朱琳
上海交通建设管理有限公司 上海 200235
摘要：工业项目中经常出现振动筛的钢结构设计，它同一般钢结构的主要区别在于具有动荷载，本文查阅了相关的规范要求，并从理论分析和实际操作的角度对这一问题提出了相关解决办法，供设计人员参考。
关键词：振动筛；钢结构；振动分析；静力等效法
1 基本设计准则
1.1 承重结构的动力计算应按以下顺序进行：
1）确定在不同工作状态下由设备产生的动力荷载；
2）设定允许的结构振动标准，如振动幅值、速度等；
3）确定结构构件的计算简图,计算结构自振频率和振型；
4）进行结构的动力分析，得出结构位移、速度，验算是否符合设定标准；
5）确定结构内力的幅值（弯矩，剪力），并进行构件承载力计算。
1.2采用动力系数法的条件
对于直接承受动力设备的结构构件，一般应进行动力计算，只有下列情况可以使用动力系数法进行计算：
1）梁第一频率密集区内最低自振频率计算值大于设备的扰力频率的扫频值；
2）梁和柱的最大振动位移扣除支座位移后不超过自身长度的1/40000；
3）在不产生共振的情况下，即设备强迫振动频率与建筑物或其构件的自振频率相差±25%以上时，且有相似工程实例验证者。
1.3 荷载
1.3.1 设备安装使用后，一般情况下是不会改变位置的，设备荷载符合永久荷载的特性，所以设备自重可以作为永久荷载，但是设备中的物料应作为活荷载。设备中的物料荷载分项系数一般取1.4，但在容积为定值时，物料荷载分项系数可取1.2 。
1.3.2 机器扰力规定
在振动计算中，机器产生的扰力，计算振幅时，应采用标准扰力；计算动内力时，应采用计算扰力：
Pc=Kd×P，
式中Pc——机器的计算扰力；
P——标准扰力；
Kd——动力超载系数，见下表：
设备动力超载系数（Kd）
v激发周期荷载的机器特性设备名称Kd
构造不均匀筛分机，颚式及锥形破碎机，摇床及类似曲柄连杆机构1.3
由上可知，若符合“第一频率密集区计算值大于设备频率”准则时，机器的扰动频率应该取 。
1.3.4 模型假定
1）算设备支撑梁时，将其视为单跨梁或者多跨连续梁。鉴于柱子的竖向刚度比梁的竖向刚度大很多，梁的动力计算可以忽略柱子竖向刚度的影响，当主梁的刚度比次梁的刚度大很多时，也可以忽略主梁的影响。对于单跨设备支撑梁，可以假定其为两端铰接。
2）一般而言，对于振动支架平台上的设备支撑梁可以只进行垂直方向的振动验算，水平方向采用平面内布置水平支撑杆件或者采用铺板，减少设备支撑梁的计算长度，增加梁水平方向刚度，使其振动频率控制在共振区域之外。
3）最大振幅计算
振动计算中，计算振幅时采用设备标准扰力，当设备梁支撑在别的框架梁上，其有效位移等于设备梁与框架梁的位移叠加。对于有钢盖板的钢梁，其截面惯性矩仍按照梁截面确定，不考虑钢盖板的作用。
4)有振动设备的情况下，直接承载设备的次梁，框架梁均不应考虑塑性内力重分布，且一般仅作多遇地震作用下的内力和变形分析。
2 振动筛的扰力计算
2.1 机器隔振能力的计算
隔振能力的主要指标是隔振系统的设备安装基础传递振动力的大小，振动机械对结构传递的振动动力幅值Pm可用下列公式计算：
弹性振动型：Pm=Fm (如振动防闭塞装置，振动系统工作频率远小于自振频率）
强制振动型：Pm≈Fm/λ2, 一般取7≥λ≥3 (此类考虑频率折减，如振动给料机、振动筛）
M2——振动器质量，kg；
M3——支撑装置的上弹簧座质量；
M4——联轴器及其罩的质量，kg；
M5——物料质量，kg；
M5=fwBLγ ∑ Hi
fw——物料结合系数，取 0.2；
B——筛面的宽（m）；
L——筛面的长（m）；
γ——物料的松散密度（kg/m3)
∑ Hi——各层筛面上料层平均厚度的总和（m）；
M6——其它参振质量，kg。
3 结构振动的允许限值
对于结构而言，较大的振动不仅影响生产使用功能，而且可能造成结构的损坏，因此对结构振动必须加以控制。根据结构的动力响应，振动一般表现为几种情况：
1）结构整体振动，产生过大的侧移、速度和加速度；
2）结构局部或构件振动，产生过大的位移、速度和加速度；
3）整体振动和局部振动兼有。
3.1 动力机器基础的允许振动限值
动力机器基础的允许振动限值，应按机器制造部门提供的数据取用，当无资料时，参本节确定，可以根据机器类别按图确定。
动力机器的分类
3.2 操作区的允许振动限值
直接承受动力设备的楼层和动力设备基础附近的地面，属于操作区。操作区的允许振动限值是以人员的健康不受损害，正常工作不受影响为依据的，当操作人员在一班内连续8小时受同等强度稳态振动时，操作区的允许振动限值如下。
操作区的允许振动速度
水平方向振动计算应按分开的各独立单元进行计算，若建筑物与楼梯间，矿仓等附属构筑物相连，应在计算简图中考虑此项因素。
当建筑物各层的质量中心和刚度中心的相对偏心不超过5%时，建筑物的水平振动和旋转振动可以单独进行计算，不考虑耦合作用。其中e 为建筑物质量中心和刚度中心在x或y方向之间的距离，l为x方向或y方向上建筑物的长度。
计算水平振动时，机器的当量静力可以按照下式计算：
Ri= βi*Pi
式中Pi——建筑物计算单元中，第i台机器的标准扰力；
βi——建筑物计算单元中，第i台机器作用下结构的动力系数。采用下式计算：
对于单层建筑物：
对于多层建筑物：
6 计算实例
平台上部是振动筛，振动筛的四根支柱恰好落在平台的柱顶，所以仅考虑其水平振动，以此作为平台振动计算的一个实例。
背景信息：平台长2.8m，宽1.66m，振动筛传给平台的竖向力为单支点21.5kN，水平力为单支点3.5kN。柱子选HW150x150，梁选HM194x150，支撑选2L63x5。计算采用MIDAS计算软件，添加时程荷载进行动力分析，并与静力放大系数法计算结果比较。
当每支点承受静载3.5kN时，支架水平位移为0.169mm
支架在激振力方向的固有频率为15.1HZ
动力计算与等效静力法结果对比（固有频率15.1HZ，阻尼比0.03）
从表格中可以看出：
1）激振力为固有频率0.75倍时，放大系数大约为2倍，可以作为设计中的参考值。激振频率小于固有频率0.75倍的部分，理论值与实际值的误差均在5%的工程许可范围内，证明在这样的条件下，可以使用等效静力系数法计算动力响应。
7 结论
由于设备振动的不确定性和复杂性、结构计算分析模型的误差以及与实际情况的差异，使得所谓“精确的振动分析”很难有效的控制结构的振动性能。更有效的减振措施是概念设计而不是计算，所以结构方案和布置显得尤为重要。
由结构的自振频率计算公式看，结构的自振频率主要取决于结构的刚度，而结构的刚度又取决于结构的布置方案。故首先我们应从结构布置方案上采取措施，从布置上减轻设备振动对结构可能产生的不利影响。工业厂房的结构方案是和工艺的设备布置紧密相关的，受到工艺设备布置的制约。在进行初步设计确定工艺方案时，结构设计人员就应参与设备布置的讨论，结合实际情况针对不同设备提出具体的结构布置方案，尽可能把动力设备置于对结构最有利的位置，尽可能从布置上减轻设备振动对结构可能产生的不利影响。
通过以上的分析，结合设计中遇到的振动现象，提出以下经验减少动力设备对结构的振动影响，推荐设计人员参考。
1）对设备采用减振、隔振等简易措施来改善竖向振动舒适度相对于加大构件截面，单纯提高结构刚度而言，具有较好的经济性。
2）当设备有强烈振动或存在对振动敏感的仪器时，宜将振动源布置在底层或靠近支架梁或支架柱等局部刚度较大的位置，尽可能将振动设备基础或支撑体系与主体结构脱开，两者同时存在时，宜分类集中，分区布置，减少相互影响。
3）调整设备的振动频率或者转向，使其错开结构的自振频率，以免发生共振。当有多台设备共同工作时，可使其运转方向相互错开，避免在同一方向产生共振；
4）在设备无法调整的情况下，设法调整结构的自振频率。例如改变梁柱的截面，增设支撑，改变结构形式等，通过调整结构布置来实现振动的控制，具体如下：
a）振动筛等大型设备不宜跨轴线，以免筛下留孔切断框架梁，如确要跨轴线，设备下框架梁应贯通布置；
b）设备动力荷载作用下，楼板次梁尽量布置成多跨连续梁，动力设备尽可能布置在中间跨，这样可明显地减少楼板的振动。
c）设备的质心和整个平台结构的刚度中心尽量要重合。
5）合理利用斜撑的刚度，宜将斜撑设置在对减小结构旋转振动最有效的位置上。在满足设备和工艺的条件下尽量四面都布置竖向斜撑。
6）平台其余部分与振动局部的连接尽量避免使用刚接节点。
7）通过增加阻尼的措施可使结构振动不因设备开停过程反应而突然增大。
8）为避免发生穿越共振，我们根据“结构的第一频率密集区内最低自振频率计算值大于设备的振动频率”这一原则来进行设计。此时可以不进行动力计算，但是应采取动力系数法对结构进行静力计算。
9）在承载力计算中，我们只对直接承受动力荷载的梁做避振的计算，作为直接振动梁支座的间接振动梁，不必再考虑避振（但做静力计算时，由直接振动梁传来的集中荷载要考虑动力系数），柱子计算时不必再考虑动力系数。
10）采用花纹钢板或钢格栅板楼面的钢结构厂房，除花纹钢板或钢格栅板楼面应与楼面钢梁可靠连接外，尚应增设楼面水平支撑。对7度及以上的抗震设防区域或布置有振动设备的楼面，宜采用钢筋混凝土现浇楼盖，当楼面开孔较大时，应增设楼面水平支撑。
11）节点连接：钢结构中一般构件的现场连接，宜采用高强螺栓摩擦型连接，对于重要的连接与拼接，应选用栓焊连接。
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论文作者:朱琳
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/9
标签：结构论文; 设备论文; 荷载论文; 频率论文; 振动筛论文; 刚度论文; 动力论文; 《防护工程》2018年第11期论文;