摘 要：阐述大功率风机机械通风冷却塔的振动特性及原理，对火力发电厂钢筋混凝土机械通风冷却塔结构进行了动力分析计算，并提出了改进措施以满足结构的动力特性要求，对大功率风机机械通风冷却塔的结构设计具有指导意义。
关键词：机械通风冷却塔；风机；振动
0 前言
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 机械通风冷却塔的振动特性
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14mx14m～20mx20m，常采取多台风机并列。考虑结构温度原因，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，可分为一个结构支承一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）显然大于一台风机的扰力，相应的结构动力响应必定大于仅支承一台风机的结构，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1 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
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，一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（10HZ以上），结构的水平振动出现的共振属于高频共振，振幅较小。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 analysis），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 振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一偏差，水平位移相差就很大，因此在实际结构动力计算中，必须考虑这一问题。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：第一种情况是振频率、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，而且和扰频相等，对结构每层刚度按一定比例折减，使计算频率和扰频相等，在这样的情况下，计算出的动位移就是实际位移；第三种是自振频率和实际情况一样，而由于各种原因，扰频增大至自振频率一样，这种计算方法比较简单，只要将扰频按自振频率数值输入计算机，即可得出共振情况下的动位移。
2.1.2 计算自振频率比扰频小20%以内。实际情况也可能有多种，但对结构分析有意义的情况也只有三种：第一种情况是自振频率、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；第二种是实际自振频率和计算自振频率相等，而扰频见效和计算自振频率相等，这样只要将扰频值按计算自振频率值输入计算机，即可得出共振情况下的动位移；第三种情况是实际自振频率比计算自振频率大，实际自振频率数值和扰频相等，这种情况下，对结构每层刚度按一定比例折减，使之计算频率和扰频相等，在这样的情况下，计算出的动位移就是实际位移。
2.2 设备参数的取值
1）转子重量：对风机取转子叶片重量：12.50 kN
2）扰力：
参照《动力机器基础设计规范》关于旋转类机器的规定，取20%转子重量为扰力，即：
12.5 ×0.2 = 2.5 kN
本结构考虑两台风机同时运行，为求得最大动力响应，相位差取0度。
3）扰力随频率的变化规律
参照《动力机器基础设计规范》关于旋转类机器的规定，按下式考虑：
式中
-任意转速的扰力 （kN）；
-任意转速（rpm）。
4）频率分析宽度
取0～1.8fm的频率宽度，即0～229rpm（0～3.8HZ）。
5）结构阻尼比：取5%。
6）混凝土强度等级： C30
3振动的控制标准
参照《动力机器基础设计规范》关于低速电机基础的规定，应取160μm，按《水规》9.5.9条，振幅不宜超过0.25mm（250μm）。
4 分析计算
分析软件采用美国CSI公司的SAP2000 V14.2.2，分析过程如下：
4.1 模型的建立
结构的梁柱构件采用框架单元（FRAME ELEMENT）来模拟，现浇墙体和楼板采用壳单元（SHELL ELEMENT）来模拟，对于预制的钢筋混凝土墙板，考虑到与周围梁柱的连接不具有足够的刚度，没有在模型中加以模拟，仅将其作为荷载输入，然而，由于其对结构整体刚度的影响，对计算周期考虑了0.7的折减系数以考虑其影响。柱脚与基础间的连接假定为固定支座，框架柱与框架梁间、主梁与次梁连接节点均假设为刚接。
为获得足够的计算精度，所有框架单元手工剖分为8段，壳单元则采用自动剖分，对靠近扰力作用点的位置，对梁和楼板进行了更为精细地剖分。需要说明的是，采用上述手段模拟结构后，结构的几何结构得到了准确地描述，但代价是结构的动自由度急剧增加，使得解题的规模和计算成本上升，解算需运行很长的时间。
4.2 质量的输入
结构自重由SAP 2000自动计算，设备基础及设备附加质量以对象和附加质量输入，由于活荷载的不确定性，偏安全的，在质量计算中，未考虑活荷载的作用。
4.3 定义稳态函数
稳态函数为扰力随频率变化的函数，稳态函数中不包括相位信息，本项目中的稳态函数按《动力机器基础设计规范》给定的函数关系定义，采用用户定义方式手工输入。
4.4 定义模态分析工况
结构的模态分析也被称为振型叠加法动力分析，是线性结构系统动力分析中最常用的方法。其最主要的优势在于计算一组正交向量后，可以将大型整体平衡方程组缩减为数量相对较少的解耦的二阶微分方程，明显地减少了用于数值求解这些方程的时间。本项目的SAP 2000分析软件中，常用精确的特征向量分析法，本项目用了与荷载相关的Ritz向量（LDR）分析法，LDR法考虑了动力荷载的空间分布，因此可以得到更为精确的分析结果。
5 结果分析
5.1 模态分析成果
通过模态分析，共得到10个结构的自振频率，如下表所示：
表2 结构自振频率
从自振第一频率来看n1=2.3352HZ，结构的自振基频与风机的扰频十分接近，因此有必要对其进行强迫振动分析。
5.2 X向振动结果分析
5.2.1在X-Y平面内的X向（水平纵向）振动分布
在工作频率2.12HZ下，X-Y平面内距离扰力作用点1.0m、2.0m、3.0m、6.0m、7.5m、9.0m位置处沿结构X向（水平纵向）的振幅如表3。
分析表3，可以看出，结构的振动在X-Y平面内沿X向一直保持较高的振动幅值，且并没有随着距离扰力作用点越远而衰减，表明结构存在着很大范围的共振区。
5.2.2 在X-Z平面内的竖向振动分布
在工作频率2.12HZ下，在0.600m、5.750m、8.700m、12.80m层中心柱处的竖向振幅。
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X-Y平面内的X向（水平纵向）动内力均很小。
5.3 Y向振动结果分析
5.3.1 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1.0m、2.0m、3.0m、6.0m、7.5m、9.0m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、12.80m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：
（1）从模态分析结果来看，X和Y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顶层，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小。
（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。这一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（水平横向）的刚度，导致结构在X向的第一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50μm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7μm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，对结构的影响较小。
（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：
1）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。可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120mm，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，采用小板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180～220mm，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，且每一层在一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49.14μm，远小于《动规》低速电机基础的最大振幅160μm和《水规》最大振幅250μm）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将设备重乘以一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。
参考文献：
[1] GB 50040-96. 动力机器基础设计规范 [S]. 北京：中国计划出版社.1996.
[2] 徐建.建筑振动工程手册 [A] 中国建筑工业出版社 2002年11月第一版.
