机械通风冷却塔结构振动分析

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机械通风冷却塔在火力发电厂的冷却系统中运用比较普遍，由于风机、电机的功率相对电厂其他动力设备相对较小，通常风机和电机的振动动载对结构的作用都是采用 《火力发电厂水工设计规范》 (以下简称水规)附录L机械通风冷却塔风机和电机当量静载计算方法进行仅进行静力计算。随着风机功率的增大，风机在运行过程中产生的振动也越来越大。但是风机过大的振动究竟能产生多大的振幅，对结构的强度和稳定到底有多大的影响，都有必要对机械通风冷却塔结构振动进行动力分析。

1机械通风冷却塔的摄动特性1.1机械通风冷却塔的结构描述绝大部分机械通风冷却塔采用现浇钢筋混凝土结构，小部分采用钢结构或PVC结构，单格尺寸为14mx14m2Omx20m，常采取多台风机并列〖虑结构温度原因，多采用两格机力塔整体现浇。从结构的观点来看，可看作是分别由数个独立结构支承的数个独立的结构单元，可分为-个结构支承-台或两台风机的两种情况。从结构动力响应的角度而言，由于两台风机同时作用的扰力 (激励)显然大于-台风机的扰力，相应的结构动力响应必定大于仅支承-台风机的结构，因此，研究对象选择支承两台风机的三层的框架-剪力墙 (现浇隔风墙)结构。

图l 12.800m层结构布置图屋面布置两台由电机驱动的风机。风机参数采用国内某制造厂生产的风机参数。

表1 机械通风冷却塔风机、电机设计参数风机叶轮 风机总 风机轮毂 风机转 电机重 电机转直径 (mm) 重 ( ) 重量(kg、 速(r/rain) 量( ) 速(r/min)9140 4850 1250 127 1800 960鼠罩曩-阻图2 机械通风冷却塔风机布置剖面图1.2机械通风冷却塔的振动性质机械通风冷却塔结构属多层结构，-般的多层厂房水平 自振频率的基频大多在1.5～4.5HZ左右。如果振动设备转速较高(IOHZ以上)，结构的水平振动出现的共振属于高频共振，振幅较校如果振动设备转速较低 (2.5～3.5HZ左右)，结构的水平振动出现的共振属于低频共振，振幅较大。低频共振是危害最大的共振状态。本 结构的振动设备的转速较低 (2.5～3.5HZ)，必须考虑结构的水平振动。

根据对该结构的模态分析 (Modal analysi s)，结构的自振 频 率 的 基 频 为0.4282s(2.3352HZ)，风 机 的转 速 为127rpm(2.117HZ)，显然风机属于低速振动设备。同时，风机的叶片是水平放置的，因此主要的扰力方向出现在水平方向。驱动 电机的转动方向是在Yz面上 (结构横向和竖向的平面内)，虽然其将在水平横向和竖向产生扰力幅值 ，但考虑到其转子重量很 小 (约300kg)，所产 生的扰 力幅值约为0.5～0.7kN，对结构的动力响应贡献极小，为简化计算，其动力效应忽略不计。

综上所述，机械通风冷却塔结构的振动问题属于多层水平振动 问题 ，研究的重点应是在风机扰力激励下，结构的动响应。

2摄动分析原理及主要参数的取值2.1振动分析原理在进行结构动力计算过程中，很难做到原始数据的刚度和质量与实际结构相符，这样势必带来计算结果和实际情况的不符合，由于实际结构的水平自振频率和机器扰频相差不大，很容易引起水平方向的共振，所以如果水平自振频率稍-偏差，水平位移相差就很大，因此在实际结构动力计算中，必须考虑这-问题。在进行实际结构计算时，如果计算频率与机器扰频相差在20%以内，则必须验算结构在共振情况下的位移是否满足规范要求，如果计算频率与机器扰频相差在20%以外，就不再计算结构在共振情况下的位移。

2.1.1计算自振频率比扰频大20%以内。实际情况可能有多种，对结构分析有意义的情况只有三种：第-种情况是振频率、扰频和实际情况相符，这样计算出来的位移值就是实际位移值；第二种情况是实际 自振频率比计算要小，而且和扰频相表3 X-Y平面内的X向振幅点 号 距离(m) 对应频率 (HZ) 振幅 (pm)66 O.Ooo 2.12 47.84278 1.000 2.12 49.14319 2.000 2.12 44.614l7 3.000 2.12 48.49327 6.000 2.12 47.84124 7.500 2.12 4 .6l33 9.000 2.12 47.84表4 X-Z平面内沿结构竖向的振幅层号 标高(m) 对应频率 (HZ) 振幅 (1lm)4 12.800 2.12 47.833 8.700 2.12 l7332 5.750 2.12 7.2201 0.600 2.12 0.776分析上表 ，可以看出，结构的振动在x-z平面 内沿竖向迅速 衰减。

5.2.3在X-Y平面内的X向(水平纵向)动内力根据计算结果，在 Y平面内的X向(水平纵向)动内力均很校5.3 Y向振动结果分析5.3.I在X-Y平面内的Y向(水平横向)振动分布在工作频率2.12HZ下，X-Y平面内距离扰力作用点1.Om、2.0m、3.Om、6.Om、7.5m、9.Om处沿结构Y向(水平横向)的，分析可以看出，结构的振动在X-Y平面内沿Y向呈逐步衰减的趋势。

5.3.2 Y～Z平面内的竖向振动分布在 工作频率2.12HZ下 ，Y-Z平面 内在8.700m、5.750m、8.700m、l2.80m层中心柱处沿结构竖向的振，分析可以看出，结构的振动在Y-Z平面内沿竖向也呈逐步衰减的趋势。

5.3.3在X-Y平面内的Y向(水平横向)动内力根据计算结果，在X-Y平面内的Y向(水平横向)动内力均很小 。

5.4结果分析从结构的振动分析，可以得出以下几点：(I)从模态分析结果来看，XfY向刚度相差较大，两方向刚度匹配上有待改进。

(2)总体上看 ，结构的最大动位移发生在项层，越往下，楼层的振动幅值迅速减小，表明扰力对整个结构的动力响应主要发生在顶层，越往下振动衰减的越快，表明顶层的扰力对下面各层的影响较校(3)X向的振动要远远大于Y向的振动，且几乎在整个顶层平面都引起强烈的共振，影响范围巨大，且沿结构竖向衰减得I科技创新论坛 鬈黧-教慢。相反的，Y向的振幅很小，且在顶层的平面内影响范围较小，沿结构的竖向振动衰减的十分迅速。这-结果和结构的布置密切相关，由于结构在x向(水平纵向)的刚度远小于Y向(zk平横向)的刚度，导致结构在x向的第- 自振频率与设备的扰频十分接近，仅2.5kN的水平扰力就在结构产生了强烈的共振 (振幅达到5O m以上)，而第二自振频率 (Y向)由于刚度较大，周期较短，避开了设备的扰频，在同样的扰力作用下，振动要小得多 (最大振幅为7 m以下)，远小于结构在x向的振动。

(4)动内力数值较小，进行结构静力分析和配筋设计时，对结构的影响较校(5)结构的整体动位移虽在X向较大，但仍处于规范允许的范围内，表明结构方案可以成立，但仍然有较大的改进空间，以追求更好的动力性能。

6结论根据以上的结果分析，在结构设计时宜作如下改进：I)改进结构布置，以获得平面两个方向的刚度匹配根据前面的分析，已经知道由于x向的刚度较弱，导致该方向的自振频率与设备扰频率十分接近，从而导致强烈的X向共振。因此，将x向外围墙板由预制改为现浇，形成x向的剪力墙以加强该方向的刚度，是最有效且代价最低的手段∩使结构在两个方向上的刚度接近，避开设备扰频，避免发生强烈的共振。

， 2)加强顶部水平楼盖结构的刚度原 设计 顶 部 楼 板 厚 度 为 i20mm，井 字 楼 盖 梁 体系 为200X500mm，从静力设计的角度来看，满足强度要求。然而，从结构动力学的角度来看，有些薄弱，原因在于，较小的梁截面意味着梁的挠度较大，可能导致设备轴系失直现象的加剧，引起设备转子平衡度的下降，导致扰力增大，从而使振动更加恶化。板由于属于薄壁构件，对振动比较敏感，采用绣厚时可能使在距离扰力作用点的较远楼板处，引发次生的局部共振 ，同时，由于楼板承受往复循环的应力作用，当板厚较 小时，因疲劳而使得楼板出现裂缝，导致楼层水平刚度的下降，不利于结构的抗振。因此、建议加厚顶层楼板至I80 220mm，防止上述问题的出现，此时，楼板配筋应采用双层双向拉通布置，且每-层在-个方向上的构造配筋率不宜小于0.25%。同时，由于楼板的加厚，使得参振质量增加，对结构的抗振设计是十分有利的。

3)动内力数值较小，最大振幅值49.14 m，远小于 《动规》低速电机基础的最大振幅160 m和 《水规》最大振幅250m)的规定。在结构方案合理的前提下，可以不进行动力分析。

按 《水规》附录L将设备重乘以-定的动力系数作为拟静力荷载进行结构静力设计，结构的安全是有保障的。