某大型风机阵列动力基础的设计研究

某大型风机阵列动力基础的设计研究

曾青

中冶南方工程技术有限公司武汉430223

摘要：本文利用受迫振动运动方程，分析了某大型风机阵列在运行状态下的组合扰力值，并在软土地基下对动力基础进行了数值模拟，分别比较了换填法、人工挖孔桩法和CFG法等方法处理地基的效果，最后得出了较好的结论，为今后类似工程的设计提供了参考。

关键词：风机阵列；动力基础；数值模拟

0前言

风机动力基础是工业建筑中常见的特种构筑物，其振动模型，属于受迫振动系统。受迫振动也称强迫振动。振动系统在在外来周期性力的持续作用下，振动系统发生的振动称为受迫振动。这个“外来的周期性力”称为驱动力，也叫扰力。

物体作受迫振动的振幅大小，不仅和驱动力的大小，还与驱动力的频率以及作振动的物体自身的固有频率有关。作受迫振动的物体一边克服阻力做功，输出能量，一边从驱动力的做功中输入能量。当从驱动力输入系统的能量等于物体克服阻力做功输出的能量时，系统的能量达到动态平衡，总量保持不变，振幅保持不变，作等幅振动。当周期性驱动力的频率和物体的固有频率相等时振幅达到最大，即共振。

本次研究对象为一个由六台巨型风机组成的风机阵列，各台风机的功率、转速均相同，但启动的顺序比较复杂，没有规律性。为了避免运行状态下基础的振动，本文首先研究基础在风机阵列作用下的受迫振动状态。

1风机扰力振动模型

风机扰力对基础产生的简谐振动是自然界常见的一种振动方式，在经典的振动力学里，简谐振动的系统上质点的运动方程为（以x表示位移，t表示时间，）：

就本项目研究的风机而言，如果只启动两台风机时，由于两台风机的扰力波振幅基本一致，即，因此，在0~2之间变化，振动有可能增强，也有有可能减弱，在0~2之间变化。

2风机基础扰力分析

风机同时启动时，如果正好各台风机之间的相位角差值正好是2的整数倍时，风机阵列对基础的扰力将达到最大值，这是第一种不利情况，如果1，2，3，4，5号风机的相位角差值正好是2的整数倍，而6号风机又与其他的风机相位角的差值是的奇数倍时，6号风机将抵消最近一台风机的扰力，这就造成了风机阵列对基础扰力作用产生偏心，这又是一种不利情况，而且这样偏心的情况还非常之多。由于设备制造时，控制系统无法实现完全的同步，操作流程是逐台开启，因此，扰力波的相位差无法控制。综上各种情况考虑，六台风机只有两两分开，成为三组独立的机组。这样才能达到避免扰力偏心，以及最大程度降低扰力叠加的问题。

3工程实践及数值模拟

由于风机阵列所在位置为填湖区域，地表以下有厚度为5.0m左右的杂填土，杂填土下面是厚度为3.0m左右的粉质粘土，承载力特征值为100kPa，再下面是黏土层，承载力特征值为300kPa，但很不均匀，-10.000左右为强风化片麻岩。对比计算了换填法、人工挖孔桩法和CFG桩法后，最终发现CFG桩复合地基法对地基土的刚度提高最大，该方法处理后，基础动位移控制在0.06mm以内。

4结论

本项目顺利完成验收工作，并投入正常使用。设备厂家对机组动检测数据，振动速度小于5mm/s，机组各项指标均处于正常水平。

本文从风机的简谐振动运动方程入手，分析了风机阵列在运行状态下的组合扰力值，并用该扰力值对基础进行了数值模拟，最终完成了该基础的结构设计。经过研究，得到如下结论。

参考文献

[1]王宏伟等.动力基础频变参数模型及设计[J].建筑科学与工程学报.2008.03.

[2]朱艳.动力基础与地基协同工作动力分析.武汉理工大学硕士论文.2010.04.

[3]唐宝亮.降低基础沉降的增强地基刚度方法研究.哈尔滨工业大学硕士论文.2012.07