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多层织造厂房振动及裂缝病害的有限元分析 长江三角洲是中国纺织行业的中心，也是中国经济最发达的地区之一。由于经济和社会的考虑，多层车间的数量每天都在增加，机器的翻新也成为趋势。然而随之产生的多层厂房结构的不良振动问题, 却一直没有得到很好的解决。特别是多层混凝土结构厂房因设备振动产生裂缝, 影响结构的耐久性和安全性, 而且长期振动可能导致结构的疲劳破坏, 产生更为严重的后果, 必须引起高度重视。 厂房振动虽然不可完全避免, 但通过结构振动分析以及现场实测, 把握织造厂房的振动特性以及机器运行与厂房振动的相互关系, 通过优化设计和采取相应的减振措施, 把振动控制在容许的范围内, 从而可以解决其振动危害问题。 本文通过对浙江某织造厂房进行有限元分析、现场振动测试和裂缝病害调查, 研究了厂房结构振动的主要振动频率及其能量分布特点, 考察了机器的各向振动与厂房各向振动的相互关系, 分析裂缝病害产生的原因, 并提出了相应的改进措施。 1 在工作特点和动态特征方面 1.1 柱的下部结构设计 测试织造厂房为114 m×60 m两层框架现浇钢筋混凝土结构 (如图1及图2所示) 。房屋总高度为15.0 m, 一层纵向为8 m柱距, 横向为6 m柱距, 柱高6.6 m;二层纵向为8 m柱距, 横向为12 m柱距, 柱高5 m。外围柱子尺寸为500 mm×500 mm, 其余柱子尺寸为600 mm×600 mm。 为方便起见, 沿结构纵向由两端向中间标注轴线X1-X8及X1’-X8’, 沿横向依次标注轴线Y1-Y11。一楼柱位置为各轴线间的交点, 二楼柱位置为奇数号Y轴线与各X轴线的交点。伸缩缝设置在轴线X8和X8’之间。基础形式为柱下独立基础, 无地下室。 1.2 模型动力特性 结合设计资料,X8与X8’轴线间的伸缩缝将厂房划分为结构独立的两个部分, 取一半结构建立三维有限元模型, 分析其动力特性。由于厂房结构为空间框架结构, 建模时不考虑填充墙刚度, 但计入其质量影响;二层屋面为钢屋架结构, 建模时不考虑屋面板刚度, 但计入其质量影响。模型单元总数为14 330, 节点总数12 608, 其中空间梁单元7 330, 用以模拟框架柱、梁及檩条;板壳单元7 000, 模拟二层楼板。计算模型如图3所示。 1.3 模态质量参与系数 厂房模型的前十阶的自振频率及累计模态质量参与系数列于表1。图4显示了前四阶振型。 模态有效质量参与系数表征各阶模态对结构振动的贡献, 可由模态参与系数求得。 模态参与系数的计算公式为: γj=?ΤjΜulr?ΤjΜ?j=1mj?ΤjΜulr(1)γj=?TjMulr?TjM?j=1mj?TjMulr(1) 式中γj为第j阶模态参与系数;?j为结构第j阶振型;M为结构的质量矩阵;mj为第j阶振型的模态质量 (由ANSYS计算的各阶模态已经对质量归一化, 即mj=1) ,ulrlr为影响向量, 表征结构基础在r方向 (如横向、纵向或扭转) 发生单位静位移所引起的结构各质点处的刚体位移。 各阶模态有效质量MEFFj为: MEFFj=mjγ2i2i(2) 各阶模态有效质量参与系数为: Γj=ΜEFFjΜtotal(3)Γj=MEFFjMtotal(3) 表征各阶模态对结构振动的贡献大小, 式中Mtotal为在某方向振动的质量总和。 而累计模态有效质量参与系数为: ∑Γi=i∑j=1ΜEFFjΜtotal(4) 表征前i阶模态对结构振动的贡献大小。 从表1的累计模态质量参与系数和图4所示的振型看, 第一阶振型为框架纵向振动;二阶为框架横向振动与扭转的耦合, 以扭转为主;三阶为横向振动与扭转的耦合, 以横向振动为主;四阶为第二层结构的局部纵向振动与扭转的耦合。由表1可见, 前四阶的累计有效模态质量参与系数就达到了0.95, 可见高阶频率对结构的整体振动的影响已经很小。 2 振动方式外,有多种振动方式的结合 影响厂房振动的因素比较复杂, 除机器振动幅值和振动方式外, 也包括厂房结构的自振频率、机器布置, 以及机器与厂房结构的相互作用。为了研究厂房振动的规律, 进行了一系列的振动测试和分析。 2.1 我国平台上的机器振动测试 由于工厂采取24小时不间断生产, 只能在机器运行状态下进行振动测试。测试仪器为DH5922动态信号采集仪和压电式加速度传感器, 采样频率为500 Hz。 厂房一层 (基础层) 布设重型机器, 二层机器布置一区为中型机器 (120台FA-503型细纱机) 、机器布置二区为轻型机器 (如图2所示) 。测试重点为机器本身的振动 (振源测试) 、二层楼面振动、一层及二层柱振动, 以及一层柱与相连墙体的振动。在二层楼面, 沿结构的纵轴布设A、B、C、D四个测点, 测试结构沿纵轴的振动特性;沿结构的横轴布设E、F、C、G、H五个测