摘要: 混凝土结构会因为长期使用而导致混凝土表面剥落然后钢筋出现锈蚀进而引起结构的损伤，本文利用Ansys对某转运矿石的转运站进行有限元分析，对结构的建模到对转运站进行模态分析进行详细介绍，并通过实测参数准确获取转运站的固有频率和振型。最后根据转运站的实际情况提出整改建议能够有效避免在使用过程中出现结构的共振，保证转运站安全运行。
Abstract: Concrete structure will be used for a long time and lead to concrete surface spalling and then steel corrosion caused by structural damage, this paper uses Ansys to carry out finite element analysis of a transfer station for transferring ore, from the modeling of the structure to the modal analysis of the transfer station is introduced in detail, and accurately obtain the intrinsic frequency and vibration pattern of the transfer station through the measured parameters. Finally, according to the actual situation of the transfer station to put forward rectification suggestions can effectively avoid the resonance of the structure in the process of use, to ensure the safe operation of the transfer station.
1. 引言
建筑的模态分析[1]在现代建筑工程中具有极其重要的意义。首先，它有助于评估建筑结构的动力特性。通过模态分析，可以确定结构的固有频率、振型和阻尼比等关键参数。了解固有频率能帮助我们判断建筑在受到外部动态荷载，如地震、风荷载、机器振动等作用时，是否会发生共振现象[2]。共振可能导致结构的严重破坏，因此提前掌握固有频率对于预防此类风险至关重要。其次，模态分析为结构设计优化提供了依据。在建筑设计阶段，通过分析结果，可以对结构的布局、构件尺寸和材料选择进行优化，以提高结构的抗震性能和抗风稳定性[3]。这有助于在保证结构安全的前提下，降低建筑成本，提高经济效益。某转运站因为使用时间较长，在该工作站工作的员工在转运站工作时有明显的振动感受，因此本文基于Ansys对某转运站的模态进行分析，并对其进行准确地评估。
2. 转运站有限元建模
首先根据转运站的建造图纸及现场数据对转运站进行有限元建模，该转运站为钢筋混凝土结构，具体建模过程如下所示：
1) 设置属性：输入现场所测的不同位置的混凝土的强度，钢筋和箍筋的强度。对钢筋笼的建模，首先绘制钢筋的中心线，根据钢筋笼的形状和钢筋的分布，在Ansys的建模空间中绘制出钢筋的中心线。然后定义单元类型：选择适合钢筋的单元类型，并设置相应的单元属性，如截面形状、材料属性等如图1所示。最后通过阵列等方法对整体的钢筋笼进行建模如图2所示。
2) 混凝土建模：通过拉伸对外部的混凝土柱、转运站楼板的建模进行建模，并完成各部分的连接，并设置其材料属性，如图3所示。
Figure 1. Modeling of reinforcing cage—partial
图1. 钢筋笼的建模——局部
Figure 2. Reinforcement cage—whole
图2. 钢筋笼——整体
Figure 3. Transfer station
图3. 转运站
3) 创建连接方式：设置钢筋之间的连接方式为绑定，关闭小滑移，搜索半径值为100 mm，设置钢筋与混凝土之间的连接方式为绑定，关闭小滑移。最后按照构件尺寸划分网格如图4所示。
Figure 4. Divided grid
图4. 划分网格
3. 转运站模态求解
1) 施加载荷与约束：将柱子底部均设置为固定约束。
2) 求解设置：在求解器设置中，指定求解方法和模态提取数量。常见的求解方法有分块兰索斯法(Block Lanczos) [4]、子空间法(Subspace) [5]等。并设定求解频率范围为1~10 Hz。
3) 求解计算：提交求解命令，Ansys会自动进行计算，求解出结构的固有频率和振型。
结果分析
1) 针对转运站设备不同运转工况，基于Ansys自动分析，获得转运站结构横纵横自振频率前阶分别为2.4846 Hz、2.5365 Hz、如图5、图6所示，根据所测数据频谱分析可以确定振源频率范围为1.202 Hz~4.251 Hz，由现场动力特性试验结果表明转运站结构异常振动是由于共振引起。
Figure 5. First-order modes
图5. 一阶模态
Figure 6. Second-order modes
图6. 二阶模态
2) 通过求解获得转运站结构三阶模态分别为5.308 Hz如图7所示。虽然在纵向没有直接的振源[6]，但是由于风的频率和方向并不稳定，并且转运站的周围是全封闭状态，所以很容易在多种原因的耦合作用下引起结构的异常振动[7]。
Figure 7. Third-order modes
图7. 三阶模态
4. 结论
通过利用Ansys进行模态分析，准确获取转运站的固有频率和振型。然后根据结果分析来看，实际测得振源频率在模拟所得出的自振频率范围内，所以引起异常振动的主要原因是结构产生共振现象，经过分析得出主要是因为转运站的年限使用时间较长，在横向强度较低，所以应该对柱子进行有效加固，对关键部位进行局部加强，增加加劲肋等，从而提高固有频率，避免工作时发生的共振。其次将转运站的纵向的刚度较低应该设置纵向支撑，或者将结构变成易于通风的状态，防止在多种因素耦合的作用下还能够确保能够有效避免共振，保证结构能够安全稳定的运行。