《工程科学学报》：基于微振动监测的AFT厂房结构–浆液耦合振动特性（北京科技大学）.pdf

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 ·