本文是一篇土木工程论文，本文以巴中某水泥厂石灰石运输栈桥的减隔振项目为工程背景，对栈桥结构的大跨度斜坡部分结构进行了减振应用。
1 绪论
1.1研究背景及意义
振动作为自然界中的普遍现象，存在于我们生活中的每一个角落。在工程技术领域中常会出现各种振动，例如建筑结构在地震荷载或风荷载作用下的振动、居民住房在轨道交通运输时产生的振动，以及工业生产运行中动力设备运行下的振动等。随着近年来矿山工业的迅速发展，在一些山区的工业生产线中，常建有跨度较大的工业运输栈桥。山区栈桥在生产设备运行下会引发不良振动，轻者会导致生产线瘫痪，降低工业生产的效益，严重时则会导致结构产生破坏，对工业生产人员构成生命威胁。此外，山区栈桥处于地势不平的矿山区域，在建设施工上需要消耗巨大的人力和物力，其在地震作用下一旦产生破坏，会对矿区造成不可挽回的经济损失。
生产设备运行引发的不良振动一般较大，栈桥等特殊结构作为生产线的支撑结构，在工业生产中受到设备振动荷载与工业环境的共同作用，容易产生老化，使结构的耐久性降低。过大的振动还会对工作人员的身体健康产生巨大的负面影响；在人体构造中，重要的身体器官是软组织结构，例如胸腔、腹腔等身体器官会较为明显的感受到不良振动带来的不适。在超限振动作用下，人体会出现头晕、心烦等一系列不良的身体反应，深深的危害工作人员的心理健康和生理健康，甚至还会对人体的生命健康构成威胁[1-2]。
在不利的地震荷载作用下，由于栈桥结构跨度较长，会产生过大的挠度，使结构的安全受到威胁。对钢桁架栈桥结构在地震作用下的结构响应进行分析和评估，可以识别结构中的弱点和潜在问题。这有助于改进抗震设计，以提高结构的抗震性能，从而降低地震造成的破坏和损失，对保护矿山工业生产中的人员生命安全和减少财产损失具有重要的意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1建筑工程允许振动的规范和标准分析
工业建筑中结构在设备下会发生受迫振动，常常由于结构发生共振而产生过大的振动响应，对结构的安全性等造成威胁。工业结构的振动控制需要依据允许振动相关的规范及标准判断振动是否满足安全性及舒适性的要求。国外研究振动的问题较早，对结构的安全性有着较为完善的振动研究理论及评判标准和限值。在世界上一些通用的建筑物允许振动评价标准中，国际标准化组织 ISO 推荐的建筑振动标准如图 1-1所示，联邦德国(DIN 4150标准)推荐的对建筑物可能损坏的振幅范围如图1-2所示。
在国内的相关规范与标准中，对于工程振动中的安全性指标的规定相对较少，我国《机器动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规程》[7]规定的动力机器基础的允许振动限值如表 1-1和图 1-3 所示。从图1-1~图1-3的评价标准可以得到，在考虑建筑物的安全性时，探究的振动频率分别在2Hz 、 10Hz、5Hz以上，这表明以上评价标准宜应用在那些结构刚度稍大的建筑物中，对于跨度较大的钢结构建筑物，其结构刚度较小，不宜采用以上标准进行安全性探析。在以上标准的评价指标中，主要采用了振动速度响应及位移相应作为主要的参考指标；这也仅适用于一般的民用建筑以及多层工业建筑等在受力上偏向于水平剪切型的结构，因为水平剪切型结构的最大层间剪力与结构在水平方向振动的最大速度相关性最好。
2 结构有限元模型建立及模态分析
2.1工程概况
该工程为巴中某水泥厂石灰石运输栈桥的振动控制项目，从采石场到石灰石预均化堆场距离约3km，石灰石输送系统分为两条运输线，长度总共约2.2km，其中约1.7km的皮带承重结构为支架上承式钢桁架结构。栈桥结构由地面钢筋混凝土柱基础、钢结构桁架及钢梁组成，钢桁架为三角形无推力焊接钢桁架，有上承式和下承式两种结构形式，以绝大多数桁架为上承式结构，跨度小于30米。在试运行阶段，对1#运输线进行了试运行，其中斜坡段的钢桁架栈桥振动较为明显，1#运输线钢桁架栈桥结构的整体布置图如图2-1所示。
1#运输线栈桥结构的全长135.689m，其中钢桁架栈桥部分的长度共计65.94m；钢桁架栈桥部分分为三段，包含两段直线部分和一段斜坡部分，直线部分的跨度分别为18.575m、21.25m，斜坡段跨度最长，为26.115m。在运输线正常工作时，斜坡段因为坡度的存在，振动会强于其他段，因此本课题以跨度最长的斜坡栈桥部分作为研究对象。斜坡段栈桥部分为钢桁架上承式结构，结构构件均为钢结构，材料密度ρ为7.85×103kg/m3 ，弹性模量E为2.10×1011N/m2，泊松比υ为0.30，剪切模量G为8.08×104N/m2。斜坡段部分栈桥的结构布置图如图2-2所示，其左端设置有固定铰支座，右端设置了滚动支座。在斜坡段栈桥的钢桁架部分布置有上弦支撑、下弦支撑以及垂直支撑，各类支撑的平面布置图分别如图2-3~图2-4所示，斜坡段栈桥部分的各杆件的尺寸示意图如图2-5所示，图中尺寸标注均为斜尺寸。
2.2有限元模型建立及模态分析
2.2.1 模态分析理论
模态分析是分析结构的动力特性的重要方法，其求解是基于结构质量系统的动力平衡方程来实现的。在探究大跨度栈桥结构的振动问题时，结构的动力特性是进行振动控制的基础和前提，模态分析可以明确栈桥结构在主要振动方向的动力特性，为结构的振动分析提供依据。
在Ritz相量法中，考虑了动力荷载在空间上的分布，需要定义初始向量，在工程应用中选用动力荷载的空间分布向量作为初始向量。与特征相量法相比，Ritz相量法的计算结果更为精确。在大跨度的栈桥结构中，其皮带运输机是沿着栈桥方向进行布置的，需要考虑动力荷载在空间上的分布，在受力方向上主要考虑动力荷载的竖向振动对结构的影响，因此在模态分析中选择特征向量法进行计算。
2.2.2 有限元模型建立
栈桥结构的主体部分为钢桁架结构，钢桁架上的走道板及走道梁均为钢结构，本文中选择栈桥结构中跨度最大的斜坡段栈桥作为研究对象 ，对其进行了有限元建模。结构中各构件尺寸见工程概况中表2-1所示。在进行建模前需要对栈桥结构的荷载条件进行分析，SAP2000中对构件的自重可自动计算，因此在建模时需要对结构上承担的附加恒活荷载进行计算。
3 设备振动响应分析及振动评估 ....................... 31
3.1 栈桥结构受迫振动的基本原理 .......................... 31
3.2 栈桥结构激振源分析及激振力计算 ........................ 32
4 地震作用下的安全性评估 .................... 52
4.1 反应谱分析 ......................... 52
4.1.1 水平地震作用下的响应分析 ........................ 53
4.1.2 考虑竖向地震作用下的响应分析 ....................... 56
5 隔振设计及振动控制效果分析 ................. 70
5.1 不良振动原因分析 ........................ 70
5.2 隔振设计及隔振结构模型的建立 ................... 70
6 加强方案及效果评价
6.1加强方案设计
在采用对截面加强方时，需要对结构响应较大的部位进行截面加强，常见的截面加强形式如图6-1~图6-3所示。在栈桥结构的钢桁架中，上弦杆为受压杆件，下弦杆为受拉杆件，其截面形式均为双角钢截面。
7结论与展望
7.1结论
针对巴中某水泥厂运输栈桥上的不良振动问题，围绕该栈桥结构的减振控制，以跨度最大的斜坡段栈桥为研究对象，利用SAP2000有限元软件进行了建模，并进行了模态分析、设备振动下的动力时程分析以及地震作用下的反应谱分析和时程分析，对结构的振动现状进行了分析及评价。对栈桥结构进行了隔振方案及加强方案的设计，进行了隔振后及截面加强后栈桥结构振动的数值模拟分析，通过对栈桥结构减振前后的安全性及舒适性进行评估，确定了效果更优的减振方案。本研究对类似工程问题的解决提供了具有参考价值的解决思路和方法，针对本工程项目，本文得出了以下结论：
(1) 通过模态分析得到了结构的动力特性，由结构模态的各阶振型结果可得，栈桥结构的两个主要振动方向为水平纵向与竖直方向，架栈桥的前三阶自振频率分别为1.660Hz、2.893Hz、3.137Hz。第一阶振型为沿Y向的横向平动，第二阶振型为竖向弯曲，第三阶阵型为绕X轴的扭转。
(2) 通过设备振动下的谐响应分析可知，托辊的偏心激振力的激增频率4.00Hz存在于结构第一共振区内，可能会引起结构的共振。在皮带从关闭到开启正常工作再到关闭的过程中，2.893Hz以及3.137Hz附近的瞬态振动对结构安全性的影响不可忽略。时程分析结果表明，无论是设备正常运行时还是设备开启或关闭时，结构的最大响应出现在5号控制节点处，且位移、速度及加速度响应均较大。通过对设备振动下的结构响应进行安全性与舒适性评价发现，结构在设备振动下的安全性及舒适性均不满足规范要求，应从结构的安全性及舒适性两方面进行设备振动下的结构振动控制。
(3) 在反应谱分析中，YZ地震输入时，结构竖向位移最大为1.169mm，将其与重力荷载作用下的位移进行组合后为10.093mm，其值超出了《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中挠度值的限值(9.600mm)；将时程分析的结构挠度与重力荷载作用下的挠度进行组合后，结构的竖向挠度均超过规范限值。在多遇地震作用下，栈桥结构的轴向内力、基底反力及剪重比均满足规范要求，但由地震作用下的挠度评估可知，结构的竖向挠度超出了规范限值，对结构安全具有一定的威胁，可对结构进行截面加强来减少结构在地震作用下的竖向
