化工裝置鋼框架震動原因分析與對策 楊樹香

1、化工裝置鋼框架震動原因分析與對策楊樹香摘要：某化工廠聚合裝置鋼框架廠房在生產(chǎn)運行約1.5年后，因聚合反應(yīng)釜振動 （由攪拌引起）造成鋼結(jié)構(gòu)框架出現(xiàn)明顯振動。根據(jù)現(xiàn)場查看和現(xiàn)有設(shè)備的動力 特性及PKPM三維模型計算，對鋼框架振動原因進行分析，結(jié)合廠房實際情況， 采取增設(shè)水平及豎向支撐的加固處理對策加以改進，以確保安全生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：鋼框架；振動；振動頻率；加固1刖言鋼結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)主要的類型之一，是一種以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu)，因鋼材 自身攜帶極其多的優(yōu)點，比如它的強度高、自重輕、變形能力強、整體剛性好等 等，所以在石油化工裝置建設(shè)過程中受到很強的重視。2鋼結(jié)構(gòu)框架施工的特點及原理鋼結(jié)構(gòu)的自重比較輕、工

2、作的可靠性能也是比較高的，在框架設(shè)備這一施工 進度上，要迎合土建的施工進程，鋼材抗震性、抗擊性的要求非常嚴格，在實際 施工過程當中，對鋼結(jié)構(gòu)安裝方式這方面要根據(jù)實際情況，來做出相應(yīng)的計劃以 及調(diào)整方式，鋼結(jié)構(gòu)另外的一大特點，它可以準確快速的裝配，在施工現(xiàn)場設(shè)置 鋼結(jié)構(gòu)的組裝范圍，形成專業(yè)的流水線，這樣既可以讓施工時間大大的降低，同 時也避免了高空作業(yè)的時間過長，產(chǎn)生安全隱患。鋼結(jié)構(gòu)在制造的工業(yè)化程度也 是比較高的、室內(nèi)空間也很大，還很容易做成密封結(jié)構(gòu)。3振動原因分析反應(yīng)釜對結(jié)構(gòu)的振動影響，分為兩個方面：一是反應(yīng)釜因自身振動產(chǎn)生振幅， 對結(jié)構(gòu)形成干擾力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的晃動；二是反應(yīng)釜的頻率與結(jié)

3、構(gòu)的自振頻 率產(chǎn)生相關(guān)性，使結(jié)構(gòu)的振動放大。對于第一種情況，主要依靠結(jié)構(gòu)的剛度來抵 抗；對于第二種情況，則需要將結(jié)構(gòu)的自振頻率與反應(yīng)釜的振動頻率避開。4處治方案及分析4.1處置方案為避免反應(yīng)器和支撐框架的共振，通過增加或減少鋼框架豎向斜撐的方法改 變框架自振頻率，為此提出了兩個減撐方案和一個加撐方案供分析比較。1）方 案一，將1層（標高7m）以下的立面斜撐截斷；2）方案二，將1層和2層（標 高13m）以下的立面斜撐截斷；3）方案三，在平面內(nèi)增設(shè)斜撐，重點加強框架 標高33m以上南北向抗側(cè)剛度，斜撐采用L160X12的雙角鋼和245x10圓鋼管。4.2反應(yīng)釜振動響應(yīng)分析（注：本節(jié)為聯(lián)合某理工大學(xué)

4、計算所得數(shù)據(jù)）4.2.1振動計算模型采用ANSYS軟件建立振動計算模型，結(jié)構(gòu)模型中的反應(yīng)器、梁、柱和斜 撐采用Beam單元，均按施工圖中實際截面建模。反應(yīng)器和框架之間的阻尼器采 用Combin單元，擋塊之間的相互作用采用弱彈簧模擬。所有構(gòu)件均采用彈性材 料類型。在計算時考慮阻尼，阻尼比采用實測得到的數(shù)據(jù)。鋼材和混凝土的密度、 重量以及強度均按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB500172003 ）及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè) 計規(guī)范（GB500102010 ）選取，并計入了平臺層、設(shè)備以及物料等自重。為 了和實測時情況一致，不考慮各層平臺上的均布活荷載。4.2.2激勵源的計算由于反應(yīng)器內(nèi)部的（氣體、固體二向流動）反應(yīng)造

5、成的反應(yīng)器振動激勵及其 分布異常復(fù)雜，在現(xiàn)有理論體系下要對振動激勵力進行精確求解是不可能的。根 據(jù)實測框架和反應(yīng)器振動響應(yīng)的數(shù)據(jù)，多次測試得到的振動響應(yīng)規(guī)律性很好，采 用逆向思路進行倒推，反演出激勵力的時程?？蚣芎头磻?yīng)器南北向振動響應(yīng)的位 移時程波形均由多個正弦波組成，且正弦波的幅值逐漸變化，形成首尾相連的梭 形，每個梭形區(qū)間均分為增大和減小兩個階段。根據(jù)實測結(jié)果，南北向振動卓越 頻率分量只有1.03Hz 一個分量，而東西向振動卓越頻率包含1.03Hz和1.20Hz兩 個分量。這說明南北向自振頻率和振動激勵的頻率一致，兩者均為同一頻率 1.03Hz，從而引起了結(jié)構(gòu)共振。而東西向和南北向激勵頻率

6、應(yīng)一致，從而東西向 振動激勵的頻率為1.03Hz，而東西向自振頻率為1.20Hz（2）激勵的幅值特性 實測結(jié)果的統(tǒng)計規(guī)律表明，每個梭形區(qū)間振動響應(yīng)增大的階段，各次循環(huán)的峰值 連線基本滿足拋物線關(guān)系，根據(jù)受迫振動響應(yīng)的特點，說明激勵力幅值在該振動 響應(yīng)增大過程中基本保持一致。在振動響應(yīng)的減小階段，類似于帶阻尼的自由振 蕩，說明在這個階段中激勵幅值已減小到一個較小的水平。各次循環(huán)的衰減幅度 略有區(qū)別，該階段的殘余激勵力僅影響振動衰減階段的衰減速度，而不影響振動 幅值。由以上分析可以推斷，每段梭形區(qū)間內(nèi)的激勵均可分為兩個階段：第一階 段，激勵為幅值恒定的類似正弦波的往復(fù)荷載，振動響應(yīng)逐漸穩(wěn)步增長，此

7、階段 持續(xù)時間為320s不等；第二階段激勵減小到較小的水平，振動響應(yīng)表現(xiàn)為帶衰 減的自由振蕩形式，此階段持續(xù)時間與第一階段基本相當或略短。4.3結(jié)構(gòu)自振特性計算鋼框架的自振周期采用PKPM軟件和ANSYS軟件計算，計算所得的處治前結(jié) 構(gòu)頻率基本一致。通過各處治方案下計算的結(jié)構(gòu)自振頻率的數(shù)據(jù)對比，有如下結(jié) 論：在南北方向上，截斷斜撐后，結(jié)構(gòu)自振頻率均相對原結(jié)構(gòu)更加遠離激勵的卓 越頻率，有助于減小振動響應(yīng)。在東西方向上，截斷斜撐后自振頻率反而向激勵 的卓越頻率1.03Hz靠近，更加容易激發(fā)振動響應(yīng)，特別是截斷1，2層斜撐后， 東西向自振頻率與1.03Hz非常接近，將會引發(fā)共振響應(yīng)。增設(shè)斜撐方案南北

8、方向 自振頻率提高約13%，東西方向自振頻率基本不變；兩個方向均遠離激勵的卓越 頻率。通過以上計算比較，最終確定采用方案（三）的處治方案。5加固方案為了盡可能不影響業(yè)主生產(chǎn)，需要在業(yè)主大修期間完成對鋼框架的加固整改， 要求施工時間短，整體造價低的原則。在現(xiàn)場查看時注意到4.0m和8.0m層基本 沒有晃動的感覺，主要是13.2m和屋面懸掛吊車晃動感較強。根據(jù)現(xiàn)場工藝設(shè)備 布置實際情況，在鋼框架橫向設(shè)置未落地的豎向支撐，縱向柱間增設(shè)剪刀撐，人 字撐或八字撐，在各樓層盡可能加設(shè)水平支撐。以增大結(jié)構(gòu)剛度并減少框架頂部 位移，調(diào)整框架自振頻率，使框架的自振頻率與聚合釜的工作頻率避開+20%-20% 即可

9、。增設(shè)支撐后，鋼框架結(jié)構(gòu)振動特性文件如下加固后結(jié)構(gòu)第一振型的周期， 從未加固時的1.0997s減小到0.8970s?？梢娊Y(jié)構(gòu)剛度有明顯的增加。同時根據(jù)結(jié) 構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的位移計算文件對比，結(jié)構(gòu)位移也有相當大的改善。加 固方案中對加固后的結(jié)構(gòu)自振頻率，與反應(yīng)釜的激振頻率進行了比對，設(shè)備自振 周期T=0.612s，居于第三周期與第四周期之間，基本錯開了反應(yīng)釜自振頻率上下 20%左右的范圍。第三周期0.8106s，距離為T0+32.5%；第四周期0.4285，為T0- 30%。可見設(shè)備周期與結(jié)構(gòu)自振周期有較大偏離，基本已避開了 +30%-30%的高 階共振掃頻區(qū)間?？傮w上，分析認為，加固方案能夠明顯改善結(jié)構(gòu)的振動情況， 但考慮到結(jié)構(gòu)計算理論值與實際（施工質(zhì)量不滿足要求的情況下）的差異、反應(yīng) 釜激振頻率假定值與實際值的差異，可能存在理論分析與實際效果一定程度上的 差異。最終效果還需待加固后現(xiàn)場觀測。6結(jié)束語總之，多層廠房水平振動自振頻率的基頻大都在1.0Hz左右，對于振動設(shè)備 的轉(zhuǎn)速較低，廠房水平振動出現(xiàn)的共振屬于低頻共振，振幅較大，低頻共振是危 害性最大的共振狀態(tài)。振動設(shè)備轉(zhuǎn)速較低時，必須考慮廠房的水平振動，避開共 振區(qū)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的自振頻率很難通過計算精確得到，設(shè)計中要通過計 算和構(gòu)造措施相結(jié)合的方法，盡量使結(jié)構(gòu)的自振頻率遠離