轉運站結構振動影響因素分析與控制對策

沈建東，鄭翔

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢430071）

轉運站結構振動影響因素分析與控制對策

沈建東，鄭翔

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢430071）

如何控制轉運站的結構振動是當前研究的熱門問題，論文通過分析轉運站的結構特點，介紹了振動產(chǎn)生的危害，研究了結構振動的影響因素，提出了幾種控制振動的典型對策，對解決轉運站的結構振動問題具有一定的指導意義。

轉運站；結構振動；影響因素；控制對策

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

1 引言

轉運站在工業(yè)運輸系統(tǒng)中有著廣泛的應用，其主要作用是保證貨物運輸?shù)倪B續(xù)性，減少運輸成本，是產(chǎn)品產(chǎn)地或集中點與目的地之間的中轉站。根據(jù)轉運站是否改變物料的輸送方向，可分為同向轉載和異向轉載兩種。在實際使用過程中，轉運站由于大功率驅動電機、減速箱、輸送機傳動滾筒等旋轉式動力設備在運行過程中會對產(chǎn)生較大的離心擾力，形成異常振動，對轉運站的正常運行產(chǎn)生影響，所以加強對轉運站振動影響的分析，研究相應的控制措施，成為當前急需解決的問題。

2 轉運站的結構特點和振動危害

大多數(shù)的轉運站是敞開式的鋼筋混凝土框架結構，長寬尺寸相當，但高度與長寬之比較大，除設備層外，一般不設樓板，填充墻少且洞口較大、較多，支撐柱較少，設備層較高，是典型的高聳柔性結構。這種結構特征決定了輸送機皮帶張力和動力設備擾力是轉運站異常振動的主要激振源，特別是近年來隨著長運距、高帶速、大運量、大功率帶式輸送機在運輸領域的廣泛實用，使得轉運站結構的振動問題更加突出。

異常振動的振幅如果超過設計指標，會對轉運站帶來嚴重的破壞。轉運站的異常振動可分為豎向振動異常和水平振動異常。豎向振動異常時主要是對樓層上的精密儀器產(chǎn)生不利影響，過大的振幅會影響儀器的工作精度，增加其磨損程度，降低其使用壽命，直接增加了維護和維修成本；同時其對置身其間的員工有直接的影響，長期的振動會使員工產(chǎn)生不適感，甚至可能出現(xiàn)心慌、頭暈等身體反應，嚴重時可能產(chǎn)生懼怕等心理反應，這是由于豎向振動頻率接近人體器官的振動頻率，產(chǎn)生共振現(xiàn)象導致的。水平振動異常是轉運站常見的另一種結構異常振動，這種振動主要對建筑物的整體結構造

成影響，呈現(xiàn)周期往復的特點，當振動達到一定次數(shù)后，容易使墻體、構件等結構出現(xiàn)裂縫，轉運站發(fā)生傾斜，最終導致嚴重后果。

3 轉運站振動影響因素分析

轉運站結構振動現(xiàn)象主要表現(xiàn)為結構水平側向振動和樓蓋的豎向振動[1]。轉運站的動力設備一般都設置在較高樓層或者頂部，為了便于設備的維修和保養(yǎng)，一般在頂層設置單梁懸掛起重機，這樣的結構造成了頂層的層高一般都比較高(6.0～7.0m)；同時物料經(jīng)由皮帶輸送機的傳遞后，通過漏斗中轉到下一層皮帶輸送機上，為了減少物料對皮帶輸送機的沖擊，下層層高設計的相對較小(4.0～5.0m)，加上轉運站的柱截面從底層到頂層相同，這就造成頂層與次層抗側剛度差距比較大；而填充墻的樓層與沒有樓扳的相鄰層也會出現(xiàn)較大的剛度差異，動力設備的運轉就容易產(chǎn)生異常振動。

通過對轉運站的結構特點進行分析，加上動力設備的的振源特性，經(jīng)過分析可知，轉運站結構發(fā)生異常振動的原因：一是由于動力設備的激振力頻率接近甚至和結構構件共振頻率相同，產(chǎn)生了共振現(xiàn)象引起異常振動；二是轉運站本身的結構或構件剛度不足，致使結構在受到振動載荷作用時產(chǎn)生較大的振幅，超過結構安全和正常使用所能承受的振動標準，導致異常振動。多層框架結構廠房水平振動的自振頻率在1.5～4.5Hz之間。當振動設備自振頻率與結構的自振頻率重合時，結構就會出現(xiàn)低頻共振現(xiàn)象，低頻共振振幅較大；當振動設備自振頻率在10Hz以上時，結構出現(xiàn)高頻共振現(xiàn)象，高頻共振振幅較小。低頻共振對轉運站的危害最大，應盡量避免。

4 轉運站結構振動控制對策

根據(jù)上文的分析可知，轉運站結構的剛性、動力設備的振動頻率和激振力的大小都對轉運站的結構振動具有決定意義，而動力設備激振力的大小、頻率相對固定，因此控制結構振動的主要途徑是改變轉運站的結構剛性，一般稱為被動的避振手段，本文重點介紹如何降低設備層樓板的振動和采用屈曲約束支撐避振兩種方法。近年來，隨著振動控制研究的深入，出現(xiàn)了主動振動控制手段，主要是改變結構的振動頻率，本文重點對設置斜拉索控制和設置阻尼器控制振動進行介紹。

4.1 設備層樓板的振動控制設備層樓板的振動主要由設備的振動引起，主要與樓板剛度、主次梁的布置剛度以及振動設備的隔振措施等有關，因此對設備層的振動控制也要從這幾方面著手。通常采取的做法是對大功率動力設備基礎進行隔振設計，同時對樓板次梁進行加固，加強樓板與主次梁之間的連接、加裝橡膠墊，減小樓板的異常振動。對于設置動力設備的樓層異常振動的處理應遵循以下幾個原則:（1）將振源與有防振要求的精密設備分開放置，增加振動從振源到精密設備的傳導距離，有效減少振動對設備的危害；（2）降低振動幅度，可采取提高支承結構(包括基礎)的剛度和整體性，增設樓面次梁，增加樓板厚度等剛性減振方法。也可采用動力設備與樓板之間用彈性墊隔離的柔性減振方法；（3）綜合減振，同時減少振動輸出和振動輸入，以減小振動輸出為主，以減小振動輸入為輔。

4.2 采用屈曲約束支撐控制側向水平振動

對轉運站來說，為防止側向水平震動，傳統(tǒng)加固方法主要有:加設鋼支撐布置、增設鋼筋混凝土“門式”剪力墻、采用外包鋼筋混凝土套增大框架截面3種，在傳統(tǒng)的加固方法的基礎上，可以采用屈曲約束支撐作為加固方式，屈曲約束支撐有以下優(yōu)點:（1）屈曲約束支撐剛度適中且穩(wěn)定，不會因外界載荷增大而導致失穩(wěn)現(xiàn)象，同時容易滿足變形要求；（2）是在克服傳統(tǒng)支撐構件容易屈曲的同時具有受力性能穩(wěn)定、滯回性能良好的優(yōu)點，適合需反復承受載荷的情況下使用；（3）屈曲約束支撐通過鉸接或螺栓連接，不需焊接或檢測，安裝便捷，性價比高。通過應力分析和響應分析，可以看出，使用屈曲約束支撐后，結構抗側剛度增加，改變了結構的振動頻率，降低了結構水平振動位移幅值和加速度幅值。

4.3 斜拉索控制

結構振動一般在其工作頻率下會產(chǎn)生一個相對較為穩(wěn)定的荷載值，此時可利用斜拉索改變其固有振動頻率，可將荷載值作為靜力，斜拉產(chǎn)生的水平方向上的拉力可以作為此穩(wěn)定荷載的反作用力，通過改變結構的受力狀況改變其振動頻率[2]，見圖1所示。

圖1 斜拉索計算示意圖

由于振動載荷對結構產(chǎn)生的振動會產(chǎn)生兩個相反方向的位移，而斜拉索由于本身結構的特點，只能產(chǎn)生拉力，不能承受外界的壓力，所以為了保證斜拉索結構的穩(wěn)定性，一般都同時設置2個相互對稱的斜拉索，即2個斜拉索關于結構同軸線對稱。通過應力分析和響應分析，斜拉索控制后結構的二階頻率顯著提高，與原結構相比加固后自振頻率有一定提高，同時結構沿拉索方向的剛度提高明顯，基本可以實現(xiàn)改變轉載站振動頻率的目的。

通過上述分析可以看出，拉索控制施工簡單，效果明顯，在實際的使用中，一般遵循下面的程序:（1）計算引起結構振動的荷載值，將其作為斜拉索的水平控制力，根據(jù)現(xiàn)場施工條件等實際情況確定斜拉索的角度和高度；（2）通過計算確定斜拉索的拉力方向和拉索的伸長量，確定計算振動控制點處的位移值范圍；（3）確定拉索的使用材料。另外，拉索設計時還可以通過施加預應力以增強拉索控制效果。

4.4 設置阻尼器的進行振動控制

阻尼器的種類很多，在實際使用中最常用的主要有調頻質量阻尼器(TMD)、調頻液體阻尼器(TLD)、耗能阻尼器以及液壓阻尼器[3]。不同類型的阻尼器工作原理不同，但都起到改變結構阻尼的作用。本文重點對調頻質量阻尼器進行分析。調頻質量阻尼器系統(tǒng)是一個由彈簧、阻尼器和質量塊組成的振動系統(tǒng)，一般支撐或者懸掛于結構上，該系統(tǒng)主要是利用質量塊與轉運站構件進行相對運動時，質量塊產(chǎn)生規(guī)律性的慣性力對結構發(fā)生作用，從而達到減振目的。彈簧系統(tǒng)可以調整調頻質量阻尼器自身頻率，使其產(chǎn)生的振動頻率與結構的自振頻率接近，來抵消結構的振動載荷；阻尼系統(tǒng)是為調頻質量阻尼器提供阻尼的，保證其良好的減振效果。調頻質量阻尼器進行振動控制的機理是:當結構在受力后產(chǎn)生振動時，帶動調頻質量阻尼器一起振動，調頻質量阻尼器相對運動產(chǎn)生的慣性力反作用到結構上，對這個慣性力進行調諧，使其對結構的振動進行控制，達到減小結構振動反應的目的。調頻質量阻尼器對結構振動可進行單點控制，也可進行多點控制。單點控制是指在結構的某一點或者某一層設置一個調頻質量阻尼器進行振動控制，多點控制是在結構中設置多個調頻質量阻尼器，通過其產(chǎn)生系統(tǒng)的控制作用對結構進行振動控制。調頻質量阻尼器的設置使得結構的阻尼增加，以減小結構反應。為使調頻質量阻尼器振動控制的效果達到最好，一般應將其設置于結構振幅值最大、振動最劇烈處。

5 結語

轉運站的結構振動是影響轉運站正常運轉的重要因素，對轉運站的結構特點進行分析，通過研究找到更好的控制振動的方法，是當前需要解決的關鍵問題，對結構振動的控制方法還有很多，相信隨著科技的進步和技術的完善，更多更先進的控制對策會不斷出現(xiàn)。

【1】胡少偉,苗同臣.結構振動理論及其應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

【2】牟廣興.轉運站的荷載取值問題探討[J].礦業(yè)工程，2008，6（2）：51-53.

【3】陳紹元,楊丹.通廊轉運站結構減振分析[J].武漢理工大學學報, 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

沈建東（1987～），男，河南信陽人，助理工程師，從事結構工程設計與研究，（電子信箱）694937750@qq.com。