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某工业设备钢结构平台振动问题的动力测试与分析

2024-04-15 7 上传者：管理员

摘要：以某工业设备钢结构平台外激励下的振动问题为背景，对该平台振动设备开启状态与自然扰动状态下典型位置加速度、速度响应进行了动力测试，采用3D3S(V14.10)软件建立了整体与局部模型并进行了模态分析；然后，采用ABAQUS软件对考虑简化振动条件下的结构进行了谐响应分析，分析结果表明，激励频率并非共振显著频率；最后，进行了简化振动条件下的瞬态动力学分析，并对增加板厚与加大梁柱截面2种加固方式进行了减振效果对比分析，分析结果表明，对该类型钢结构平台，增加楼板刚度及结构刚度不能够显著降低振动水平，针对类似结构，应采取隔振措施来解决设备激励导致的结构振动问题。

关键词：
实测研究
工业设备钢结构平台
振动
模态分析
瞬态动力学分析
谐响应分析
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随着机器设备“上楼”，工业厂房结构受设备振源振动影响，或者设备振动之间相互影响，往往会出现振动放大，并传播到结构上引起厂房结构振动，过大的结构振动将危害厂房结构的安全性和耐久性，因此，解决振动问题就成了厂房结构设计中的关键所在。平常我们采取的最简单的方法就是使其避开共振，避开共振有2种途径：一是调整机器的运转频率；二是改变结构的自振频率。对于定型设备，其频率已经确定，因此只能从结构方面采取措施，使结构自振频率远离设备激振频率，从而避免共振发生[1,2,3,4,5,6,7,8]。为此，本文对某工业设备钢结构平台进行了模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析，以期为该结构振动问题的处理提供支撑。

1、背景

某工业设备钢结构平台（简称“钢平台”）用于矿料筛选，其上布置振动设备（高频振动筛），在该平台使用过程中振感强烈，经过加固后未显著减小振感。该结构为2层（局部3层）钢框架结构，框架梁主要截面为HW300×150×6.5×9、HW400×200×8×13，框架柱主要截面为HW400×400×13×21、HW350×350×12×19，支撑主要截面为L100×10，楼板为6 mm厚花纹钢板，钢材强度等级均为Q235。本文以该工程为背景，采用3D3S(V14.10）和ABAQUS软件分别进行了结构模态分析、谐响应分析与瞬态动力学分析，分析结果可为类似工程提供参考。该平台结构照片如图1所示。

2、动力测试结果

2.1 测试方案

本工程中，振动设备产生振动，振动产生特定频率的三向振动激励，该激励直接传递至钢平台主体结构，引起钢平台主体结构振动，进而在主体结构内激起平台板、栏杆、扶手、检修楼梯等附属构件振动。为了获得振动设备激励振动对钢平台结构的影响程度及影响规律并获得相应的评价数据，在钢平台主体结构2层（振动设备所在楼层）选定多个部位设置三向（1个竖向和2个主轴水平方向）速度传感器测点以采集速度-时程曲线，速度传感器测点布置如图2所示。通过对监测数据快速傅里叶变换，得到振动的速度幅值谱，在此基础上获得相应振动速度峰值及其对应频率。

图1 钢平台结构照片

2.2 加速度/速度传感器与测试软件

采用的主要监测仪器为9通道DH5908H动态采集仪1台（图3),2D001H型磁电式速度及加速度传感器2台、2D001V型磁电式速度及加速度传感器1台（图4），传感器频率测试范围为1～100 Hz，量程为速度档0.3 m/s、加速度档20 m/s2。图5为测试系统现场照片。

2.3 分析结果

振动设备激励频率为25 Hz。选取测点最大速度测值与《建筑工程容许振动标准》（GB 50868—2013)5.11.1条中振动设备基础的容许限值（10.0 mm/s）进行对比得出，钢平台2层采集得到的X/Y/Z方向速度峰值远远超过10.0 mm/s。振动设备开启后典型测点速度-时程曲线及频域曲线如图6～8所示。由图6～8可知，结构振动基频约为25 Hz，与激励频率基本一致，说明结构以激励频率下的受迫振动为主。

图2 速度传感器测点布置

图3 动态采集仪

图4 速度及加速度传感器

图5 测试系统现场照片

3、模态分析

由于该平台与该厂房内其他平台相连接，本节采用3D3S(V14.10）软件分别建立该平台计算模型与考虑其他平台关联影响的整体计算模型进行分析，计算模型如图9所示。模态分析计算荷载根据实际作用荷载考虑，振动设备荷载按照恒荷载考虑。

模型1模态分析计算结果如图10所示。仅单独考虑设振动设备平台的第1阶自振频率为1.95 Hz，模态以横向平动为主；第2阶自振频率为2.83 Hz，模态以扭转为主；第3阶自振频率为2.99 Hz，模态以纵向平动为主。

图6 振动设备开启后测点1速度-时程曲线及频域曲线

模型2模态分析计算结果如图11所示。由于多个钢平台耦连，选取振动设备平台相关联的前3阶自振模态，可以发现，考虑其他相连接平台耦合后，该钢平台第1阶横向平动与第3阶纵向平动频率分别为1.94 Hz和3.00 Hz，与模型1相差不大，表明对该类型钢平台，其他相连接平台影响较小。

除此以外，为验证计算模型精度和支撑后续分析的展开，采用ABAQUS软件建立不考虑其他平台关联的计算模型（模型3），计算模型1～3计算结果与实测基频对比见表1。由表1可以看到，计算模型1～3基本吻合，计算结果与实测基频较为吻合。

图7 振动设备开启后测点4速度-时程曲线及频域曲线

4、谐响应分析与共振判断

通过上文分析可知，对于振动设备所在的钢平台，其他与之相连接平台影响较小，基本可以忽略。为提高计算效率，本节采用ABAQUS软件建立不考虑其他平台关联的计算模型对其进行谐响应分析，振动设备平台梁、柱采用BEAM31梁单元模拟，钢楼面板采用薄壳单元模拟。各单元之间连接均假定为刚性连接，并忽略楼梯、检修平台等附属结构刚度。结构构件的材质按原设计取值。在模态分析的基础上，通过定义一个随频率变化的余弦荷载，对该结构进行谐响应分析，得出在激振力作用下结构各频率处的动力响应。

图8 振动设备开启后测点9速度-时程曲线及频域曲线

图9 模态分析计算模型

图1 0 模型1模态分析计算结果

图11 模型2模态分析计算结果

表1 模型1～3计算结果与实测基频对比

简化振动条件下的谐响应分析变形如图12所示。典型测点位移响应-频率曲线如图13所示。

图1 2 谐响应分析变形云图mm

由图12、13可知，相对于频率为25 Hz的振动荷载，该刚架结构的整体模态频率较低，振动对前10阶模态动力效应的放大作用不明显，尽管对高阶模态有一定的动力放大作用，但其放大倍数有限，加之结构的振型参与质量分布比较分散，故该频率下激励振动对该结构的动力效应影响较小。图13同时表明激励频率并非该结构共振显著频率。

图1 3 典型测点位移响应-频率曲线

5、瞬态动力学分析

本节对该结构进行瞬态动力学分析。激励荷载取振动设备自重与动力系数的乘积，振动筛实测速度-时程曲线如图14所示，可以看到振动荷载为周期性曲线，本文将其简化为理想的周期性正弦曲线。瞬态动力学时程分析计算时间取为30 s。

图1 4 振动筛实测速度-时程曲线

典型测点（测点1）的有限元分析与实测速度-时程曲线结果对比如图15所示。由图15可知，测点1的有限元分析与实测速度-时程曲线基本吻合，从而可以得出瞬态动力学有限元分析能够比较好地对该结构的实际振动情况进行模拟。

6、加固方案分析与探讨

在前文瞬态动力学仿真模型得到验证的基础上，本节提出2种再加固方案，并对其进行瞬态动力学分析。对比模型为：①模型4：现结构；②模型5：在花纹钢板上加混凝土楼板（混凝土板厚200 mm）；③模型6：增加板厚并加大梁柱截面，加强后框架梁主要截面为HW500×400×22×25，框架柱主要截面为HW600×500×22×30，支撑主要截面为HW500×500×22×30。将2种模型的计算结果和原结构的计算结果进行对比，加固模型如图16所示。瞬态动力学时程分析计算时间取30 s。

图1 5 典型测点（测点1）的有限元分析与实测速度-时程曲线结果对比

绘制加载至10 s时各模型的位移云图如图17所示。由图17可知，对现结构进行加固后，结构的抗侧刚度显著增加，结构的变形水平显著降低。

图1 6 加固模型

绘制加载至10 s时各模型X、Y、Z方向的速度云图，如图18～20所示。由图18～20可知，对现结构进行加固后，在周期性动力荷载作用下，该结构整体的速度响应水平有所降低，但效果有限，加固后部分结构的速度响应仍然超出限值（限值取10 mm/s）。

图21给出了曲型测点（测点1）各模型加载前10 s的速度-时程曲线。由图21可知，对现结构进行加固后，并不能显著降低该结构的速度响应水平。

7、结论

本文以某钢平台外激励下的振动问题为背景，对该平台振动设备开启状态与自然扰动状态下典型位置加速度、速度响应进行了动力测试，采用3D3S(V14.10）软件建立了整体与局部模型并进行了模态分析；然后，采用ABAQUS软件对考虑简化振动条件下的结构进行了谐响应及瞬态动力学分析，主要得出了以下结论：

1）建立了该平台单独计算模型与考虑其他平台关联影响的整体计算模型并进行了模态分析，结果表明，对该类型钢平台，其他相连接平台对模态分析计算结果影响较小，各模型计算结果与实测基频基本吻合；

图1 7 加载至10 s时各模型的位移云图

图1 8 加载至10 s时各模型X方向的速度云图

图1 9 加载至10 s时各模型Y方向的速度云图

图2 0 加载至10 s时各模型Z方向的速度云图

2）对该平台结构进行了谐响应分析，结果表明，激励频率25 Hz并非共振显著频率；

图2 1 典型测点（测点1）各模型的速度-时程曲线对比

3）对该平台结构进行加固后，在周期性动力荷载作用下，结构的变形水平能够显著降低，但其整体的速度响应并未明显降低，部分结构的速度响应仍然超出限值；

4）通过系列分析得出，对于该类型钢平台结构，当振动筛频率显著高于结构的主要自振频率时，其结构振动主要系激励振动而非共振所致，单纯对结构进行加强不能够有效降低振动引起的速度响应及加速度响应，针对此类问题应采取隔振措施进行处理。

参考文献:

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[6]李东,吕昊坤,法永生.某钢结构人行天桥动力特性检测及舒适度评估[J].四川建筑科学研究,2014,40(6):66-68.

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[8]张贵海,赵雷,余志祥.悬挂风机对厂房钢结构屋盖的致振影响研究[J].四川建筑科学研究,2016,42(1):85-89.

基金资助:四川省科技厅重点研发项目(2019YFS 0065);

文章来源:吕致兴,张元植,黄友帮,等.某工业设备钢结构平台振动问题的动力测试与分析[J].四川建筑科学研究,2024,50(02):32-40.

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创刊时间：1964年

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