1、钢结构输煤栈桥间歇性振动原因分析与治理方案研究钢结构输煤栈桥间歇性振动原因分析与治理方案研究摘 要：某钢结构栈桥振动表现为间歇性，其间隔时间无明显规律，短到几秒，长则几十秒发生一次剧烈振动。通过振动测试和动力特性分析确定间歇性振动是由水平构件竖向刚度偏小、共振 和“拍现象”三方面原因综合导致的；通过动力计算分析，给出了合理有效的振动治理方案。关键词：间歇性； 振动； 拍现象1 工程概况某钢结构输煤栈桥为双皮带机栈桥，栈桥长度为300 m，桥面宽度9.18 m。栈桥支承结构为钢支架，栈桥廊身结构形式均采用实腹式钢梁结构，钢梁标准跨度为12 m，钢梁两端普遍采用铰接。栈桥整体情况见图1，图2为栈桥
2、立面轴部分。图1 栈桥外观皮带机投运后发现桥身有明显竖向振动，且振动为间歇性振动，其间隔时间无明显规律。2 振动测试2.1 测试工况及测点布置测试工况包括：皮带机空载运行和“满载”(此处“满载”为皮带载有物料正常运行，并未达到额定载荷)运行两种工况。如图3所示，测点主要布置在支承皮带的钢梁(次梁)跨中(测点4、测点5)、纵向主梁跨中(测点1测点3)、钢格栅板跨中(测点6)。振动数据采集采用891-II型超低频拾振器以及INV3062C分布式采集仪；数据分析采用Coinv DASP V10。结合现场实测及文献3设置采集参数。2.2 测试结果因栈桥标准跨结构形式一致，且振动情况类似，以轴跨为例，其
3、在空载和“满载”工况下，竖向振动测试结果见表1。2.3 测试结果总结图2 栈桥立面1)空载工况。振动幅值：钢格栅板振动速度较大，最大振动幅值为12.99 mm/s；主梁、次梁振动速度相对较小，除个别测点振动幅值大于10 mm/s以外，其余测点均在10 mm/s以下。振动频率：空载运行时，主梁、次梁及格栅板的振动频率均稳定在8.8 Hz左右，此频率与托辊的转动频率接近。注:16为测点编号。图3 测点布置表1 栈桥竖向振动测试结果测点编号空载工况满载工况最大速度/(mm5s-1)最大位移/mm主频率/Hz最大速度/(mm5s-1)最大位移/mm主频率/Hz159*189068516/8752791
4、0108861474045516/8753642009884837015533/872410180198841910059516/87559580168841278039516/872612990218843940090516/8782)“满载”工况。振动幅值：主梁、次梁及格栅板振动幅值均明显增大，主梁、次梁振动幅值达到或超过20 mm/s，格栅板振动幅值甚至接近40 mm/s。振动频率：“满载”运行时， 5.2 Hz 和8.8 Hz两种频率成分同时存在，且能量基本相当。3)静止工况。测得栈桥竖向自振频率约为6.2 Hz。3 自振特性3.1 计算说明采用MIDAS/Gen有限元分析软件建立有限
5、元模型(图4)。考虑到栈桥主梁与柱连接形式为铰接，剧烈振动主要为竖向，为方便进行模态识别及自振特性分析，按单跨建立计算模型，因每一跨结构形式类似，现仅对栈桥轴(跨度为12 m，坡角为3.5)这一跨进行动力分析。图4 栈桥计算模型(轴)3.2 计算结果胶带机物料重量变化会引起栈桥结构自振频率变化，按空载(工况1)和满载(工况2：额定载重)两种极限工况分析结构自振特性。括号外、内数字分别代表空载、满载工况下结构自振特性计算结果。计算结果列于表2、表3，两种工况的前2阶振型如图5、图6所示。表2 栈桥竖向模态频率与振型描述模态号频率/Hz振型描述1627(487)主要为主梁沿竖向(z向)弯曲2927
6、(742)主要为次梁沿竖向(z向)弯曲表3 栈桥竖向振型方向因子 %注：振型方向因子指结构某一振型所有质点在某一方向上运动的位移幅值之和与所有质点在各个方向上运动的位移幅值总和的比值。a1阶；b2阶。图5 栈桥竖向振型(工况1)a1阶；b2阶。图6 栈桥竖向振型(工况2)4 振动原因分析1)从振源角度考虑，一方面皮带承载物料会对托辊产生冲击作用，引起结构自振；另一方面动力设备旋转，会对结构产生简谐激励，此栈桥动力设备包括：电机(转动频率25 Hz)、减速机(转动频率1.59 Hz)、托辊(转动频率8.728.88 Hz)；而结构实际振动频率约为8.8 Hz和5.2 Hz两种，不存在与1.59
7、Hz和25 Hz一致或接近的频率成分，而且通过现场调查，电机与减速机布置在转运站内，与栈桥独立且相隔较远，不足以对结构产生强烈激振。2)从结构自振特性考虑：计算结果表明，空载时，结构前2阶竖向自振频率分别为6.27，9.27 Hz；满载时为4.87，7.42 Hz。结构竖向自振频率会随物料荷载的增加而减少，而实际所谓“满载”并未达到设计额定载重。因此“满载”运行时，结构前2阶竖向自振频率应分别在4.876.27 Hz、7.429.27 Hz之间。3)“拍现象”产生的条件：当存在两种简谐激励，其圆频率分别为1、2，振幅分别为A1、A2。当1与2相差很少，且(1-2)与(1+2) 相比较为很小时会
8、产生“拍现象”。一次强弱变化叫做一拍，每一拍的时间(拍周期)为：T拍=(1)最大振幅与最小振幅分别为(A1+A2)和(A1-A2)。由以上分析及振动测试结果，可得出以下结论：1)结构8.8 Hz左右的振动是由托辊旋转产生的简谐激励引起的，此激励频率与结构第2阶竖向自振频率较为接近，会产生共振。2)“满载”时，结构5.2 Hz左右振动频率占主导，而结构第1阶竖向自振频率计算值在4.876.27 Hz之间，考虑到并未达到额定载重，且现场不存在5.2 Hz左右的振源激励，判定5.2 Hz左右的振动是结构在物料荷载冲击作用下产生的自由振动。3)托辊转动频率测试结果表明：托辊之间的转动频率存在较小差异(
9、集中在8.728.88 Hz之间)，具备拍现象产生的条件， 根据式(1)及实际测试的多种振动频率，可得出多种拍周期，小到3 s，大到50 s。从现场实测结果看，间歇性振动间隔时间无明显规律，短到几秒、长到1 min左右均存在，这就说明栈桥间歇性振动是由于托辊转速存在较小差异而形成的“拍现象”。4)综合以上可以得出，栈桥竖向振动过大是由水平构件刚度偏小、水平承载系统第2阶竖向自振频率与激振频率共振、托辊转速存在较小差异导致“拍现象”三方面原因综合导致的。5 治理方案验算分析5.1 动力荷载输入栈桥的振动是由两种形式的激励引起的，分别为：1)物料运动产生的冲击荷载；2)托辊转动产生的简谐激励。而实
10、际冲击荷载、简谐荷载是难以确定的。但动力输入与动力响应之间存在线性关系，由运动微分方程(式(2)得到动力输入、位移输出体系的传递函数如式(3)所示。m(t)+c(t)+kz(t)=P(t)(2)P-d=(3)式中：m为质量；z(t)为位移；c为阻尼系数；k为刚度；|H(f)|P-d为传递函数；f为激振频率；f为结构固有频率。于是动力输入与位移输出之间存在如下关系：|Z(f)|=P-d|P(f)|(4)式中：|Z(f)|为动力响应的位移幅值；为动力荷载幅值。因此无需输入准确的动力荷载，只需对原结构、考虑治理方案的新结构输入同一个冲击荷载或简谐荷载，进行动力计算分析，对比新旧结构的动力响应值即可。
11、若考虑治理方案的新结构动力响应值较原结构明显减小，则可认为此治理方案有效。5.2 验算结果选取9种方案分别进行动力计算分析，其减振效果见表4。表4 各治理方案减振效果评价6 结束语1)设计栈桥时，应对水平承载系统的自振特性进行分析，为减小此类栈桥的竖向振动，应至少计算出前2阶竖向自振频率，避免共振。通常认为0.75fe/ffe为激振频率，f为结构自振频率)时，结构容易发生共振。对于此栈桥结构，激振频率为8.8 Hz，因此，一般情况下，结构竖向自振频率小于7.04 Hz或大于11.73 Hz时可有效避免共振。2)栈桥第1阶竖向自振频率主要由主梁刚度控制，改变次梁刚度对第1阶竖向自振频率的影响不明
12、显；而改变主梁或次梁刚度，均能使第2阶竖向自振频率发生明显改变。梁截面高度不一定是越大越好，仅增加主梁高度(如方案2方案4)，虽然使主梁刚度有所提高，但仍会产生共振。结构设计时，应协调刚度与共振之间的矛盾关系，适当提高梁刚度的同时尚应避开共振频率。对于此类栈桥，再进行设计时，若其他条件不变，可以考虑适当提高主梁、次梁截面高度(主梁高度可调整为700 mm左右，次梁高度可调整为400 mm左右)。3)增加斜向支撑，对于结构减振效果明显，因此新栈桥设计时可考虑在梁两端加斜撑，或梁端采取加腋的形式。4)如果条件允许，可适当减小主梁跨度。如：将跨度从12 m减小到9 m或10 m，并适当增大栈桥坡度，
13、同时将梁柱连接形式设计为固接。这样一方面可以增加竖向刚度；另一方面可以有效地避免共振；而且每一跨托辊数量减少，外界激励会随之减小，且能使“拍现象”减弱。5)钢格栅板面外刚度较小，在外界激励作用下容易发生较大振动响应，新栈桥设计时建议用混凝土现浇板代替钢格栅板。参考文献1 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB 500112010S.北京：中国建筑工业出版社，2016.2 中华人民共和国住房和城乡建设部.隔振设计规范：GB 504632008S.北京：中国计划出版社，2008.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑工程容许振动标准：GB 508682013S.北京：中国计划出版
14、社，2013.4 徐建.建筑振动工程手册M.北京：中国建筑工业出版社，2002.5 张荣山.工程振动与控制M.北京：中国建筑工业出版社，2003.6 李旭强，王波，沈策，等. 工业输送栈桥振动特性测试及模态分析J.钢结构，2014，29(5)：16-19.7 张卫华，王渭南，申跃奎. 钢结构输煤栈桥的防振设计J.山西建筑,2014，40(21)：45-47.8 SHIN K,HAMMOND P J.Fundamentals of Signal Processing for Sound and Vibration Engineers M.England:The Atrium,Southern Gate,Chichester,West Sussex,2008.
