化工装置钢框架震动原因分析与对策杨树香

化工装置钢框架震动原因分析与对策杨树香

杨树香

山东金柯工程设计有限公司山东淄博255000

摘要：某化工厂聚合装置钢框架厂房在生产运行约1.5年后，因聚合反应釜振动（由搅拌引起）造成钢结构框架出现明显振动。根据现场查看和现有设备的动力特性及PKPM三维模型计算，对钢框架振动原因进行分析，结合厂房实际情况，采取增设水平及竖向支撑的加固处理对策加以改进，以确保安全生产。

关键词：钢框架；振动；振动频率；加固

1前言

钢结构是建筑结构主要的类型之一，是一种以钢材制作为主的结构，因钢材自身携带极其多的优点，比如它的强度高、自重轻、变形能力强、整体刚性好等等，所以在石油化工装置建设过程中受到很强的重视。

2钢结构框架施工的特点及原理

钢结构的自重比较轻、工作的可靠性能也是比较高的，在框架设备这一施工进度上，要迎合土建的施工进程，钢材抗震性、抗击性的要求非常严格，在实际施工过程当中，对钢结构安装方式这方面要根据实际情况，来做出相应的计划以及调整方式，钢结构另外的一大特点，它可以准确快速的装配，在施工现场设置钢结构的组装范围，形成专业的流水线，这样既可以让施工时间大大的降低，同时也避免了高空作业的时间过长，产生安全隐患。钢结构在制造的工业化程度也是比较高的、室内空间也很大，还很容易做成密封结构。

3振动原因分析

反应釜对结构的振动影响，分为两个方面：一是反应釜因自身振动产生振幅，对结构形成干扰力，使结构产生相应的晃动；二是反应釜的频率与结构的自振频率产生相关性，使结构的振动放大。对于第一种情况，主要依靠结构的刚度来抵抗；对于第二种情况，则需要将结构的自振频率与反应釜的振动频率避开。

4处治方案及分析

4.1处置方案

为避免反应器和支撑框架的共振，通过增加或减少钢框架竖向斜撑的方法改变框架自振频率，为此提出了两个减撑方案和一个加撑方案供分析比较。1）方案一，将1层（标高7m）以下的立面斜撑截断；2）方案二，将1层和2层（标高13m）以下的立面斜撑截断；3）方案三，在平面内增设斜撑，重点加强框架标高33m以上南北向抗侧刚度，斜撑采用L160×12的双角钢和245×10圆钢管。

4.2反应釜振动响应分析（注：本节为联合某理工大学计算所得数据）

4.2.1振动计算

模型采用ANSYS软件建立振动计算模型，结构模型中的反应器、梁、柱和斜撑采用Beam单元，均按施工图中实际截面建模。反应器和框架之间的阻尼器采用Combin单元，挡块之间的相互作用采用弱弹簧模拟。所有构件均采用弹性材料类型。在计算时考虑阻尼，阻尼比采用实测得到的数据。钢材和混凝土的密度、重量以及强度均按照《钢结构设计规范》（GB50017—2003）及《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）选取，并计入了平台层、设备以及物料等自重。为了和实测时情况一致，不考虑各层平台上的均布活荷载。

4.2.2激励源的计算

由于反应器内部的（气体、固体二向流动）反应造成的反应器振动激励及其分布异常复杂，在现有理论体系下要对振动激励力进行精确求解是不可能的。根据实测框架和反应器振动响应的数据，多次测试得到的振动响应规律性很好，采用逆向思路进行倒推，反演出激励力的时程。框架和反应器南北向振动响应的位移时程波形均由多个正弦波组成，且正弦波的幅值逐渐变化，形成首尾相连的梭形，每个梭形区间均分为增大和减小两个阶段。根据实测结果，南北向振动卓越频率分量只有1.03Hz一个分量，而东西向振动卓越频率包含1.03Hz和1.20Hz两个分量。这说明南北向自振频率和振动激励的频率一致，两者均为同一频率1.03Hz，从而引起了结构共振。而东西向和南北向激励频率应一致，从而东西向振动激励的频率为1.03Hz，而东西向自振频率为1.20Hz。（2）激励的幅值特性实测结果的统计规律表明，每个梭形区间振动响应增大的阶段，各次循环的峰值连线基本满足抛物线关系，根据受迫振动响应的特点，说明激励力幅值在该振动响应增大过程中基本保持一致。在振动响应的减小阶段，类似于带阻尼的自由振荡，说明在这个阶段中激励幅值已减小到一个较小的水平。各次循环的衰减幅度略有区别，该阶段的残余激励力仅影响振动衰减阶段的衰减速度，而不影响振动幅值。由以上分析可以推断，每段梭形区间内的激励均可分为两个阶段：第一阶段，激励为幅值恒定的类似正弦波的往复荷载，振动响应逐渐稳步增长，此阶段持续时间为3～20s不等；第二阶段激励减小到较小的水平，振动响应表现为带衰减的自由振荡形式，此阶段持续时间与第一阶段基本相当或略短。

4.3结构自振特性计算

钢框架的自振周期采用PKPM软件和ANSYS软件计算，计算所得的处治前结构频率基本一致。通过各处治方案下计算的结构自振频率的数据对比，有如下结论：

在南北方向上，截断斜撑后，结构自振频率均相对原结构更加远离激励的卓越频率，有助于减小振动响应。在东西方向上，截断斜撑后自振频率反而向激励的卓越频率1.03Hz靠近，更加容易激发振动响应，特别是截断1，2层斜撑后，东西向自振频率与1.03Hz非常接近，将会引发共振响应。增设斜撑方案南北方向自振频率提高约13%，东西方向自振频率基本不变；两个方向均远离激励的卓越频率。通过以上计算比较，最终确定采用方案（三）的处治方案。

5加固方案

为了尽可能不影响业主生产，需要在业主大修期间完成对钢框架的加固整改，要求施工时间短，整体造价低的原则。在现场查看时注意到4.0m和8.0m层基本没有晃动的感觉，主要是13.2m和屋面悬挂吊车晃动感较强。根据现场工艺设备布置实际情况，在钢框架横向设置未落地的竖向支撑，纵向柱间增设剪刀撑，人字撑或八字撑，在各楼层尽可能加设水平支撑。以增大结构刚度并减少框架顶部位移，调整框架自振频率，使框架的自振频率与聚合釜的工作频率避开+20%~-20%即可。增设支撑后，钢框架结构振动特性文件如下加固后结构第一振型的周期，从未加固时的1.0997s减小到0.8970s。可见结构刚度有明显的增加。同时根据结构在地震和风荷载作用下的位移计算文件对比，结构位移也有相当大的改善。加固方案中对加固后的结构自振频率，与反应釜的激振频率进行了比对，设备自振周期T=0.612s，居于第三周期与第四周期之间，基本错开了反应釜自振频率上下20%左右的范围。第三周期0.8106s，距离为T0+32.5%；第四周期0.4285，为T0-30%。可见设备周期与结构自振周期有较大偏离，基本已避开了+30%~-30%的高阶共振扫频区间。总体上，分析认为，加固方案能够明显改善结构的振动情况，但考虑到结构计算理论值与实际（施工质量不满足要求的情况下）的差异、反应釜激振频率假定值与实际值的差异，可能存在理论分析与实际效果一定程度上的差异。最终效果还需待加固后现场观测。

6结束语

总之，多层厂房水平振动自振频率的基频大都在1.0Hz左右，对于振动设备的转速较低，厂房水平振动出现的共振属于低频共振，振幅较大，低频共振是危害性最大的共振状态。振动设备转速较低时，必须考虑厂房的水平振动，避开共振区。在结构设计中，结构的自振频率很难通过计算精确得到，设计中要通过计算和构造措施相结合的方法，尽量使结构的自振频率远离设备的工作频率。

参考文献

[1]单廷亮.石油化工装置框架建筑及结构条件剖析[J].煤炭与化工,2014,37(12):101-102+105.

[2]刘青.化工装置钢框架梁与柱的端板连接[J].天津化工,2013,27(04):51-53.

[3]李建新.石油化工装置钢结构框架的安装[J].中国建筑金属结构,2013(12):178-179.