钢结构设计中的振动问题

钢结构设计中的振动问题摘要：随着社会的发展与进步，重视钢结构设计中的振动问题对于现实生活具有重要的意义。本文主要介绍钢结构设计中的振动问题的有关内容。关键词：振动；钢结构；设计；原因分析；问题；中图分类号：tu391文献标识码：a文章编号：引言钢结构的动力计算是结构设计中应重视的问题,特别是当设备转速较低时(转速f100r/min),如果忽视或仍按静力方法加大安全系数来考虑设计中的动力影响,将导致建筑物建成后不能正常使用。一、实例简介在某化工重点工程项目中,设计采用钢结构框架支撑搅拌器等设备,建成后设备试运行时,钢结构框架出现了共振现象。框架大幅度晃动,导致设备不能正常运行,支架上的工人不能正常操作,仪表无法读数。相同型号的2台搅拌器,分别支撑于钢结构支架的平台上,平面布置见图1、图2。图中的单位,除标高为m,其余均为mm。支架四边布置了柱间支撑,由于贮液罐之间连通管道较多,框架kj-2,kj-3的平面内未布置柱间支撑。搅拌器设计荷载:重力w1为90kn,动扭矩t为30495n*m;搅拌器输出转速f为56r/min;搅拌器电机功率p为90kw。二、原因分析当设备旋转时,支架结构将随之旋转振动。文献[3]规定:动力设备置于钢平台上时,应按专门规定进行结构动力计算。结合本文实例,如果楼盖为刚性,在力矩t的作用下,楼层整体绕刚度中心产生旋转振动,楼层整体形状保持为矩形不变(见图3)。支架四周均设置了柱间支撑,由于柱间支撑水平刚度很大,其受支撑平面内的水平力作用时,水平振幅趋于零,相当于刚性填充墙,所以楼层转角趋于零。在实例中,根据设计的钢楼盖构造,楼盖应为弹性,在力矩t的作用下,楼层整体绕刚度中心产生旋转振动时,楼层整体形状将随之改变(见图4),即使转角趋于零,边缘框架水平振幅趋于零(边缘框架有柱间支撑),水平刚度较小的kj-2、kj-3仍有较大振幅,因此仍应考虑旋转振动的影响。显然,本文工程实例应选择水平刚度最小,水平振幅最大的单榀框架kj-2进行结构动力计算。楼盖上有集中简谐力矩t=30495n*m,可将该力矩分解为2个大小相等方向相反的水平集中挠力f0,进而由f0计算框架的水平方向振幅。标准挠力:f0=t/l=30495/6=5.1*103(n)。式中,l为框架纵向跨度(见图5),对应计算kj-2时,l=6m。计算振幅时采用标准挠力。三、结构动力计算按振动力学方法计算,结构是由搅拌器与支架组成的系统。3.1对应kj-2各楼层的等效质量计算钢格栅平台板自重为0.12kn/m2;平台梁及栏杆自重为1.2kn/m2。7.4m楼层以下,支撑及柱子重力为16kn,搅拌器重力w1为90kn;7.4~8.6m楼层,柱子重力为1.5kn,搅拌器重力w1为90kn。(1)7.4m楼层的等效质量m1=[(0.12kn/m2+1.2kn/m2)×6m×6.2m/2+16kn/2+1.5kn/2+90kn/2]/9.85×m/s2=8.3kns2/m;(2)8.6m楼层的等效质量m2=[(0.12kn/m2+1.2kn/m2)×6m×6.2m/2+1.5kn/2+90kn/2]/9.85m/s2=7.2kns2/m;(3)计算kj-2,计算简图见图6。搅拌器工作时给kj-2简谐激振力f(t)=f0sinwt,引起支架作二自由度强迫振动,略去阻尼作用。(4)列出系统自由振动运动方程[2]m1x1+k11x1+k12x2=0(1)m2x2+k21x2+k22x1=0(2)(5)系统在简谐激振力作用下的振动运动方程[2]:m1x1+k11x1+k12x2=f1sinwt(3)m2x2+k21x2+k22x1=f2sinwt(4)(6)求解(1)(2)式,得:w2n1,2=[(k1+k2)m2+k2m1]/2m1m2±(1/2){[(k1+k2)m2+k2m1]2/m21m22-4[(k1+k2)k2-k22]/m1m2}1/2(5)(7)求解(3)(4)式,得:b1=[(k2-m2w2)f1+k2f2]/[m1m2(w2n1-w2)(w2n2-w2)](6)b2={[(k1+k2)-m1w2]f2+k2f1}/[m1m2(w2n1-w2)(w2n2-w2)](7)式中,f0为系统所受激振力的最大值,kn;f1,f2为各楼层所受激振力的最大值,kn;w为系统所受激振力的圆频率,1/s;x1,x2为各楼层的水平方向运动加速度,m/s2;x1,x2为各楼层的水平方向位移,x1=b1sinwnt,x2=b2sinwnt,m;b1,b2为各楼层的水平方向振动振幅,m;m1,m2为各楼层等效质量,kns2/m;wn为系统的自振圆频率,1/s;wn1,wn2为分别为双自由度振动体系的第1、第2自振圆频率,或称第1、第2主频率,1/s;k11,k12,k21,k22为刚度系数,k11=k1+k2,k12=k21=-k2,k22=k2,kn/m。2.2计算kj-2kj-2框架梁与柱的连接节点为刚性(见图7)。7.4m楼层水平方向刚度k1=1620kn/m,8.6m楼层水平方向刚度k2=2.39*105kn/m,m1=8.3kns2/m,m2=7.2kns2/m;w=f/(2π/60)=56(2π/60)=5.9(1/s);代入(5),(6),(7)式,得:wn1=10.2(1/s),wn2=250(1/s)。单台搅拌器工作:f1=0,f2=f0=5.1kn,b1=b2=4.7mm。双台搅拌器工作:f1=f2=f0=5.1kn,b1=b2=9.4mm。2.3计算kj-2kj-2框架梁与柱的节点为铰接(见图8)。7.4m楼层水平方向刚度k1=480kn/m,8.6m楼层水平方向刚度k2=1.13105kn/m,m1=8.3kns2/m,m2=7.2kns2/m;代入(5),(6),(7)式,得:wn1=5.6(1/s),wn2=170(1/s)单台搅拌器工作:f1=0,f2=f0=5.1kn,b1=b2=94mm。双台搅拌器工作:f1=f2=f0=5.1kn,b1=b2=188mm。据现场观测,在搅拌器工作时,框架出现了共振现象,kj-2水平振动幅值约为100~200mm,与2.3的计算结果(框架梁与柱的节点为铰接)接近。设计的框架梁与柱的节点构造近似于铰接,说明按振动力学方法计算结果较符合实际。由usy-08301电磁阀的结构可以看出,电磁阀线圈失电后控制油不停的原因为:a.上部小滑阀卡不能复位;b.小滑阀复位弹簧力度不够;c.大滑阀排油回路不畅通,造成大滑阀的控制油无法排放;d.大滑阀气缸内存油较多,并且长期相对稳定,只有停车时才将油排出,造成油内杂质的沉淀,并且排油管道较细,易被脏物堵塞。大滑阀气缸排油管堵塞将造成停车时排油不畅,延误大滑阀动作时间;e.大滑阀卡或复位弹簧力度不够。四、故障检查及处理(1)nsw087置“0”;后ndo004不置“0”;的检查处理:对复位按钮外观检查未发现异常,在现场按下pb02进行实验,45秒后nsw085置“0”,运行一切正常;对dcs顺控表进行分析检查也未发现异常;多次进行连锁实验都能够顺利实现ndo004置“0”;对dcs输出通道进行测量检查未发现异常。(2)ndo004置“0”后而电磁阀不失电的检查处理:对继电器触点进行检查,没发现不断开或断开电阻较小的现象,可认为继电器触点没有问题,但还是更换了新的继电器。为了确定零线是否接地,用摇表检查线路,现场电缆及主控电缆对地电阻都在100mω以上,电缆未发现异常。(3)电磁阀失电后控制油不停故障的查找:首先检查电磁阀大小滑阀复位弹簧,发现在弹簧力的作用下滑阀动作顺利,确认弹簧无问题。对大小滑阀活动情况进行检查,认为滑阀卡出现故障的可能性不大。滑阀动作之后由于安全油与排放管压差较高,而且切入管道内径较大,因此一般情况下不会出现排油故障。在对大滑阀进行检查时发现大滑阀气缸内有一些杂质。如果这些杂质堵塞大滑阀气缸控制油排油管道,就会造成活塞动作迟缓,从而使控制油不能及时切断。结束语按振动力学方法对一钢结构支架进行了动力计算,分析了该结构产生共振的原因,对计算结果进行了讨论。结果表明,在钢结构框架的设计中,应重视动力影响和旋转振动影响,采取相应的减振设计和隔振措施可以达到允许振动限值的要求。参考文献[1]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,附录三.ybj55-90,ysj009-90[s].[2]龙驭球,包世华.结构力学教程[m].北京:高等教育出版社,1981.[3]化工建(构)筑物楼面荷载设计规定.hg/t20634-89[s].作者信息王文可：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室，山东济南250101工程师张运龙：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室，山东济南250101工程师潘可明：山东省冶金设计院股份有限公司耀华公司，山东济南250101工程师