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大型土木工程测试系统隔振设计与分析
时间:2020-11-26 22:40 | 栏目:土木工程 | 浏览:次
硕士论文网第2020-11-26期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇土木工程文章《大型土木工程测试系统隔振设计与分析》，供大家在写论文时进行参考。
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本篇论文是一篇土木工程硕士范文，土木工程试验种类、数目繁多，根据试验对象分类可以分为模型试验和原型试验。其中，大尺寸模型试验和原型试验由于试验对象的尺寸与实际对象一致，能够真实、直观的反映试验对象的真实数据。此类试验的日益增多对于试验系统的要求也越来越高，一般的试验机已难以胜任。因此，基于大型试验系统的研究已成为抗震试验研究的趋势。
第 1 章 绪 论
1.1 课题背景
振动的危害在我们的日常生活中并不陌生，常见的如城市轨道交通引起的环境振动和噪声，由于其通常建于城区道路的下方，也经常直接从建筑物底部穿过，人们的正常工作会受到干扰，同时附近建筑物会因此产生振动，造成安全隐患。在工业领域，常见的机械如压力机、锻锤、电液振动台和金属切削机床等机器在正常工作时也会产生振动，图 1-1 为某锻压设备。对于这些机械设备而言，其基础承受着不平衡扰力引起的振动以及机器的自重，如果该振动过大，将会影响机器的加工精度或者造成无法正常使用，甚至损坏机器和影响邻近的设备、仪器和人员的正常工作和生活，严重时会对周围建筑结构的安全造成威胁。比如某车间在长宽分别为 90 米和 12 米的二楼楼板上直接安装了大小不同的拉线机和绞线机设备共八个品种 53 台，总重 30 吨。这些设备在工作时产生了严重的振动，导致车间长向两侧墙壁产生长达 50 米的多条横裂缝，12 个墙垛断裂了 11 个，个别已断开。隔振与耗能减振技术是解决以上问题最经济有效的手段，随着我国经济技术的不断发展，以及全社会对环境和人身健康的关注，近几年来我国在工业设备应用中采用隔振措施和技术有了明显的提高，人们对振动的危害以及隔振的必要性也有了更深刻的认识，比如精密加工和精密测量设备，钢铁、化工等行业里的通用设备，金属板材成型加工设备，金属加工成型设备等等均会考虑加装隔振装置，此举不仅减轻振动的危害，同时使得某些设备可以不再受放置位置的约束，并且节省土地和能耗，优化了工艺布置，也简化了安装和调平过程。此外，在电力、轨道交通、某些特殊建筑中也会去考虑不同形式的隔振措施与方法，比如某音乐厅采用了整体浮置隔振技术，使得地面传来的固体传声得以有效隔离。随着土木工程学科的不断进步发展，大型、足尺试验的研究进入了崭新的阶段，对于试验机械设备的需求也越来越高，常见吨位的压力机、振动台已不能满足相应的研究需求。
因此，越来越多的大型试验设备出现在实验室当中，如图 1-2 所示为某地震模拟振动台，与此同时也带来了不少实际问题。在进行土木工程试验的时候，由于不同试验需求的特殊性，试验设备在某些特定时刻将不可避免的产生巨大的振动，比如实验对象产生了突然的脆性破坏等等。在过去，由于试验对象普遍是小型构件或缩尺结构，振动的影响可以忽略不计。然而现在对于大型构件或结构进行试验的时候，该振动的大小将变得相当可观，对设备自身使用安全和寿命相当不利，长期以往还将对实验室里的工作人员健康产生一定影响，甚至对实验室的结构安全也产生威胁，因此，对于这类试验设备进行有效的隔振设计就显得尤为重要了。与此同时，如何评估振动可能带来的结构安全性问题也是人们长久以来所探究的重点领域。除了最根本的验证结构的安全性之外，舒适度作为一项评价标准同样有着较为广泛的使用，其主要是以人们的生理和心理所感受到客观环境的满意程度为标准进行衡量的。某些振动虽然不能够使结构产生破坏，但是人们身在其中确能感到生理和心理的不适应，尤其是在一些和振动密切相关的建筑类型当中，比如说火车站、地铁周边建筑，高层建筑结构，大跨度悬挑结构，人行天桥等等。由于土木工程试验设备通常在实验室内使用，周边必然有办公的使用要求，因此对于此类建筑而言，我们也需要在隔振设计中进行舒适度方面的考虑并力求满足要求。
1.2 本文主要研究内容
试验是土木工程领域研究当中不可或缺的组成部分，随着近年来大型、足尺试验的兴起，高性能、大吨位的土木工程试验机也越来越多，但是对于这类机械设备的建设和使用仍有以下问题有待解决：（1）大型土木工程试验机、振动台等由于其加载能力极强，在进行某些特殊目的的试验时可能产生较大振动，而目前对于这类大型设备的隔振案例还十分有限。（2）此类试验设备产生的振动对周围结构有一定影响，产生建筑结构二次振动问题，评估该振动的影响以及判断结构安全性和舒适度的相关研究较少。针对以上问题，本论文归纳总结了现有机械设备的隔振设计思路和方法，并针对振动台和大型多功能试验机这两种土木工程试验领域常用的设备进行了详细的隔振设计和振动分析研究。本文通过简化模型和有限元模型研究了试验设备的隔振效果及其振动对周边结构的影响。具体内容包括以下几个方面：（1）本文对工业设备的主动隔振设计方法进行归纳总结，获得适用于土木工程试验设备的隔振设计方法。与此同时，本文基于该方法确定了某大型实验设备底部隔振参数并进行了简化分析。此外，本文还考虑了试验机内部齿的碰撞这一特殊情况对隔振效果的影响。（2）分别对某大型试验机和振动台进行了隔振设计。对于多功能试验机，通过 ANSYS 进行有限元模拟，进行了模态、长柱压缩等工况的计算与分析，验证隔振效果的好坏，并考虑到其自身特殊性，对其进行了地震荷载下的模拟，考察其抗震性能。对于振动台，本文基于空气隔振支座，通过简化模型分析了三种常见工况和自身共振工况，并对比了其隔振前后的位移和加速度，给出详细设计方案并评估了隔振效果。（3）对振动台和多功能试验机的底部动基础的振动进行分析，验证其安全性，并对周边建筑结构的二次振动进行评估，基于振动和舒适度的相关标准分析建筑结构二次振动的影响。
第 2 章 大型土木工程试验机的隔振设计方法
2.1 引言
合理的隔振设计方法是决定仪器或机械设备最终隔振效果的重要因素。对于不同的设备，具体的隔振方法会有一定的区别，但是总体的隔振设计思想具有一定的相似性。本章将对工业领域常见机械设备的隔振设计方法进行一定的总结。考虑大型土木工程领域试验设备的特殊性，讨论其隔振设计方法。
2.2 一般工业设备的隔振设计方法
在工业领域，常见的需要进行隔振设计的机械设备主要分为精密仪器和动力机器两大类。其中，精密仪器的作用是满足高精度加工、装配以及测试，那么在其工作时必然对周边空气洁净、微振动、电磁干扰噪声等有着非常严格的要求。但是这种情况下，振源往往不是精密仪器自身，对其进行隔振设计时，也通常需要综合考虑建筑物地基基础和建筑结构振动、振源设备振动以及精密仪器自身振动。所以隔振方式通常选用主动和被动隔振相结合的方法，即对振源采取主动隔振，对精密仪器采取被动隔振。 动力机器主要包括旋转式机器、曲柄连杆式机器、冲击式机器、随机扰力机器等等，此类设备之所以需要隔振是为了减小其对设备自身生产、工作及建筑物周围环境产生的有害影响。由于振源在于机器本身，所以对其的隔振措施为主动隔振，通常采用支承式隔振体系，也就是在设备底座或刚性台座下设置隔振器。本章所研究的大吨位、多功能土木工程试验机的隔振属于动力机器的主动隔振设计[，其常见的隔振形式除了上文提到的支承式，还有悬挂式、悬挂兼支承式、隔振沟以及地面屏障式等。悬挂式主要用于隔离水平振动，而悬挂支承式则可用于同时隔离水平和竖向振动。隔振沟通常作为附加隔振措施用于隔离冲击以及高频振动，地面屏障式则是采用排桩或隔板等隔离振动，只在一些特殊场合比如隔振器受限时使用。目前的隔振设计规范对于隔振的控制指标选择了设备振幅和隔振基础振幅，并且规定了精密仪器及设备容许振动值和动力机器基础的容许振动值。根据规范当中的设计原则，以及参考一些已有的成功大型隔振设计实例，对于动力机器的隔振设计总结分为以下三步：1、初选隔振体系固有频率；2、确定隔振层参数；3、计算机器和基础的振幅及传力等其它验算。对于某些具体的机器则会加入相应的一些特殊步骤，比如在对锻锤进行隔振时会加入锤头打击速度、砧座初速度等的计算等。通过计算获得了隔振层的总刚度和总阻尼系数后则可根据相关隔振支座产品目录选择相应的产品，并以产品的参数作为最终的参数进行之后的验算。对于隔振支座的布置应当遵循减小相关自由度的原则，同时兼顾维护和更换简便进行。
第 3 章 多功能试验机的隔振设计与有限元分析
3.1 引言
3.2 多功能试验机隔振设计概述
3.3 隔振支座选型与布置
3.4 有限元模型计算与分析
3.5 本章小结
第 4 章 三轴六自由度振动台的隔振设计
4.1 引言
4.2 振动台隔振设计概述
4.3 振动台工况验算
4.4 本章小结
第 5 章 大型土木工程试验系统周边建筑结构的振动分析与评估
5.1 引言
5.2 周边结构振动分析
5.3 结构舒适度评价
5.4 本章小结
结 论
隔振与耗能减振技术作为缓解振动对建筑、机械等造成的危害的重要手段之一，长久以来备受科研工作者的关注，同时在实际工程当中运用也十分广泛。本文对目前机械的隔振设计进行了较为详细的研究，并归纳总结出一种能较好适用于土木工程试验设备的隔振设计方法，通过多功能试验机和振动台这两种最常见设备的隔振设计验证了该方法，同时引入舒适度的评判标准对试验设备产生的振动危害进行了评估。（1）通过对部分工业领域机械设备的隔振设计方法的探讨和归纳，同时考虑到土木工程试验设备的特殊性，总结出适用于土木工程试验设备的隔振设计思路和方法。该方法首先确定整体结构的基频，进而确定隔振层参数，最后通过核算正常使用情况下不同工况来验证隔振效果，具备一定的可行性和准确性。基于该方法对某大型多功能试验机进行隔振设计，考虑机中齿碰撞的特殊影响，通过简化模型分析验证其隔振设计的有效性。（2）大型多功能试验机的隔振实际案例较少，本文基于 ANSYS 有限元分析对某大型多功能试验机进行了详细的隔振设计计算分析，为以后此类设备的实际工程提供了一定的参考作用。在对其进行隔振设计时，考虑到了隔振支座的选取、布置、维护等多方面因素，通过 ANSYS 有限元软件进行了自身模态分析，长柱压缩、橡胶支座剪切、长柱双剪工况的瞬态分析，结果表明隔振效果良好，包括位移在内的各项指标均符合设计要求。除此之外，本文对于试验机整体隔振体系进行了抗震计算，通过 ANSYS 时程分析，确保了该体系在地震作用下具备一定的安全性（3）针对另一种土木工程领域常用的试验设备三轴六自由度地震模拟振动台的隔振设计，本文基于空气弹簧支座进行了隔振设计，并运用简化模型计算对其隔振效果进行了评估。在计算中，重点考察了拍波、扫频和地震模拟三种工况，结果表明无论水平还是竖直方向，隔振效果均令人满意。除此之外，还加入了计算自身共振这一特殊工况来考察自身最不利情况下的反应，以保证整体隔振体系的安全性。（4）由于试验设备产生的振动较大，在对自身进行隔振设计的同时，还需要考虑周边结构的安全性，针对此类设备，本文通过 SAP2000 等有限元软件分析，考察了周边结构振动的强弱，并引入结构舒适度的相关标准来和规定进行考量。结果表明通过有效的隔振设计不仅能够使得试验机本身获得满意的减振效果，同时能够降低对基础底部的传力，将对周围结构产生的安全和舒适性影响控制在令人满意的范围之内。
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