水泥廠動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)分析方法步驟探討

Analyzing Methods and Steps of Cement Plant Power Equipment Foundation

李紅雨

水泥廠動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)分析方法步驟探討

Analyzing Methods and Steps of Cement Plant Power Equipment Foundation

李紅雨

1 緒論

動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)（輥磨、管磨、風(fēng)機(jī)、碎碎、窯墩等）在水泥廠的結(jié)構(gòu)形式中占有重要的位置，從數(shù)量及工程量上都占有相當(dāng)大的比例，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣及工程量的優(yōu)化與否會(huì)直接影響工程建設(shè)的好壞及造價(jià)的高低。目前國(guó)內(nèi)在動(dòng)力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)上雖已做過(guò)大量的研究并形成了較為成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于部分類型動(dòng)力基礎(chǔ)的研究已形成一套經(jīng)驗(yàn)性的總結(jié)，并已在實(shí)踐中大量應(yīng)用，也證明其完全適用于工程，但因動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)的動(dòng)力計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，其設(shè)計(jì)計(jì)算還停留在較為粗曠的經(jīng)驗(yàn)及靜力計(jì)算方法上，缺少嚴(yán)格的動(dòng)力分析過(guò)程。隨著涉及項(xiàng)目的增多，國(guó)外的咨詢公司通常要求提供大型動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)的有限元振動(dòng)分析計(jì)算以確保結(jié)構(gòu)的安全性，以往遇到這種情況時(shí)多采用外包方式進(jìn)行，費(fèi)用高昂且進(jìn)度難以控制，因此符合合同要求的國(guó)外主流規(guī)范（歐洲規(guī)范、美國(guó)規(guī)范）及滿足設(shè)備運(yùn)行需要的大型動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)的有限元分析計(jì)算越來(lái)越為設(shè)計(jì)所需要。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)力基礎(chǔ)的研究大部分建立在已有經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范（動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)通常缺少嚴(yán)格的動(dòng)力分析過(guò)程。國(guó)外設(shè)計(jì)人員對(duì)此的研究相對(duì)較成熟，但是由于其所用軟件的不適用性以及項(xiàng)目中各種基礎(chǔ)形式的多樣性，系統(tǒng)性較差，不利于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，也容易讓設(shè)計(jì)者產(chǎn)生困惑。如何按照相關(guān)規(guī)范及設(shè)備的指標(biāo)要求進(jìn)行動(dòng)力基礎(chǔ)的有限元振動(dòng)分析計(jì)算，是目前急需解決的重要問(wèn)題。本文以此為研究目的，嘗試以經(jīng)驗(yàn)為支撐，以國(guó)外規(guī)范（歐/美國(guó)動(dòng)力基礎(chǔ)規(guī)范）為理論依據(jù)，以有限元分析軟件為載體，以國(guó)外工程設(shè)計(jì)實(shí)例為參考，找尋一套水泥廠各型動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)在各種地基條件下（處于淺層土中、樁基等）依照相關(guān)的規(guī)范（歐規(guī)及美規(guī)）及規(guī)定進(jìn)行有限元?jiǎng)恿A(chǔ)分析的行之有效的方法步驟。

2 動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)分析步驟

對(duì)于水泥廠的各型動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)，整體而言，雖然其設(shè)備的運(yùn)行各具自身特點(diǎn)，且其靜力計(jì)算及動(dòng)力計(jì)算各有特殊性，但其分析步驟基本一致，概括來(lái)講共分六步。

2.1 設(shè)備及基礎(chǔ)所處位置地質(zhì)條件等相關(guān)資料的收集

設(shè)備及基礎(chǔ)所處位置地質(zhì)條件等相關(guān)資料收集，主要涉及以下幾項(xiàng):

（1）設(shè)備的型號(hào)、運(yùn)轉(zhuǎn)的速度/臨界轉(zhuǎn)速、功率、規(guī)格及輪廓尺寸圖等；

（2）設(shè)備底座外廓圖、輔助設(shè)備、與機(jī)器基礎(chǔ)連接的有關(guān)管道和坑、溝、孔、洞的尺寸以及灌漿層厚度、地腳螺栓、預(yù)埋件的位置等；

（3）設(shè)備（擾體）的自重及重心位置；

（4）設(shè)備的荷載分布圖，包括動(dòng)力荷載在內(nèi)的所有荷載大小、方向、作用點(diǎn)；

（5）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)期間不同區(qū)域的溫度分布；

（6）正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)設(shè)備支撐點(diǎn)的允許位移；

（7）基礎(chǔ)的位置及其鄰近建筑物的基礎(chǔ)圖；

（8）建筑場(chǎng)地的地質(zhì)勘察資料及地基動(dòng)力試驗(yàn)資料或地基土動(dòng)力參數(shù)；

根據(jù)設(shè)備資料及地質(zhì)條件進(jìn)行基礎(chǔ)預(yù)設(shè)計(jì)（可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，如配重要求，外形要求等），并進(jìn)行靜力計(jì)算復(fù)核，需滿足地基承載力要求、偏心率控制要求等，并可通過(guò)靜力計(jì)算得出基礎(chǔ)配筋。關(guān)于非桿式結(jié)構(gòu)的配筋目前有以下兩種方法：

a內(nèi)力配筋法：對(duì)于較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形體或易于計(jì)算內(nèi)力的結(jié)構(gòu)可采用內(nèi)力配筋法，即由擬靜法來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)受力從而得出配筋,并考慮在受力薄弱處或應(yīng)力集中處采用增加構(gòu)造配筋的方式實(shí)現(xiàn)；

b主拉應(yīng)力法:對(duì)于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可采用彈性力學(xué)分析方法，參照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的原則，利用有限元的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行配筋計(jì)算。

關(guān)于基礎(chǔ)的靜力計(jì)算，推薦采用清楚明確易于調(diào)整的表格化方式進(jìn)行：

（1）首先求得預(yù)設(shè)計(jì)下基礎(chǔ)的幾何參數(shù)，舉例如下（見表1）；

（2）用EXCEL表格分別求得各荷載工況（風(fēng)、地震、設(shè)備恒載、基礎(chǔ)自重、活載等）標(biāo)準(zhǔn)值下相對(duì)于基礎(chǔ)形心的基礎(chǔ)受力狀況；

（3）根據(jù)相應(yīng)荷載組合采用EX?CEL表格進(jìn)行地基承載能力（正常使用極限狀態(tài)）計(jì)算；

（4）根據(jù)相應(yīng)荷載組合采用EX?CEL表格進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算;

（5）根據(jù)以上結(jié)果進(jìn)行配筋及構(gòu)造等設(shè)計(jì)。

在靜力計(jì)算時(shí)需要考慮設(shè)備運(yùn)行的各種工作狀態(tài)（安裝、測(cè)試、維修、正常運(yùn)轉(zhuǎn)、異常運(yùn)行等），因此涉及諸多荷載組合，按設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)分列如下：

（1）安裝狀態(tài)：

恒載+安裝荷載；

恒載+安裝荷載+折減的風(fēng)荷載+雪、冰或雨荷載；

恒載+安裝荷載+地震作用+雪、冰或雨荷載。

（2）測(cè)試狀態(tài)：

恒載+測(cè)試荷載；

表1 截面幾何參數(shù)表

恒載+測(cè)試荷載+活荷載+雪、冰或雨荷載；

恒載+測(cè)試荷載+折減的風(fēng)荷載+雪、冰或雨荷載。

（3）維修狀態(tài)：

恒載+維修荷載+活荷載+雪、冰或雨荷載。

（4）正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：

恒載；

恒載+溫度作用+設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)荷載+活荷載+風(fēng)荷載+雪、冰或雨荷載；

恒載+溫度作用+設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)荷載+地震作用+風(fēng)荷載+雪、冰或雨荷載。

（5）異常運(yùn)行狀態(tài)：

恒載+設(shè)備異常運(yùn)轉(zhuǎn)荷載+活荷載+折減的風(fēng)荷載；

注：通常安裝及測(cè)試短時(shí)間狀態(tài)下，在荷載組合中可采用折減的風(fēng)荷載，在安裝狀態(tài)可采用80%的風(fēng)載，在測(cè)試狀態(tài)可采用33%的風(fēng)載。

對(duì)于以上荷載組合應(yīng)根據(jù)正常使用極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)及各國(guó)規(guī)范對(duì)于荷載類別的相關(guān)要求，取用相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)及組合值系數(shù)。

2.2 預(yù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)有限元模型的建立

2.2.1 幾何模型的輸入

采用實(shí)體單元輸入，單元的大小應(yīng)根據(jù)實(shí)體尺寸合理控制，單元的劃分應(yīng)簡(jiǎn)單、有規(guī)律，轉(zhuǎn)角及應(yīng)力集中處、加載點(diǎn)處應(yīng)引起注意。

對(duì)于分析模型的建立目前有兩種方法：其一，在分析軟件中直接建立并剖分單元從而建立有限元模型；其二，在考慮基礎(chǔ)幾何尺寸規(guī)則性的基礎(chǔ)上，在CAD中分別繪制有代表性的剖面，并合理劃分單元，繼而再導(dǎo)入分析軟件中進(jìn)行拉伸剖分等工作，并最終組裝為整體模型。考慮到各設(shè)備基礎(chǔ)外形的復(fù)雜性，在分析軟件中直接建立并進(jìn)行網(wǎng)格的劃分有一定的困難，推薦采用第二種CAD導(dǎo)入模式，以期快速準(zhǔn)確完成幾何模型的建立。

2.2.2 邊界條件的合理輸入

荷載通過(guò)動(dòng)力設(shè)備傳到基礎(chǔ)，繼而再傳導(dǎo)到大地上或通過(guò)樁傳導(dǎo)到大地上，可見作為基礎(chǔ)的載體樁/土（邊界條件）作用影響甚大，是我們進(jìn)行有限元分析中必不可少的一環(huán)。邊界條件的設(shè)置是否合理，模擬是否準(zhǔn)確，直接影響到基礎(chǔ)的動(dòng)力，反映計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確及結(jié)構(gòu)的安全與否，對(duì)于此邊界條件主要涉及淺基礎(chǔ)及深基礎(chǔ)的水平及豎直方向（有時(shí)也涉及到扭轉(zhuǎn)向）的彈簧支承剛度及阻尼大?。☉?yīng)根據(jù)相關(guān)深度范圍土的測(cè)試參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算或范圍計(jì)算，并考慮施工因素、構(gòu)造措施等合理選取適值輸入），值得注意的是，邊界條件應(yīng)與實(shí)際情況一致，如考慮了隔振措施的輥磨基礎(chǔ)周邊，其支承彈簧剛度及阻尼應(yīng)予以忽略。

為了能準(zhǔn)確獲得基礎(chǔ)的邊界條件，在進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)時(shí)，基礎(chǔ)影響深度范圍內(nèi)的以下土的動(dòng)力參數(shù)是需要測(cè)定以供分析計(jì)算時(shí)采用的：

（1）各土層的剪切模量G；

（2）各土層的泊松比u；

（3）各土層波速Vs；

（4）各土層的內(nèi)摩擦角φ；

（5）各土層的摩擦系數(shù)μ；

（6）各土層的質(zhì)量密度ρ。

關(guān)于基礎(chǔ)影響深度，在動(dòng)荷載作用下，由于地基土的受壓面積隨深度增加而增大，因此作用在單位面積上的動(dòng)應(yīng)力也隨深度增加而減小，土層的動(dòng)變位亦隨之減小，一般在深度2d以上的土層可以不考慮動(dòng)應(yīng)力的影響。中國(guó)《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的其影響深度hd推薦如下：

方形基礎(chǔ)：

式中：

hd——影響深度，m

d——方形基礎(chǔ)的邊長(zhǎng)，m

其他形狀的基礎(chǔ)：

式中：

A——基礎(chǔ)底面積，m2

2.2.3 荷載的輸入

其中包括靜力荷載及動(dòng)力（擾力）荷載（相關(guān)的動(dòng)力荷載，通常模擬為簡(jiǎn)諧波荷載），荷載加載時(shí)間的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況（如周期數(shù)、時(shí)間長(zhǎng)度、基礎(chǔ)的反映、計(jì)算結(jié)果等）合理選取。

圖1 頻率比f(wàn)0/fm、阻力對(duì)基礎(chǔ)振幅的影響

2.3 有限元程序的計(jì)算（動(dòng)力計(jì)算）

程序的計(jì)算時(shí)間及精度同有限元網(wǎng)格的劃分有很大的關(guān)系，在保證精度的原則下，網(wǎng)格大小的劃分可以0.5～2.0m為基本單元進(jìn)行，可根據(jù)基礎(chǔ)的幾何尺寸的大小確定相協(xié)調(diào)的基本網(wǎng)格的大小，在應(yīng)力集中處及受力點(diǎn)處網(wǎng)格的劃分應(yīng)引起注意，應(yīng)能保證力流的有效傳遞。

2.4 計(jì)算結(jié)果的讀取

有限元?jiǎng)恿Ψ治鲇?jì)算完畢，分別提取下列計(jì)算結(jié)果以供采用：

（1）自振頻率f及周期T的讀??；

（2）最不利點(diǎn)振動(dòng)線位移時(shí)程曲線及基礎(chǔ)最大振動(dòng)線位移Af；

（3）最不利點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線及基礎(chǔ)最大振動(dòng)速度Vf；

（4）最不利點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程曲線及基礎(chǔ)最大振動(dòng)加速度αf。

2.5 根據(jù)計(jì)算結(jié)果參照限值要求得出結(jié)論

結(jié)構(gòu)的周期是否能避開共振區(qū)，基礎(chǔ)的位移、加速度、速度是否在規(guī)范及設(shè)備要求的允許范圍內(nèi)，即Af≤[A]、Vf≤[V]、αf≤[α]，如各方面計(jì)算結(jié)果均滿足，則設(shè)計(jì)可行，如不滿足，根據(jù)計(jì)算結(jié)果重新調(diào)整設(shè)計(jì)再次進(jìn)行新的循環(huán)直到滿足要求為止。當(dāng)然，如結(jié)構(gòu)初次計(jì)算滿足各要求并有較大的安全度，則可根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖2 萊歇磨振幅限值表

圖3 美國(guó)規(guī)范（ACI_351.3R-04）振幅限值表格

通常我們應(yīng)控制基礎(chǔ)的自振頻率fo避開設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率fm，以避免共振的發(fā)生，對(duì)此，通常限定基礎(chǔ)的自振頻率fo遠(yuǎn)離設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率fm20%～33%甚或50%，如果周期頻率能很好地隔離，大部分情況下可不再做后續(xù)的評(píng)估工作，如果有共振的風(fēng)險(xiǎn)（頻率比f(wàn)o/fm、阻尼對(duì)基礎(chǔ)振幅的影響見圖1所示），應(yīng)調(diào)整基礎(chǔ)尺寸，或在條件允許情況下調(diào)整設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，并進(jìn)行更加精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，在計(jì)算時(shí)應(yīng)有意折減阻尼的作用以評(píng)估基礎(chǔ)是否足夠安全。

關(guān)于各種限值的規(guī)定有以下幾個(gè)來(lái)源：設(shè)備資料、規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)、咨詢公司的要求。舉例如下：設(shè)備資料可由設(shè)備制造商提供，如萊歇磨提供了限值表供分析計(jì)算復(fù)核時(shí)采用（圖2）。對(duì)于規(guī)范的要求，目前國(guó)際上主流的規(guī)范對(duì)于動(dòng)力基礎(chǔ)有明確限值要求，應(yīng)用較廣且方便的振幅限值表格為美國(guó)規(guī)范（ACI_351.3R-04），如圖3所示。在無(wú)準(zhǔn)確資料可用時(shí)可根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)或者是由審批公司提出要求。

3 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)的分析涉及設(shè)備、基礎(chǔ)和地基三大方面，涉及內(nèi)容相當(dāng)廣泛，其分析過(guò)程不是一蹴而就的，有時(shí)要經(jīng)過(guò)反復(fù)多次調(diào)整再計(jì)算，不過(guò)經(jīng)過(guò)以上分析步驟的總結(jié)其系統(tǒng)分析是有規(guī)律可循的，按此分析可最大程度地保證設(shè)計(jì)安全及做到合理的工程優(yōu)化。

[1]GB50040-96，動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1996.

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[4]Assessment Scales ofmechanical vibrations caused by LOESCHEmills Q915516-00-4 en.■

TU278

A

1001-6171（2015）06-0039-04

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；

2015-03-16；編輯：趙蓮