钢结构吸收塔风致振动减振分析及应用

2020-11-05王建立黄燕平邱玲玲王新章罗勇

特种结构 2020年5期

王建立黄燕平邱玲玲王新章罗勇

(1.隔而固(青岛)结构设计事务所有限公司 266100；2.隔而固(青岛)振动控制有限公司 266100)

1 工程概况

本吸收塔为某石油化工企业的催化裂化装置增设烟气净化设施及原料适应性改造项目，吸收塔C-2151主体结构为钢结构。本塔主体由三部分组成:底部入口及脱硫部分、中部静电除尘部分和顶部烟囱(图1)，在塔体侧面及不同标高处设有梯子及梯子平台。塔体总高约80m，地处福建省泉州市沿海，当地近海季风性气候明显，塔体在风激励下的振动影响设备的正常运转，长期持续的振动易使设备产生疲劳裂纹，影响塔体的使用寿命。因此，塔体在风激励下的振动应专项研究。

图1 吸收塔总体布置Fig.1 Absorber arrangement

2 理论建模与模态分析

该吸收塔三个组成部分的质量分别为:顶部烟囱84905kg，中部静电除尘部分88732kg，底部入口及脱硫部分148587kg，加上其他附件的质量塔体总质量为341290kg，塔体为钢结构，钢材为S31603。根据塔体及梯子结构图及相关参数，将吸收塔分为12段，采用梁单元，建立塔体SAP2000有限元模型。有限元模型用来计算设有调谐质量减振器的风振响应和地震作用下结构的响应。

另外，将吸收塔每段的长度、质量、横截面等参数输入小程序，建立了用于风荷载横风向位移计算的简化模型。此模型可以根据规范DIN EN 1991-1-4计算塔体风荷载动力分析的模态参数和横向风振的变形，横风向风振的计算方法在文献[1]中已有描述，本文不再赘述。

模态分析结果显示，吸收塔一阶自振频率f1=0.764Hz(简化模型)，f1=0.76Hz(有限元模型)，模态质量m1=35700kg，图2为简化模型和有限元模型吸收塔前两阶振型对比。

图2 吸收塔前两阶振型Fig.2 The first two modes of absorber

3 调谐质量减振器参数设计

高耸建筑结构的风致振动，是以某阶固有振动为主，因而可以把原来的系统看作为一个单质点系统。系统自身的阻尼比d通常很小，所以当激振频率f与结构系统的固有频率f0接近时，会产生强烈的共振，结构振动的幅值可能达到静变形的50倍以上。

采用调谐质量减振器TMD减振，是在原系统(主系统)上耦合一个单自由度的弹簧质量振动系统(附加系统)，则原单自由度振动系统变为一个两自由度振动系统，如图3所示。

图3 原结构和TMD所组成的两自由度振动系统Fig.3 Two degrees freedom vibration system of original structure and TMD

如果使附加振动系统的固有频率处于原系统(下称主系统)的原来固有频率附近，则原来固有频率处的共振峰消失。新系统由单峰共振区变为双峰共振区，且一个上移，一个下移。理论上，如果激振频率仅在原共振峰附近激励，即使TMD没有附加阻尼C，主系统的振动也很小，附加质量的振动却很大，相位恰与激振力相位相反，与激振力抵消，也就是通过对原系统频率的调谐保护了原来系统，因此该质量称为调谐质量。

没有阻尼的TMD在实践上很少使用，因为一旦参数不准或激振力频率发生改变，偏离原来的共振峰，则主系统的振幅迅速增大，形成新的共振峰，所以无阻尼TMD的减振频率范围很窄，实践中失败的TMD系统要么因为频率调谐不准，要么因为阻尼不足或老化过快而失效。

如果附加系统有适当的阻尼C，则振动传递曲线变得平滑，曲线谷上移峰下降，也就是在主系统原有频率附近要损失一些减振效果。但当调谐频率和激励力频率出现偏离时，仍有较好的宽频减振效果。

根据DEN HARTOG优化准则，按照有限元计算的模态质量和其垂直振动的第一阶固有频率，进行调谐质量减振器TMD设计，TMD参数见表1。

表1 TMD参数Tab.1 TMD parameters

4 理论计算与现场测试

4.1 风振分析

吸收塔项目所在地基本风压为0.75kN/m2，地面粗糙度为A，场地类别II类，根据文献[2]中所述方法计算，吸收塔横风向最大位移为145mm。

理论公式计算时，根据简化模型的计算结果，将吸收塔的实际位移通过响应函乘以一个放大系数得到，使其最大值为145mm。

由图4响应函数可以看出，有TMD时横向风激励作用下吸收塔的最大位移大幅减小至±7mm(蓝色曲线)，TMD的最大行程为±23mm(绿色曲线)。对比有无TMD状态下系统的最大响应，可以对增加TMD后结构的系统阻尼进行评估。依据有TMD时系统的最大响应可得结构的阻尼比为5.2%。

图4 有无TMD时吸收塔的位移及TMD行程Fig.4 Absorber top displacement with/without TMD and TMD travel

附加上TMD后，吸收塔在激励开始阶段没有动力放大的情况，减振效果明显。由图5、图6还可看出，有TMD控制的情况下，在激励结束时振动衰减非常快，能够使吸收塔的振动在短时间内稳定下来。

图5 有TMD及无TMD控制时塔顶位移反应Fig.5 Absorber top deflection with/without TMD

图6 激励开始阶段和激励结束阶段Fig.6 The beginning and the end stages of excitation

4.2 地震响应验算

在调谐质量减振器设计过程中，其不仅要达到在正常使用状态下的位移及舒适性要求，而且在地震工况下，吸收塔在地震激励下的振动响应也应满足要求。吸收塔所在地抗震设防烈度为7度，设计分组为第二组，设计基本地震加速度为0.15g。本次共选取了5组地震波进行计算，其中有4条为天然波，1条为人工波。其加TMD前后的振动响应结果见表2。