荷载值作为静力，斜拉产生的水平方向上的拉力可以作为此稳定荷载的反作用力，通过改变结构的受力状况改变其振动频率[2]，见图1所示。

图1 斜拉索计算示意图

由于振动载荷对结构产生的振动会产生两个相反方向的位移，而斜拉索由于本身结构的特点，只能产生拉力，不能承受外界的压力，所以为了保证斜拉索结构的稳定性，一般都同时设置2个相互对称的斜拉索，即2个斜拉索关于结构同轴线对称。通过应力分析和响应分析，斜拉索控制后结构的二阶频率显著提高，与原结构相比加固后自振频率有一定提高，同时结构沿拉索方向的刚度提高明显，基本可以实现改变转载站振动频率的目的。

通过上述分析可以看出，拉索控制施工简单，效果明显，在实际的使用中，一般遵循下面的程序:（1）计算引起结构振动的荷载值，将其作为斜拉索的水平控制力，根据现场施工条件等实际情况确定斜拉索的角度和高度；（2）通过计算确定斜拉索的拉力方向和拉索的伸长量，确定计算振动控制点处的位移值范围；（3）确定拉索的使用材料。另外，拉索设计时还可以通过施加预应力以增强拉索控制效果。

4.4 设置阻尼器的进行振动控制

阻尼器的种类很多，在实际使用中最常用的主要有调频质量阻尼器(TMD)、调频液体阻尼器(TLD)、耗能阻尼器以及液压阻尼器[3]。不同类型的阻尼器工作原理不同，但都起到改变结构阻尼的作用。本文重点对调频质量阻尼器进行分析。调频质量阻尼器系统是一个由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动系统，一般支撑或者悬挂于结构上，该系统主要是利用质量块与转运站构件进行相对运动时，质量块产生规律性的惯性力对结构发生作用，从而达到减振目的。弹簧系统可以调整调频质量阻尼器自身频率，使其产生的振动频率与结构的自振频率接近，来抵消结构的振动载荷；阻尼系统是为调频质量阻尼器提供阻尼的，保证其良好的减振效果。调频质量阻尼器进行振动控制的机理是:当结构在受力后产生振动时，带动调频质量阻尼器一起振动，调频质量阻尼器相对运动产生的惯性力反作用到结构上，对这个惯性力进行调谐，使其对结构的振动进行控制，达到减小结构振动反应的目的。调频质量阻尼器对结构振动可进行单点控制，也可进行多点控制。单点控制是指在结构的某一点或者某一层设置一个调频质量阻尼器进行振动控制，多点控制是在结构中设置多个调频质量阻尼器，通过其产生系统的控制作用对结构进行振动控制。调频质量阻尼器的设置使得结构的阻尼增加，以减小结构反应。为使调频质量阻尼器振动控制的效果达到最好，一般应将其设置于结构振幅值最大、振动最剧烈处。

5 结语

转运站的结构振动是影响转运站正常运转的重要因素，对转运站的结构特点进行分析，通过研究找到更好的控制振动的方法，是当前需要解决的关键问题，对结构振动的控制方法还有很多，相信随着科技的进步和技术的完善，更多更先进的控制对策会不断出现。

【1】胡少伟,苗同臣.结构振动理论及其应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

【2】牟广兴.转运站的荷载取值问题探讨[J].矿业工程，2008，6（2）：51-53.

【3】陈绍元,杨丹.通廊转运站结构减振分析[J].武汉理工大学学报, 2007，29（7）：126-129.

Factors Affecting RTS Vibration Analysis andControl Measures

SHEN Jian-dong，ZHEGN Xiang
（CCCCSecondHarborConsultantsCo.Ltd.,Wuhan 430071,China）

How to control the structural vibration transfer station is a hot issue of current research,this paper analyzes the structural characteristics of the transfer station,introduces hazards vibration,factors influencing the structural vibration,proposed several typical vibrationcontrolmeasurestosolvetheproblemofstructuralvibrationtransferstationhasacertainsignificance.

RTS;structuralvibration;influencingfactors;control measures

TU311.3

A

1007-9467（2016）07-0047-03

2016-03-28

沈建东（1987～），男，河南信阳人，助理工程师，从事结构工程设计与研究，（电子信箱）694937750@qq.com。