工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 基于微振动监测的AFPT厂房结构浆液耦合振动特性 宋波李邦肖楠劳俊 Fluid-structure interaction vibration characteristics of the AFT workshop structure based on micro-vibration monitoring SONG Bo,LI Bang,XIAO Nan.LAO Jun 引用本文： 宋波，李邦，肖楠，劳俊.基于微振动监测的AFT厂房结构浆液耦合振动特性[J.工程科学学报，优先发表.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.10.04.002 SONG Bo,LI Bang.XIAO Nan,LAO Jun.Fluidstructure interaction vibration characteristics of the AFT workshop structure based on micro-vibration monitoring[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.04.002 在线阅读View online::htps:/ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.10.04.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
基于微振动监测的AFT厂房结构浆液耦合振动特性 宋波 李邦 肖楠 劳俊 Fluid–structure interaction vibration characteristics of the AFT workshop structure based on micro-vibration monitoring SONG Bo, LI Bang, XIAO Nan, LAO Jun 引用本文: 宋波, 李邦, 肖楠, 劳俊. 基于微振动监测的AFT厂房结构浆液耦合振动特性[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.04.002 SONG Bo, LI Bang, XIAO Nan, LAO Jun. Fluidstructure interaction vibration characteristics of the AFT workshop structure based on micro-vibration monitoring[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.04.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.04.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
工程科学学报.第44卷，第X期：1-10.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-10,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.04.002;http://cje.ustb.edu.cn 基于微振动监测的AFT厂房结构-浆液耦合振动特性 宋波2)，李邦2，肖楠2)，劳俊) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)强震区轨道交通工程抗震研究北京市国际科技合作基地，北京1000833)北京国 电龙源环保工程有限公司，北京100039 ☒通信作者，E-mail:y19801202162@163.com 摘要AFT氧化风机房是脱硫工艺中的一种钢筋混凝土结构支撑钢罐的复合结构，结构产生的明显振动不利于正常生产 运营，因此针对AFT结构进行现场监测和模拟计算.首先对AFT结构进行现场调查，基于一种AFT结构视频监测与局部监 测相结合的方法对其进行监测，随后又提出简化搅拌机及氧化风作用的模拟方法，通过数值模拟对AT结构振动特性进行 研究.结果表明：对AFT结构进行视频监测可快速明确结构运动轨迹：局部监测结果表明搅拌机作用是结构振动的主要因 素，氧化风的鼓入加刷了结构振动响应，因此造成了结构各柱间填充墙不同程度的损伤：将数值模拟结果与监测结果对比，验 证了简化搅拌机及氧化风作用的计算方法，可为分析此类结构振动响应、损伤机制以及加固设计提供参考 关键词AFT结构：微振动监测：运动轨迹：振动特性：流固耦合 分类号TG142.71 Fluid-structure interaction vibration characteristics of the AFT workshop structure based on micro-vibration monitoring SONG Bo2),LI Bang2),XIAO Nan2),LAO Jun 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)International Cooperation Base for Science and Technology-Aseismic Research of the Rail Transit Engineering in the Strong Motion Area,Beijing 100083,China 3)Beijing Guodian Longyuan Environmental Protection Engineering Co.Ltd.,Beijing 100039,China Corresponding author,E-mail:y19801202162@163.com ABSTRACT An AFT oxidation fan room is a kind of composite structure of reinforced concrete structure supporting the steel tank in the desulfurization process.It is a common structural form of a power plant.The obvious vibration generated by the structure is not conducive to the normal production and operation of the power plant and may even cause accidents.Therefore,on-site monitoring and a simulation calculation are carried out for the AFT structure to study the causes of vibration of the AFT structure and clarify its vibration mechanism.First,a field investigation of the AFT structure is carried out combining video monitoring and local structure vibration monitoring.Based on the simulation method of the fluid-solid interaction,a simulation method to simplify the action of the mixer and the oxidation wind in the steel tank is then proposed,and the vibration characteristics of the AFT structure are further studied through the proposed numerical simulation method.Finally,numerical simulation results are compared with the monitoring results,and causes of vibration differences in various parts of the structure are studied.Results show that video monitoring can quickly identify the structure movement track.Local monitoring results show that the mixer is the main factor of the structural vibration,and the aeration of the oxidation wind intensifies the structural vibration response,causing different degrees of damage to the infill wall between the columns of 收稿日期：2020-10-04 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52078038)：中央高校基本科研业务资助项目(FRF-MP-19-003)
基于微振动监测的 AFT 厂房结构–浆液耦合振动特性 宋 波1,2)，李 邦1,2) 苣，肖 楠1,2)，劳 俊3) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 强震区轨道交通工程抗震研究北京市国际科技合作基地，北京 100083 3) 北京国 电龙源环保工程有限公司，北京 100039 苣通信作者， E-mail: y19801202162@163.com 摘 要 AFT 氧化风机房是脱硫工艺中的一种钢筋混凝土结构支撑钢罐的复合结构，结构产生的明显振动不利于正常生产 运营，因此针对 AFT 结构进行现场监测和模拟计算. 首先对 AFT 结构进行现场调查，基于一种 AFT 结构视频监测与局部监 测相结合的方法对其进行监测，随后又提出简化搅拌机及氧化风作用的模拟方法，通过数值模拟对 AFT 结构振动特性进行 研究. 结果表明：对 AFT 结构进行视频监测可快速明确结构运动轨迹；局部监测结果表明搅拌机作用是结构振动的主要因 素，氧化风的鼓入加剧了结构振动响应，因此造成了结构各柱间填充墙不同程度的损伤；将数值模拟结果与监测结果对比，验 证了简化搅拌机及氧化风作用的计算方法，可为分析此类结构振动响应、损伤机制以及加固设计提供参考. 关键词 AFT 结构；微振动监测；运动轨迹；振动特性；流固耦合 分类号 TG142.71 Fluid –structure interaction vibration characteristics of the AFT workshop structure based on micro-vibration monitoring SONG Bo1,2) ，LI Bang1,2) 苣 ，XIAO Nan1,2) ，LAO Jun3) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) International Cooperation Base for Science and Technology-Aseismic Research of the Rail Transit Engineering in the Strong Motion Area, Beijing 100083, China 3) Beijing Guodian Longyuan Environmental Protection Engineering Co. Ltd., Beijing 100039, China 苣 Corresponding author, E-mail: y19801202162@163.com ABSTRACT An AFT oxidation fan room is a kind of composite structure of reinforced concrete structure supporting the steel tank in the desulfurization process. It is a common structural form of a power plant. The obvious vibration generated by the structure is not conducive to the normal production and operation of the power plant and may even cause accidents. Therefore, on-site monitoring and a simulation calculation are carried out for the AFT structure to study the causes of vibration of the AFT structure and clarify its vibration mechanism. First, a field investigation of the AFT structure is carried out combining video monitoring and local structure vibration monitoring. Based on the simulation method of the fluid-solid interaction, a simulation method to simplify the action of the mixer and the oxidation wind in the steel tank is then proposed, and the vibration characteristics of the AFT structure are further studied through the proposed numerical simulation method. Finally, numerical simulation results are compared with the monitoring results, and causes of vibration differences in various parts of the structure are studied. Results show that video monitoring can quickly identify the structure movement track. Local monitoring results show that the mixer is the main factor of the structural vibration, and the aeration of the oxidation wind intensifies the structural vibration response, causing different degrees of damage to the infill wall between the columns of 收稿日期: 2020−10−04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52078038）；中央高校基本科研业务资助项目（FRF-MP-19-003） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−10，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−10, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.04.002; http://cje.ustb.edu.cn
2 工程科学学报，第44卷，第X期 the structure.The dynamic response law of different positions of each column and the upper steel tank of the structure is found to be more different.A comparison of numerical simulation results with monitoring results verified the calculation method of simplifying the mixer and the oxidation wind effect,providing a reference for the analysis of the vibration response,damage mechanism,and reinforcement design of such structures. KEY WORDS AFT structure;micro vibration monitoring;motion track;vibration characteristics;fluid structure interaction 近年来发电厂不断发展，高效的脱硫技术对 用现场监测数据建立ANSYS/LS-DYNA三维有限 工业建筑结构的要求也不断提高.单塔双循环山 元数值计算模型，分析计算了不同运行压力条件 的脱硫工艺中，除脱硫吸收塔结构外，还有吸收塔 下埋地燃气管道的动力响应特性.Qarib等]以变 外浆液池结构，又称AFT(Absorber feed tank)氧化 电站的诸多结构振动报告为基础，进行模态分析 风机厂房结构（以下统称为AFT结构）与之匹配， 和ANSYS3D双向流固耦合(FSI)模型对涡激振动 此种结构将浆液罐置于钢筋混凝土结构之上，罐 效应进行了数值分析预测和研究并找到预测和预 内浆液既要保持悬浮状态，以防止产生较多沉淀， 防振动的方法.吴嵌嵌等将系统突增负荷过渡 又要鼓入氧化空气，以提高浆液反应效率，在结构 过程纳入机组一-厂房结构振动研究体系，并对水电 “头重脚轻”的基础上，浆液罐内部设置有搅拌机 站机组结构振动特性进行分析.由于AFT结构受 与氧化风持续作用四.由此AFT结构振动因素更 力复杂，搅拌混合容器内，搅拌桨叶轮附近的流体 加复杂，AFT结构-液-气三场耦合作用下，AFT结 以射流的形式朝着相对的壁面推进，当到达壁面， 构振动问题凸显 流体流动方向将发生改变：(1)在水平方向上，流 此类结构的研究内容之一是流体、空气等多 体对称地分成两个支流，转向沿着壁面流回到搅 种振源作用下结构的振动特性，目前针对AFT结 拌桨附近：(2)在垂直方向上，大部分流体沿着壁 构的相关研究中，陈佳)以一个直径和高度均为 面从釜底部向液面流动，到达液面后再被卷吸回 13m的大型侧进式搅拌釜为研究对象，对其内部 到搅拌机附近.从而流体在水平方向上在射流两 均相宏观流场进行数值计算，计算得到的搅拌功 边形成两个大的回转流动，而在垂直方向上产生 率曲线和流体速度分布与实验数据吻合较好.徐 一个大的循环流动.另外陈功国等的模拟或实 国徽和顾学康研究大型液舱围护结构弹性对液 验结果都有类似结论.与AFT厂房类似的结构研 舱内晃荡冲击压力的影响，采用基于显式时间积 究主要集中在厂房模态分析、振动检测和对单一 分方法的有限元程序模拟流体和结构的运动和变 储液罐的流固耦合分析，对AFT厂房结构进行流 形及其相互作用.Xu等的分析了引起小顺江泵站 固耦合的振动研究分析较少.本文以某电厂AFT 振动异常的原因，结合频谱进行诊断分析和结构 结构为研究对象，在结构现场微振动监测的基础 模态分析，获得振动的傅里叶变换信号离散时间、 上，建立AFT结构-浆液模型，并利用提出的简化 振动源频率分布特性及结构响应.虽然仅有相似 搅拌机及氧化风作用的数值模拟方法，进行流固 结构的其他专业领域研究6]，但为本文提供了结 耦合分析，旨在研究AFT结构产生振动的原因，明 构及浆液加载条件的计算思路 确结构振动机制，为此类结构设计提供参考依据 目前的结构现场监测和数值模拟研究较 1工程背景 多31捌，与本文使用的监测手段及模拟分析方法 类似，董霄峰等以现场整体风机结构在停（开） 实测工程选取某发电厂AFT结构，此AFT结 机、台风等工况下的振动响应数据，分析结构的振 构截至2021年底已服役4a,AFT结构下部钢筋混 动响应时频域特性与变化规律.王延林等2根据 凝土柱高13m,上部浆液钢罐内常持液高为18m, 海洋平台冰激振动的特点，设计现场监测系统，检 最高可达20m,罐直径11m,如图1所示.同时钢 验阻尼隔振系统的减振效果，对平台隔振的上下 罐上布置有2层共6个搅拌机作用于内部浆液，以 两层甲板的加速度和相对位移响应进行监测，并对 及3个氧化风管道鼓入浆液，如图2所示结构与设 实测数据进行对比分析.Rohan等p四对大跨度桥 备设置图.结构长期处于高温碱性环境，与结构相 梁的结构使用变传感器和加速度计进行损伤检 连的各种管道布置复杂，以及超重钢罐置于楼上 测，结合了每种类型传感器的优势.朱斌等利 的结构布置等因素均不利于结构稳定
the structure. The dynamic response law of different positions of each column and the upper steel tank of the structure is found to be more different. A comparison of numerical simulation results with monitoring results verified the calculation method of simplifying the mixer and the oxidation wind effect, providing a reference for the analysis of the vibration response, damage mechanism, and reinforcement design of such structures. KEY WORDS AFT structure；micro vibration monitoring；motion track；vibration characteristics；fluid structure interaction 近年来发电厂不断发展，高效的脱硫技术对 工业建筑结构的要求也不断提高. 单塔双循环[1] 的脱硫工艺中，除脱硫吸收塔结构外，还有吸收塔 外浆液池结构，又称 AFT（Absorber feed tank）氧化 风机厂房结构（以下统称为 AFT 结构）与之匹配， 此种结构将浆液罐置于钢筋混凝土结构之上，罐 内浆液既要保持悬浮状态，以防止产生较多沉淀， 又要鼓入氧化空气，以提高浆液反应效率，在结构 “头重脚轻”的基础上，浆液罐内部设置有搅拌机 与氧化风持续作用[2] . 由此 AFT 结构振动因素更 加复杂，AFT 结构–液–气三场耦合作用下，AFT 结 构振动问题凸显. 此类结构的研究内容之一是流体、空气等多 种振源作用下结构的振动特性，目前针对 AFT 结 构的相关研究中，陈佳[3] 以一个直径和高度均为 13 m 的大型侧进式搅拌釜为研究对象,对其内部 均相宏观流场进行数值计算，计算得到的搅拌功 率曲线和流体速度分布与实验数据吻合较好. 徐 国徽和顾学康[4] 研究大型液舱围护结构弹性对液 舱内晃荡冲击压力的影响，采用基于显式时间积 分方法的有限元程序模拟流体和结构的运动和变 形及其相互作用. Xu 等[5] 分析了引起小顺江泵站 振动异常的原因，结合频谱进行诊断分析和结构 模态分析，获得振动的傅里叶变换信号离散时间、 振动源频率分布特性及结构响应. 虽然仅有相似 结构的其他专业领域研究[6–12] ，但为本文提供了结 构及浆液加载条件的计算思路. 目前的结构现场监测和数值模拟研究较 多[13– 18] ，与本文使用的监测手段及模拟分析方法 类似，董霄峰等[19] 以现场整体风机结构在停（开） 机、台风等工况下的振动响应数据，分析结构的振 动响应时频域特性与变化规律. 王延林等[20] 根据 海洋平台冰激振动的特点，设计现场监测系统,检 验阻尼隔振系统的减振效果，对平台隔振的上下 两层甲板的加速度和相对位移响应进行监测,并对 实测数据进行对比分析. Rohan 等[21] 对大跨度桥 梁的结构使用变传感器和加速度计进行损伤检 测，结合了每种类型传感器的优势. 朱斌等[22] 利 用现场监测数据建立 ANSYS/LS-DYNA 三维有限 元数值计算模型，分析计算了不同运行压力条件 下埋地燃气管道的动力响应特性. Qarib 等[23] 以变 电站的诸多结构振动报告为基础，进行模态分析 和 ANSYS 3D 双向流固耦合（FSI）模型对涡激振动 效应进行了数值分析预测和研究并找到预测和预 防振动的方法. 吴嵌嵌等[24] 将系统突增负荷过渡 过程纳入机组−厂房结构振动研究体系，并对水电 站机组结构振动特性进行分析. 由于 AFT 结构受 力复杂，搅拌混合容器内，搅拌桨叶轮附近的流体 以射流的形式朝着相对的壁面推进，当到达壁面， 流体流动方向将发生改变：（1）在水平方向上，流 体对称地分成两个支流，转向沿着壁面流回到搅 拌桨附近；（2）在垂直方向上，大部分流体沿着壁 面从釜底部向液面流动，到达液面后再被卷吸回 到搅拌机附近. 从而流体在水平方向上在射流两 边形成两个大的回转流动，而在垂直方向上产生 一个大的循环流动. 另外陈功国等[25] 的模拟或实 验结果都有类似结论. 与 AFT 厂房类似的结构研 究主要集中在厂房模态分析、振动检测和对单一 储液罐的流固耦合分析，对 AFT 厂房结构进行流 固耦合的振动研究分析较少. 本文以某电厂 AFT 结构为研究对象，在结构现场微振动监测的基础 上，建立 AFT 结构–浆液模型，并利用提出的简化 搅拌机及氧化风作用的数值模拟方法，进行流固 耦合分析，旨在研究 AFT 结构产生振动的原因，明 确结构振动机制，为此类结构设计提供参考依据. 1 工程背景 实测工程选取某发电厂 AFT 结构，此 AFT 结 构截至 2021 年底已服役 4 a，AFT 结构下部钢筋混 凝土柱高 13 m，上部浆液钢罐内常持液高为 18 m， 最高可达 20 m，罐直径 11 m，如图 1 所示. 同时钢 罐上布置有 2 层共 6 个搅拌机作用于内部浆液，以 及 3 个氧化风管道鼓入浆液，如图 2 所示结构与设 备设置图. 结构长期处于高温碱性环境，与结构相 连的各种管道布置复杂，以及超重钢罐置于楼上 的结构布置等因素均不利于结构稳定. · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
宋波等：基于微振动监测的AFT厂房结构-浆液耦合振动特性 3 构与外部保护塔架无固接，在平台人口处存在结 构与塔架之间的缝隙，且光线明亮，即在此处设置 视频监测测点，记录28sAFT结构的运动轨迹视 频画面 External protection tower Upper steel tank Entrance of access platform Steel frame platform 图1AFT结构现场图 Fig.1 AFT structure site drawing Structural column (a)Oxidation (b) wind Gap between structure L Serous Serous and tower Mixer Mixer 图4结构背立面示意及视频监测位置 Fig.4 Schematic diagram of the structure's back elevation and the video 图2结构与设备的设置.(a)搅拌机与氧化风立面布置：(b)搅拌机 monitoring position 平面布置 Fig.2 Structure and equipment set:(a)vertical layout of the mixer and 把AFT结构运动视频画面首帧进行分块并设 the oxidation wind:(b)plane layout of the mixer 置y坐标系，如图5所示，下侧框区域在实际结 结构柱在长期的振动作用下，底部结构中柱 构中不发生位移变化，该区域在视频中的位移可 与填充墙之间出现明显裂缝，如图3所示结构底 视为视频抖动区，对分析AFT结构运动有扰，因此 部裂缝，结构中梁柱节点外观未出现明显裂缝，但 需要进行过滤处理，上侧框的区域则是实际的运 整体结构振动明显，其位移不容忽视 动区域.选取图中标记的静点S、动点M为研究 对象，分别定位两个标记点的运动轨迹，并逐帧分 析其像素位置，点的像素位置变化形成一系列的 点，即S点、M点连成的轨迹 (a) (b) 图3结构底部裂缝 Fig.3 Cracks at the bottom of the structure 图5S点(a)和M点(b)运动轨迹 2AFT结构微振动监测与振动响应分析 Fig.5 Motion track of S(a)and M points(b) 结构微振动监测采用运动轨迹监测及局部监 对S点、M点的运动轨迹，每隔4s取一帧图 测相结合的方法，因此所使用到的设备主要有： 像提取点，如图6所示.可以看出，M点的轨迹前 (1)摄像机：(2)941B拾振器：(3)动态信号测试分 20s呈现为x轴负向位移，这主要是受S点轨迹影 析软件：(4)D1000动态系统数据接收采集仪 响.还需对视频抖动进行过滤处理，这样得到的轨 2.1运动轨迹监测与分析 迹近似可说明AFT结构运动的规律.将红色圆的 对AFT结构整体的运动轨迹记录时，AFT上 运动追踪M点，将黑色圆的运动追踪S点，这样设 部钢罐结构周围布置着螺旋式钢架梯，此钢架梯 置后，M点与红色圆同步运动，S点与黑色圆同步运 平台入口的结构标高为18m,图4为结构背立面 动，最后将黑色圆稳定，即设置为不动点，那么再次 示意图及视频监测部位的相对位置.由于AFT结 追踪红色圆的运动轨迹即为结构的实际运动轨迹
结构柱在长期的振动作用下，底部结构中柱 与填充墙之间出现明显裂缝，如图 3 所示结构底 部裂缝，结构中梁柱节点外观未出现明显裂缝，但 整体结构振动明显，其位移不容忽视. External Inside 图 3 结构底部裂缝 Fig.3 Cracks at the bottom of the structure 2 AFT 结构微振动监测与振动响应分析 结构微振动监测采用运动轨迹监测及局部监 测相结合的方法，因此所使用到的设备主要有： （1）摄像机；（2）941B 拾振器；（3）动态信号测试分 析软件；（4）D1000 动态系统数据接收采集仪. 2.1 运动轨迹监测与分析 对 AFT 结构整体的运动轨迹记录时，AFT 上 部钢罐结构周围布置着螺旋式钢架梯，此钢架梯 平台入口的结构标高为 18 m，图 4 为结构背立面 示意图及视频监测部位的相对位置. 由于 AFT 结 构与外部保护塔架无固接，在平台入口处存在结 构与塔架之间的缝隙，且光线明亮，即在此处设置 视频监测测点，记录 28 s AFT 结构的运动轨迹视 频画面. Gap between structure and tower Structural column Steel frame platform Entrance of access platform Upper steel tank External protection tower 图 4 结构背立面示意及视频监测位置 Fig.4 Schematic diagram of the structure’s back elevation and the video monitoring position 把 AFT 结构运动视频画面首帧进行分块并设 置 x-y 坐标系，如图 5 所示，下侧框区域在实际结 构中不发生位移变化，该区域在视频中的位移可 视为视频抖动区，对分析 AFT 结构运动有扰，因此 需要进行过滤处理，上侧框的区域则是实际的运 动区域. 选取图中标记的静点 S、动点 M 为研究 对象，分别定位两个标记点的运动轨迹，并逐帧分 析其像素位置，点的像素位置变化形成一系列的 点，即 S 点、M 点连成的轨迹. M y x (a) S (b) 图 5 S 点（a）和 M 点（b）运动轨迹 Fig.5 Motion track of S (a) and M points (b) 对 S 点、M 点的运动轨迹，每隔 4 s 取一帧图 像提取点，如图 6 所示. 可以看出，M 点的轨迹前 20 s 呈现为 x 轴负向位移，这主要是受 S 点轨迹影 响. 还需对视频抖动进行过滤处理，这样得到的轨 迹近似可说明 AFT 结构运动的规律. 将红色圆的 运动追踪 M 点，将黑色圆的运动追踪 S 点，这样设 置后，M 点与红色圆同步运动，S 点与黑色圆同步运 动，最后将黑色圆稳定，即设置为不动点，那么再次 追踪红色圆的运动轨迹即为结构的实际运动轨迹. 图 1 AFT 结构现场图 Fig.1 AFT structure site drawing (a) Oxidation wind (b) Mixer Mixer Serous Serous 图 2 结构与设备的设置. （a）搅拌机与氧化风立面布置；（b）搅拌机 平面布置 Fig.2 Structure and equipment set: (a) vertical layout of the mixer and the oxidation wind; (b) plane layout of the mixer 宋 波等： 基于微振动监测的 AFT 厂房结构–浆液耦合振动特性 · 3 ·
4 工程科学学报，第44卷，第X期 Spoint at 0 s S point at 12s S point at 20 s S point at 28 s Mpoint at 0s M point at 12 s M point at 20 s M point at 28s 图6S、M点各个时刻的位移轨迹 Fig.6 Displacement tracks of S and M points at each time 现假定0s时，红色圆与黑色圆重合，绘制各 2.2AFT结构振动监测及振动响应分析 个时刻的相对位置.如图7所示，运动在前12s 对AFT结构局部则点加速度及位移时，监 内，相对位移较小且运动频率较大，有复位现象存 点共9个，布置如下：AFT结构底部沿中柱中心对 在，后8s的运动轨迹保持在x轴及y轴的负向运 称共布置5个，AFT上部钢筒沿竖向布置4个，竖 动，相对位移较大并难以复位，发现此现象的原因 向1、2、3、4测点分别对应钢罐底部、上层搅拌机 正是上部结构所受的不平衡扰力，这种扰力又以 处、浆液液面处、钢罐顶部，如图8所示 搅拌作用主导、氧化风鼓入加剧，导致AFT结构 振动的规律难寻 (a) (b) G D F 0s 12s 图8加速度及位移测点布置图.(a)底部B柱测点布置：(b)底部柱 测点：(c)上部测点布置 20s 28s Fig.8 Layout of acceleration and displacement measuring points:(a) 图7AFT结构运动轨迹示意图 layout of the measuring points of the B-pillar at the bottom;(b)bottom Fig.7 Schematic diagram of the AFT structure movement track column measuring point;(c)arrangement of upper measuring points
S point at 0 s S point at 12 s S point at 20 s S point at 28 s Mpoint at 0 s M point at 12 s M point at 20 s M point at 28 s 图 6 S、M 点各个时刻的位移轨迹 Fig.6 Displacement tracks of S and M points at each time 现假定 0 s 时，红色圆与黑色圆重合，绘制各 个时刻的相对位置. 如图 7 所示，运动在前 12 s 内，相对位移较小且运动频率较大，有复位现象存 在，后 8 s 的运动轨迹保持在 x 轴及 y 轴的负向运 动，相对位移较大并难以复位，发现此现象的原因 正是上部结构所受的不平衡扰力，这种扰力又以 搅拌作用主导、氧化风鼓入加剧，导致 AFT 结构 振动的规律难寻. 0 s y x 20 s 28 s 12 s 图 7 AFT 结构运动轨迹示意图 Fig.7 Schematic diagram of the AFT structure movement track 2.2 AFT 结构振动监测及振动响应分析 对 AFT 结构局部测点加速度及位移时，监测 点共 9 个，布置如下：AFT 结构底部沿中柱中心对 称共布置 5 个，AFT 上部钢筒沿竖向布置 4 个，竖 向 1、2、3、4 测点分别对应钢罐底部、上层搅拌机 处、浆液液面处、钢罐顶部，如图 8 所示. (c) 4 3 2 1 G D A y B x F E C (a) (b) 图 8 加速度及位移测点布置图. （a）底部 B 柱测点布置；（b）底部柱 测点；（c）上部测点布置 Fig.8 Layout of acceleration and displacement measuring points: (a) layout of the measuring points of the B-pillar at the bottom; (b) bottom column measuring point; (c) arrangement of upper measuring points · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
宋波等：基于微振动监测的AT厂房结构-浆液耦合振动特性 5 结构现场监测需明确两个问题，其一是在搅 位移监测 拌机开机及氧化风鼓入时AFT结构的振动响应呈 监测工况①时，沿竖向高度方向1、2、3、4测 现何种分布，其二是搅拌机开机及有无氧化风鼓 点的加速度及位移时程曲线如图9所示，测点加 入时结构的位移增幅情况，设置以下两种监测工 速度及位移最大值分布如图10所示，钢罐底部加 况：①搅拌机开机及氧化风鼓入时对AFT结构柱 速度最大为0.9782ms2,各点的加速度沿钢罐高 与钢罐进行振动位移和加速度监测：②仅搅拌机 度增加而先减后增，浆液液面对应的结构高度处 开机，即无氧化风鼓入时对AFT结构柱进行振动 为加速度最小值 1.0 (a) -Point 1---Point 2 10(b) Point1---·Point2 Point 3 Point 4 --Point3+Point4 0.5 6 0.0 -0.5 6 8 10 12 2 6 Time/s Time/s 图9钢罐测点加速度时程(a)及位移时程曲线(b) Fig.9 Time history curves of acceleration(a)and displacement(b) (a) Acceleration 9.0 -Displacement 1.0F 8.8 08 8.6 0.6 8.2 8.0 0.4 7.8 7.6 0.2 7.4 7.2 3 Vertical monitoring points along tank height Vertical monitoring points along tank height 因10钢罐测点加速度(a)及位移蜂值分布(b) Fig.10 Peak distribution of the acceleration (a)and displacement(b)at measuring points of the steel tank 从图10(b)中可以看出1、2、3、4各点的位移 幅值总体上沿高度增大，位移值轻微增长，罐顶位 移值为9.022mm.监测工况①时，A、B、C、D、 E柱的加速度时程曲线分析，其频谱如图11所示， 其峰值对应的频率主要集中在11.56Hz,E柱振幅 B 为0.031ms2,除A柱外，在15~20Hz频段之间 各柱的加速度频谱都存在多个峰值，其他频段振 幅较小 将监测工况①、②的监测结果对比，当搅拌机 10 20 30 Frequency/Hz 开机时，有无氧化风鼓入的A、B、C、D、E柱的位 图11结构柱加速度颜谐分析 移峰值如图12(a)所示，振动响应增减明显，各柱 Fig.11 Spectrum analysis of the structural column acceleration 之间的幅值增减不同.另外从图12(b)所示的结 构中的氧化风不再鼓入时，即浆液只在搅拌机作 构B柱的位移曲线对比可以明显看出，当AFT结 用下，B柱监测到的位移峰值减小55.34%.为此可
结构现场监测需明确两个问题，其一是在搅 拌机开机及氧化风鼓入时 AFT 结构的振动响应呈 现何种分布，其二是搅拌机开机及有无氧化风鼓 入时结构的位移增幅情况，设置以下两种监测工 况：①搅拌机开机及氧化风鼓入时对 AFT 结构柱 与钢罐进行振动位移和加速度监测；②仅搅拌机 开机，即无氧化风鼓入时对 AFT 结构柱进行振动 位移监测. 监测工况①时，沿竖向高度方向 1、2、3、4 测 点的加速度及位移时程曲线如图 9 所示，测点加 速度及位移最大值分布如图 10 所示，钢罐底部加 速度最大为 0.9782 m·s−2，各点的加速度沿钢罐高 度增加而先减后增，浆液液面对应的结构高度处 为加速度最小值. 0 2 4 6 8 10 12 (b) −1.0 −0.5 0.0 0.5 1.0 Time/s Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 0 2 4 6 8 10 12 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 Displacement/mm Time/s Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 Acceleration/(m·s−2 ) (a) 图 9 钢罐测点加速度时程（a）及位移时程曲线（b） Fig.9 Time history curves of acceleration (a) and displacement (b) (b) 1 2 3 4 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 Displacement/mm Vertical monitoring points along tank height Displacement (a) 1 2 3 4 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Vertical monitoring points along tank height Acceleration Acceleration/(m·s−2 ) 图 10 钢罐测点加速度（a）及位移峰值分布（b） Fig.10 Peak distribution of the acceleration (a) and displacement (b) at measuring points of the steel tank 从图 10（b）中可以看出 1、2、3、4 各点的位移 幅值总体上沿高度增大，位移值轻微增长，罐顶位 移 值 为 9.022 mm. 监测工况①时 ， A、 B、 C、 D、 E 柱的加速度时程曲线分析，其频谱如图 11 所示， 其峰值对应的频率主要集中在 11.56 Hz，E 柱振幅 为 0.031 m·s−2 ，除 A 柱外，在 15～20 Hz 频段之间 各柱的加速度频谱都存在多个峰值，其他频段振 幅较小. 将监测工况①、②的监测结果对比，当搅拌机 开机时，有无氧化风鼓入的 A、B、C、D、E 柱的位 移峰值如图 12（a）所示，振动响应增减明显，各柱 之间的幅值增减不同. 另外从图 12（b）所示的结 构 B 柱的位移曲线对比可以明显看出，当 AFT 结 构中的氧化风不再鼓入时，即浆液只在搅拌机作 用下，B 柱监测到的位移峰值减小 55.34%. 为此可 0 10 20 30 0.00 0.00 0.01 0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.00 0.01 0.01 0.02 0.00 0.01 0.01 0.02 0.00 0.01 0.02 0.03 Frequency/Hz A B C D E Acceleration amplitude/(m·s−2 ) 图 11 结构柱加速度频谱分析 Fig.11 Spectrum analysis of the structural column acceleration 宋 波等： 基于微振动监测的 AFT 厂房结构–浆液耦合振动特性 · 5 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 判断结构在运转期间各部位受力分布不均，同时 种原因是搅拌机、氧化风等振源位于上部结构所 也可判断结构自下而上的振动响应越来越大的一 导致 6.5(a) With oxidation wind 6 6.0 Without oxidation wind 5.0 4.5 f一With oxidation wind 40 ...Without oxidation wind 35 3.0 D 4 681012 Structural column number Time/s 图12有无氧化风作用下结构位移对比.()结构各柱位移峰值对比：(b)结构B柱位移曲线对比 Fig.12 Comparison of the structural displacement with and without oxidation wind:(a)comparison of the peak displacement of each column;(b) comparison of displacement curves of the structural B column 如图13所示的频谱对比中可以看出，结构位 边柱700mm×700mm.结构-浆液边界设为流固耦 移在0~3Hz时幅值最大并且集中，其他频段的幅 合边界条件，即图14(a)所示的黄色区域，浆液液 值较小.有无氧化风鼓入时，B柱的位移频谱幅值 面设为自由液面.结构柱、圈梁采用8节点3D 减小了52.30%，综上所知，结构在有氧化风鼓入时， Solid单元划分网格，采用胶结网格连接，板同样采 其振动响应明显强于无氧化风鼓入的情况.即由 用8节点3D-Solid单元划分，柱与梁板相近节点采 此可知，结构主要由搅拌机引起，上部钢罐的浆液 用刚性连接，协同变形：浆液沿环向分为12部分， 内鼓入氧化风使整体结构振动响应增大，振动现 沿高度分为10部分，采用8节点3D-Fluid单元划 象更加明显 分，加载时间为12s,计算模型如图14所示，具体 材料计算参数见表1. 1.8 11.74 With oxidation wind 1.6 ---'Without oxidation wind 1.4 Oxidation 1.2 a (b) wind loading 1.0 0.83 Mixer 0.8 loading 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 X.YE 0 5 1015 20 25 Frequency/Hz 图14AFT结构计算模型.(a)AFT.Structure模型；(b)AFT-CFD模型 图13B柱有无氧化风鼓入位移额谱对比 Fig.14 AFT structural calculation model:(a)AFT structure model;(b) Fig.13 Displacement spectrum comparison of the B column with or AFT-CFD model without blowing of the oxidation wind 表1模型计算参数 AFT结构-浆液搅拌与氧化风作用的简 Table 1 Model calculation parameters 化模拟方法与验证 Material Elastic modulus/Pa Density/(kg'm) Poisson's ratio Concrete 3.1×100 2550 0.2 3.1简化的AFT结构数值模拟方法 Steel 2.06×101 7850 0.3 以AFT现场结构为基础，利用ADNA有限元 Material Viscosity Density 分析软件建立计算模型.结构下部的混凝土底板 Fluid 0.02 1250 标高13.0m,上部钢罐罐顶标高34.5m.钢罐以 Sheel单元建立，厚度为14mm,罐高21500mm;底 针对AFT结构提出一种简化的搅拌机及氧化 部柱高13000mm,中柱横截面800mm×800mm, 风作用的模拟方法，尝试提高计算效率.第一层搅
判断结构在运转期间各部位受力分布不均，同时 也可判断结构自下而上的振动响应越来越大的一 种原因是搅拌机、氧化风等振源位于上部结构所 导致. (a) A B C D E 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 Displacement/mm Structural column number With oxidation wind Without oxidation wind (b) 0 2 4 6 8 10 12 −6 −4 −2 0 2 4 6 Displacement/mm Time/s With oxidation wind Without oxidation wind 图 12 有无氧化风作用下结构位移对比. （a）结构各柱位移峰值对比；（b）结构 B 柱位移曲线对比 Fig.12 Comparison of the structural displacement with and without oxidation wind: (a) comparison of the peak displacement of each column; (b) comparison of displacement curves of the structural B column 如图 13 所示的频谱对比中可以看出，结构位 移在 0～3 Hz 时幅值最大并且集中，其他频段的幅 值较小. 有无氧化风鼓入时，B 柱的位移频谱幅值 减小了 52.30%，综上所知，结构在有氧化风鼓入时， 其振动响应明显强于无氧化风鼓入的情况. 即由 此可知，结构主要由搅拌机引起，上部钢罐的浆液 内鼓入氧化风使整体结构振动响应增大，振动现 象更加明显. 0 5 10 15 20 25 −0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Displacement amplitude/mm Frequency/Hz With oxidation wind Without oxidation wind 1.74 0.83 图 13 B 柱有无氧化风鼓入位移频谱对比 Fig.13 Displacement spectrum comparison of the B column with or without blowing of the oxidation wind 3 AFT 结构–浆液搅拌与氧化风作用的简 化模拟方法与验证 3.1 简化的 AFT 结构数值模拟方法 以 AFT 现场结构为基础，利用 ADINA 有限元 分析软件建立计算模型. 结构下部的混凝土底板 标高 13.0 m，上部钢罐罐顶标高 34.5 m. 钢罐以 Sheel 单元建立，厚度为 14 mm，罐高 21500 mm；底 部柱高 13000 mm，中柱横截面 800 mm×800 mm， 边柱 700 mm×700 mm. 结构–浆液边界设为流固耦 合边界条件，即图 14（a）所示的黄色区域，浆液液 面设为自由液面. 结构柱、圈梁采用 8 节点 3DSolid 单元划分网格，采用胶结网格连接，板同样采 用 8 节点 3D-Solid 单元划分，柱与梁板相近节点采 用刚性连接，协同变形；浆液沿环向分为 12 部分， 沿高度分为 10 部分，采用 8 节点 3D-Fluid 单元划 分，加载时间为 12 s，计算模型如图 14 所示，具体 材料计算参数见表 1. (a) X Y Z (b) X Y Oxidation wind loading Mixer loading Z 图 14 AFT 结构计算模型. （a）AFT- Structure 模型；（b）AFT-CFD 模型 Fig.14 AFT structural calculation model: (a) AFT structure model; (b) AFT-CFD model 表 1 模型计算参数 Table 1 Model calculation parameters Material Elastic modulus/Pa Density/(kg·m−3) Poisson's ratio Concrete 3.1×1010 2550 0.2 Steel 2.06×1011 7850 0.3 Material Viscosity Density Fluid 0.02 1250 针对 AFT 结构提出一种简化的搅拌机及氧化 风作用的模拟方法，尝试提高计算效率. 第一层搅 · 6 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
宋波等：基于微振动监测的AFT厂房结构-浆液耦合振动特性 7 拌机加载高度为13~15m,第二层搅拌机加载高 表2加载工况对比表 度为19~21m,每层3个，图14(b)为搅拌机的相 Table 2 Comparison of the loading case 对位置及搅拌机与氧化风加载图.数值模拟中对 Working If there is oxidation Simulation loading size of condition wind mixer/(m's) 搅拌机作用处的浆液进行射流加载，即对浆液施 No 加速度荷载 b Yes 1 由监测数据可知，氧化风的鼓入增大了结构 No 的振动响应，即加强了对浆液的扰动效果，故采用 Yes 2 造波理论向对氧化风作用进行模拟，选取有下部 搅拌机作用的3处浆液液面施加正弦荷载.搅拌 3.2 流固耦合模拟结果分析 机及氧化风数值模拟的加载大小需考虑搅拌机型 为与监测测点保持一致，便于分析，沿上部 号及转速等、氧化风风速、风管直径、浆液密度、 钢罐高度提取钢罐底部、上层搅拌机处、液面处 钢罐直径等各种因素，因此在计算时控制氧化风 以及罐顶的数据，标记为1、2、3、4点.工况b、 的加载条件不变，从而通过改变搅拌机的加载大 d作用下，各提取点x向位移响应如图l5(a)、 小来设置计算工况.经多种计算工况的试验，以周 (b)所示，工况d的位移时程曲线相比工况b更 期为2s、幅值为1.5ms的加载方式较为适宜. 为浮动，工况d最大绝对位移为4点处的8.80mm, 同样地，搅拌机按1.0ms、2.0ms的加载大小. 而工况b的最大绝对位移为4点处的5.88mm. 又因为结构监测了暂停氧化风鼓人的工况，模拟 工况b、d的加速度响应如图15(c)、(d)所示，工 时为保持一致，也考虑氧化风是否加载，于是计算 况d各点的加速度分布较工况b而言变化更加 共分为4种工况，见表2所示 复杂 0.006 -Point 1 --Point 2 (a) 0.010 (b) Point 3- 0.008 0.004 0.00 0.004 0.002 0.002 0.000 0.00 -0.002 -0.002 -0.004 -0.006 -0.004 -0.008 -Point 1 -Point 2 -0.010 .·Point3-- Point 4 -0.006 0 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 Time/s Time/s 1.5 0.8 (c) -Point I -Point 2 Point 1 --Point 2 (d) ..Point 3 --Point 4 .Point 3 --Point 4 0 04 0.5 0.0 0.0 -0.2 0.5 04 -1.0 -0.6 0 6 10 0 4681012 Time/s Time/s 图15沿罐高位移及加速度时程曲线.(a)工况b沿罐高的x向位移时程：(b)工况d沿罐高的位移时程：(c)工况b沿罐高加速度时程：(d)工况 d沿罐高加速度时程 Fig.15 Displacement and acceleration time history curves along the tank height:(a)x-direction displacement time history of Conditionb along the tank height,(b)displacement time history of Conditiond along the tank height;(c)acceleration time history of working Conditionb along the tank height;(d) acceleration time history of working Conditiond along the tank height
拌机加载高度为 13～15 m，第二层搅拌机加载高 度为 19～21 m，每层 3 个，图 14（b）为搅拌机的相 对位置及搅拌机与氧化风加载图. 数值模拟中对 搅拌机作用处的浆液进行射流加载，即对浆液施 加速度荷载. 由监测数据可知，氧化风的鼓入增大了结构 的振动响应，即加强了对浆液的扰动效果，故采用 造波理论[6] 对氧化风作用进行模拟，选取有下部 搅拌机作用的 3 处浆液液面施加正弦荷载. 搅拌 机及氧化风数值模拟的加载大小需考虑搅拌机型 号及转速等、氧化风风速、风管直径、浆液密度、 钢罐直径等各种因素，因此在计算时控制氧化风 的加载条件不变，从而通过改变搅拌机的加载大 小来设置计算工况. 经多种计算工况的试验，以周 期为 2 s、幅值为 1.5 m·s−1 的加载方式较为适宜. 同样地，搅拌机按 1.0 m·s−1、2.0 m·s−1 的加载大小. 又因为结构监测了暂停氧化风鼓入的工况，模拟 时为保持一致，也考虑氧化风是否加载，于是计算 共分为 4 种工况，见表 2 所示. 表 2 加载工况对比表 Table 2 Comparison of the loading case Working condition If there is oxidation wind Simulation loading size of mixer/(m·s−1) a No 1 b Yes 1 c No 2 d Yes 2 3.2 流固耦合模拟结果分析 为与监测测点保持一致，便于分析，沿上部 钢罐高度提取钢罐底部、上层搅拌机处、液面处 以及罐顶的数据，标记为 1、 2、 3、 4 点. 工况 b、 d 作用下，各提取 点 x 向位移响应如 图 15（ a） 、 （ b）所示，工况 d 的位移时程曲线相比工况 b 更 为浮动，工况 d 最大绝对位移为 4 点处的 8.80 mm， 而 工 况 b 的最大绝对位移 为 4 点 处 的 5.88 mm. 工况 b、d 的加速度响应如图 15（c）、（d）所示，工 况 d 各点的加速度分布较工况 b 而言变化更加 复杂. 0 2 4 6 8 10 12 −0.006 −0.004 −0.002 0.000 0.002 0.004 0.006 Displacement/m Time/s Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 0 2 4 6 8 10 12 −0.6 −0.4 −0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Time/s Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 Acceleration/(m·s−2 ) 0 2 4 6 8 10 12 −0.010 −0.008 −0.006 −0.004 −0.002 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 Displacement/m Time/s Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 −2 0 2 4 6 8 10 12 −1.5 −1.0 −0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 Time/s Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 Acceleration/(m·s−2 ) (a) (c) (d) (b) 图 15 沿罐高位移及加速度时程曲线. （a）工况 b 沿罐高的 x 向位移时程；（b）工况 d 沿罐高的位移时程；（c）工况 b 沿罐高加速度时程；（d）工况 d 沿罐高加速度时程 Fig.15 Displacement and acceleration time history curves along the tank height: (a) x-direction displacement time history of Conditionb along the tank height; (b) displacement time history of Conditiond along the tank height; (c) acceleration time history of working Conditionb along the tank height; (d) acceleration time history of working Conditiond along the tank height 宋 波等： 基于微振动监测的 AFT 厂房结构–浆液耦合振动特性 · 7 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 如图16所示，工况d的AFT结构x向位移云 1-DISPLACEMENT TME12.00 图可以看出，从下至上结构位移值逐步增大，在下 部结构的梁柱节点处也存在着较大的位移变形， 这与现场监测时结构底部出现明显裂缝相对应 如图17(a)所示，可以看出各工况随加载大小的 增加，位移值逐步提高.如图17(b)所示，工况a、b、 c、d的最大加速度均在钢罐底部，其分布形式都 是先减小后增大.工况d与监测工况①相比，即都是 在搅拌机开机及氧化风鼓入的情况下，1、2、3、4点 的位移模拟值与监测值的平均差为0.345mm,而 图16工况d的AFT结构位移云图 加速度模拟值与监测值的平均差为0.0087ms2 Fig.16 Displacement nephogram of the AFT structure in Condition d 11 (a) (b) 1.0 -Monitoring Condition D 10 Stmulated0mdt山ona -Simulated Condition b Simulated Condition a 9 Simulated Condition e Simulaled Condition Simulated Condition b Simulated Condition e 8 0.8 Simulated Condition d 6 4 。一 0.2 2 。一一一一 0.0 2 3 Along the tank height vertical monitoring Along the tank height vertical monitoring points/extraction points points/extraction points 图17各工况沿罐高的位移峰值(a)及加速度峰值(b)对比 Fig.17 Comparison of the peak values of displacement(a)and acceleration(b)along the tank height under different working conditions 图18为AFT下部结构柱监测位移与各工况 对工况d沿罐高的1、2、3、4点位移及加速度 模拟的柱位移峰值对比，工况c与监测工况② 时程曲线做频谱分析，从图19的(a)中可以看出， 相比，即都是在搅拌机开机且无氧化风鼓入的情 当频率为0.748Hz时，沿罐高的1、2、3、4点均达 况下，各柱的位移模拟值与监测值平均差的为 到位移峰值，4点的位移峰值为5.39mm. 0.3mm,而工况d考虑了氧化风的加载后，工况 由图19(b)可以看出，当频率0.78Hz时，沿罐 d与监测工况①相比，位移模拟值与监测值的平均 高的1、2、3、4点均达到加速度峰值，1点的加速 差为0.22mm 度峰值为0.35ms2,结合上述分析，验证了简化搅 拌机及氧化风作用的模拟方法快捷、有效.与此 Monitoring Condition①◆ Monitoring Condition2 同时监测及模拟结果还表明：上部钢罐内部的两 Si▣ated Condition a Simulated Condition b -Simulated Coodition c Simulated Condition d 层搅拌机作用于浆液时，搅拌机的运转不同步性、 浆液内部流速分布不同等引起结构各柱、上部钢 5 罐不同位置的动力响应规律不同；氧化风鼓入作 用导致浆液内部流速分布更加不均，使结构各柱、 上部钢罐不同位置的动力响应规律差异性更大 4结论 B C D (1)通过对结构进行动态视频分析，研究了结 Structural column number 构运动轨迹的规律，对复杂的AFT厂房结构，采用 图18结构柱各工况的位移峰值对比 Fig.18 Comparison of the peak displacement of the structural column 现场视频监测的方法可快速明确结构运动轨迹 under different working conditions (2)根据结构加速度及位移监测，定量分析结
如图 16 所示，工况 d 的 AFT 结构 x 向位移云 图可以看出，从下至上结构位移值逐步增大，在下 部结构的梁柱节点处也存在着较大的位移变形， 这与现场监测时结构底部出现明显裂缝相对应. 如图 17（a）所示，可以看出各工况随加载大小的 增加，位移值逐步提高. 如图 17（b）所示，工况 a、b、 c、d 的最大加速度均在钢罐底部，其分布形式都 是先减小后增大. 工况 d 与监测工况①相比，即都是 在搅拌机开机及氧化风鼓入的情况下，1、2、3、4 点 的位移模拟值与监测值的平均差为 0.345 mm，而 加速度模拟值与监测值的平均差为 0.0087 m·s−2 . 0.007800 TIME 12.00 Z X Y 1-DISPLACEMENT 0.006600 0.005400 0.004200 0.003000 0.001800 0.000600 图 16 工况 d 的 AFT 结构位移云图 Fig.16 Displacement nephogram of the AFT structure in Condition d 1 2 3 4 (a) (b) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Displacement/mm Along the tank height vertical monitoring points/extraction points Monitoring Condition ① Simulated Condition a Simulated Condition b Simulated Condition c Simulated Condition d 1 2 3 4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Along the tank height vertical monitoring points/extraction points Monitoring Condition ① Simulated Condition a Simulated Condition b Simulated Condition c Simulated Condition d Acceleration/(m·s−2 ) 图 17 各工况沿罐高的位移峰值（a）及加速度峰值（b）对比 Fig.17 Comparison of the peak values of displacement (a) and acceleration (b) along the tank height under different working conditions 图 18 为 AFT 下部结构柱监测位移与各工况 模拟的柱位移峰值对比 ，工况 c 与监测工况② 相比，即都是在搅拌机开机且无氧化风鼓入的情 况下，各柱的位移模拟值与监测值平均差的为 0.3 mm，而工况 d 考虑了氧化风的加载后，工况 d 与监测工况①相比，位移模拟值与监测值的平均 差为 0.22 mm. A B C D E 1 2 3 4 5 6 7 8 Displacement/mm Structural column number Monitoring Condition ① Monitoring Condition② Simulated Condition a Simulated Condition b Simulated Condition c Simulated Condition d 图 18 结构柱各工况的位移峰值对比 Fig.18 Comparison of the peak displacement of the structural column under different working conditions 对工况 d 沿罐高的 1、2、3、4 点位移及加速度 时程曲线做频谱分析，从图 19 的（a）中可以看出， 当频率为 0.748 Hz 时，沿罐高的 1、2、3、4 点均达 到位移峰值，4 点的位移峰值为 5.39 mm. 由图 19（b）可以看出，当频率 0.78 Hz 时，沿罐 高的 1、2、3、4 点均达到加速度峰值，1 点的加速 度峰值为 0.35 m·s−2，结合上述分析，验证了简化搅 拌机及氧化风作用的模拟方法快捷、有效. 与此 同时监测及模拟结果还表明：上部钢罐内部的两 层搅拌机作用于浆液时，搅拌机的运转不同步性、 浆液内部流速分布不同等引起结构各柱、上部钢 罐不同位置的动力响应规律不同；氧化风鼓入作 用导致浆液内部流速分布更加不均，使结构各柱、 上部钢罐不同位置的动力响应规律差异性更大. 4 结论 （1）通过对结构进行动态视频分析，研究了结 构运动轨迹的规律，对复杂的 AFT 厂房结构，采用 现场视频监测的方法可快速明确结构运动轨迹. （2）根据结构加速度及位移监测，定量分析结 · 8 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
宋波等：基于微振动监测的AFT厂房结构-浆液耦合振动特性 9 0.006 -Point 1 0.35 -Point 1 s0.005 -·-Point2 0.30 --Point 2 ··Point3 ·Point3 0.004 --Point 4 0.25 Point4 020 0.15 0.002 0.10 君001 0.05 0.00 Aww点山a 0.000 -0.05L 0 5 1015 20 25 0 510152025 Frequency/Hz Frequency/Hz 图19工况d频谱图.(a)位移频谱：(b)加速度频谱 Fig.19 Displacement(a)and acceleration spectra(b)of Condition d 构不同部位的振动响应，结构的振动主要有钢罐 Biennial ASCE Conference on Engineering.Science,Construction, 内搅拌机的作用造成结构振动，氧化风鼓入加剧 and Operations in Challenging Environments.Florida,2016:943 了结构振动，内部浆液运动的不规律性引起结构 [6]Ding Y.Ma R.Li N.A simulation model for three-dimensional 各部位动力响应的差异性，导致结构不同部位出 coupled wave-current flumes.Eng Mech,2015,32(10):68 (丁阳，马瑞，李宁.三维波流耦合水槽模拟模型.工程力学， 现不同程度的损伤 2015.32(10):68) (3)提出了简化搅拌机与氧化风作用的模拟 [7]Shi Y,Shu G Q,Bi F R.Acoustic characteristics simulation of 方法，并验证了此方法简单、快捷、有效.将AFT engine exhaust muffler based on CFD.J Vib Eng,2011,24(2): 结构的数值模拟工况d的计算结果与现场监测工 205 况①的结果对比发现，各点的位移及加速度响应 (石岩，舒歌群，毕凤荣.基于计算流体动力学的内燃机排气消 拟合，简化的模拟方法可为分析此类结构振动响 声器声学特性仿真.振动工程学报，2011,24(2)：205) 应、损伤机制以及加固设计提供参考 [8]BigoniC,Hesthaven JS.Simulation-based anomaly detection and damage localization:An application to structural health 参考文献 monitoring.Comput Methods Appl Mech Eng.2020,363:112896 [9]Limongelli M P,Giordano P F.Vibration-based damage [1]Li Y,Yang ZZ.Influence of key factors on lime-gypsum wet flue indicators:A comparison based on information entropy.JCiv gas desulfurization and two circulations per tower technology Struct Heal Monit,2020,10(2):251 Environ Eng,2016,34(1):69 [10]Wang X.The Reaction Process and Optimization of Flow Field in (李元，杨志忠湿法烟气脱硫关键影响因素及新型单塔双循环 Slurry Pond of WFGD Towers [Dissertation].Guangzhou:South 技术.环境工程，2016,34(1)：69) China University of Technology,2016 [2]Han P,Mao X J,Zhou L H,et al.Mechanism modeling for forced (王旭.湿法烟气脱硫塔浆液池内反应过程及流场优化学位论 oxidation system of flue gas desulfurization device.J North China 文].广州：华南理工大学，2016) Electr Power Univ,2006,33(5):60 [11]Zhang C W.Analytical study of transient coupling between vessel (韩璞，毛新静，周黎辉，等，湿法烟气脱硫中强制氧化系统的机 motion and liquid sloshing in multiple tanks.J Eng Mech,2016 理建模.华北电力大学学报，2006,33(5)：60) 142(7):04016034 [3]Chen J.Single-and Multi-Phase Flow Dynamics Simulations of the [12]Lu SS,Zhang Z F,Liu J B,et al.Passive suction and blowing Side-Entering Stirred Reactors [Dissertation].Shanghai:East flow control of wind-induced vibration of tall buildings.J Vib China University of Science and Technology,2013 Sh0ck,2021,40(11):7 (陈佳.侧进式搅拌反应器内均相及多相流体动力学的数值研 (卢姗姗，张志富，刘金博，等.高层建筑结构风致振动的被动吸 究学位论文].上海：华东理工大学，2013) 吹气流动控制研究.振动与冲击，2021,40(11)：7) [4]Xu G H.Gu X K.Investigation to the numerical simulation [13]Li Z L,Zhang L Z,Zhu X D,et al.Design and validation of approach for sloshing in tanks considering fluid-structure wireless dynamic testing system for bridge based on the 941B type interaction.J Ship Mech,2012,16(5):514 vibration sensor Il Ninth International Conference of Chinese (徐国徽，顾学康.液舱晃荡载荷数值模拟中的流固耦合影响研 Transportation Professionals (ICCTP).Harbin,2009:1 究.船舶力学，2012,16(5)：514) [14]Shi Y C,Li S Q,Li Z X,et al.Rapid evaluation method for blast [5]Xu Y X,Shao C F,Zheng D J,et al.Diagnosis of abnormal damage of reinforced concrete columns based on measured structural vibration for Xiaoshunjiang pumping station //15th frequency.J Build Struct,2021,42(11):155
构不同部位的振动响应，结构的振动主要有钢罐 内搅拌机的作用造成结构振动，氧化风鼓入加剧 了结构振动，内部浆液运动的不规律性引起结构 各部位动力响应的差异性，导致结构不同部位出 现不同程度的损伤. （3）提出了简化搅拌机与氧化风作用的模拟 方法，并验证了此方法简单、快捷、有效. 将 AFT 结构的数值模拟工况 d 的计算结果与现场监测工 况①的结果对比发现，各点的位移及加速度响应 拟合，简化的模拟方法可为分析此类结构振动响 应、损伤机制以及加固设计提供参考. 参 考 文 献 Li Y, Yang Z Z. Influence of key factors on lime-gypsum wet flue gas desulfurization and two circulations per tower technology. Environ Eng, 2016, 34（1）: 69 （李元, 杨志忠. 湿法烟气脱硫关键影响因素及新型单塔双循环 技术. 环境工程, 2016, 34（1）：69） [1] Han P, Mao X J, Zhou L H, et al. Mechanism modeling for forced oxidation system of flue gas desulfurization device. J North China Electr Power Univ, 2006, 33（5）: 60 （韩璞, 毛新静, 周黎辉, 等. 湿法烟气脱硫中强制氧化系统的机 理建模. 华北电力大学学报, 2006, 33（5）：60） [2] Chen J. Single-and Multi-Phase Flow Dynamics Simulations of the Side-Entering Stirred Reactors [Dissertation]. Shanghai: East China University of Science and Technology, 2013 （ 陈佳. 侧进式搅拌反应器内均相及多相流体动力学的数值研 究[学位论文]. 上海: 华东理工大学, 2013） [3] Xu G H, Gu X K. Investigation to the numerical simulation approach for sloshing in tanks considering fluid–structure interaction. J Ship Mech, 2012, 16（5）: 514 （徐国徽, 顾学康. 液舱晃荡载荷数值模拟中的流固耦合影响研 究. 船舶力学, 2012, 16（5）：514） [4] Xu Y X, Shao C F, Zheng D J, et al. Diagnosis of abnormal structural vibration for Xiaoshunjiang pumping station // 15th [5] Biennial ASCE Conference on Engineering, Science, Construction, and Operations in Challenging Environments. Florida, 2016: 943 Ding Y, Ma R, Li N. A simulation model for three-dimensional coupled wave-current flumes. Eng Mech, 2015, 32（10）: 68 （丁阳, 马瑞, 李宁. 三维波流耦合水槽模拟模型. 工程力学, 2015, 32（10）：68） [6] Shi Y, Shu G Q, Bi F R. Acoustic characteristics simulation of engine exhaust muffler based on CFD. J Vib Eng, 2011, 24（2）: 205 （石岩, 舒歌群, 毕凤荣. 基于计算流体动力学的内燃机排气消 声器声学特性仿真. 振动工程学报, 2011, 24（2）：205） [7] Bigoni C, Hesthaven J S. Simulation-based anomaly detection and damage localization: An application to structural health monitoring. Comput Methods Appl Mech Eng, 2020, 363: 112896 [8] Limongelli M P, Giordano P F. Vibration-based damage indicators: A comparison based on information entropy. J Civ Struct Heal Monit, 2020, 10（2）: 251 [9] Wang X. The Reaction Process and Optimization of Flow Field in Slurry Pond of WFGD Towers [Dissertation]. Guangzhou: South China University of Technology, 2016 （ 王旭. 湿法烟气脱硫塔浆液池内反应过程及流场优化[学位论 文]. 广州: 华南理工大学, 2016） [10] Zhang C W. Analytical study of transient coupling between vessel motion and liquid sloshing in multiple tanks. J Eng Mech, 2016, 142（7）: 04016034 [11] Lu S S, Zhang Z F, Liu J B, et al. Passive suction and blowing flow control of wind-induced vibration of tall buildings. J Vib Shock, 2021, 40（11）: 7 （卢姗姗, 张志富, 刘金博, 等. 高层建筑结构风致振动的被动吸 吹气流动控制研究. 振动与冲击, 2021, 40（11）：7） [12] Li Z L, Zhang L Z, Zhu X D, et al. Design and validation of wireless dynamic testing system for bridge based on the 941B type vibration sensor // Ninth International Conference of Chinese Transportation Professionals (ICCTP). Harbin, 2009: 1 [13] Shi Y C, Li S Q, Li Z X, et al. Rapid evaluation method for blast damage of reinforced concrete columns based on measured frequency. J Build Struct, 2021, 42（11）: 155 [14] 0 5 10 15 20 25 0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 Displacement amplitude/m Frequency/Hz Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 0 5 10 15 20 25 −0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 Frequency/Hz Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 Acceleration amplitude/(m·s−2 ) 图 19 工况 d 频谱图. （a）位移频谱；（b）加速度频谱 Fig.19 Displacement (a) and acceleration spectra (b) of Condition d 宋 波等： 基于微振动监测的 AFT 厂房结构–浆液耦合振动特性 · 9 ·
