为了保护水资源与自然环境，国家发改委电力建设规划明确要求，在“富煤缺水”的三北地区建设燃煤火电厂禁止采用地下水、严格限制使用地上水.在国家政策的制约下，近年来火电厂直接空冷技术在我国北方地区火电建设中得到广泛的应用^[1]，直接空冷技术是利用自然界流动的空气对工艺流体进行冷却的一种方法，其核心技术就是采用空冷式换热器对高温蒸汽进行冷却，空冷式换热器使用的降温介质是取之不尽的冷空气，而不是宝贵的水资源.与水冷却方式比较，空冷式换热器具有冷源充足、节省水资源、减少环境污染、维护费用低廉等优点.其工作原理是：将蒸汽轮机低压缸内做功后产生的高温蒸汽直接送入空冷式换热器中，利用冷空气与换热器内的热蒸汽进行热交换，将高温蒸汽冷却为冷凝水后再次循环送入汽轮机组给水锅炉继续工作.

风机是空冷技术的主要动力系统，支承风机动力设备的风机桥架结构属于典型的动力机器基础.风机桥架结构形式一般为钢结构，其中桁架式风机桥架(德国GEA引进技术)是我国燃煤电厂使用较为普遍的结构形式.由于是从国外引进的技术，国内缺乏对风机桥架结构抗振性能的研究与认识，使得投入运行后的风机桥架结构振动问题十分突出，直接影响了采用空冷技术的燃煤电厂发电机组的正常工作.

燃煤发电机组运行时，风机动力系统按照不同的环境温度，利用风扇提供不同流量的冷空气，当风机动力系统工作时，电动机的转动必然会产生各种各样的谐振动或随机振动，这些振动不可避免地作用到风机桥架结构上，引起风机桥架产生不同程度的结构振动.如果风机桥架振动过大并超过安全允许值将会导致动力设备上的保护开关跳闸，使风机动力系统无法正常工作.调查结果表明^[2]，目前国内采用直接空冷技术的燃煤电厂或多或少都存在风机桥架结构的振动问题，某些电厂因为风机桥架振动过大不得不停机进行技术改造^[3].

出现上述问题的主要原因是：第一，忽略了风机桥架结构作为动力基础的基本功能.根据《动力机器基础设计规范》(GB 50040-96)^[4]的规定和要求，为了保证空冷岛风机动力系统中的电动机正常工作，规定作为动力基础的风机桥架的振动变形必须小于安全允许值.然而，在风机桥架结构设计时没有充分意识到风机桥架结构的变形限制，只是按1.5~2倍的动力放大系数考虑动力作用对风机桥架结构的影响.第二，对风机桥架结构整体的动力特性和抗振性能没有进行深入的研究.目前在我国采用直接空冷技术的燃煤电厂中，大多风机桥架结构设计基本上都是直接引用国外技术，风机桥架结构的制造和安装没有现成的规范和依据，具体操作时只能参照《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)^[5]，而结构的抗振设计更是风机桥架整体结构设计的盲区，涉及到结构抗振设计的细节问题大多只能按照一般钢结构设计规范处理.比如在处理风机桥架的连接方式时存在误区，按照钢结构设计理念，钢结构各构件之间的连接可以采用螺栓连接，其力学效果接近铰接，一旦结构在外部扰力作用下产生振动时，风机桥架结构的柔性连接可以产生较大的振动变形消耗振动能量，以此达到保护结构的目的.然而在空冷岛风机桥架中仍然使用这种连接方式，必然会使作为设备支承基础的风机桥架结构出现稳定性问题，因为一旦风机桥架结构振动变形过大，支承在风机桥架上的动力设备就无法正常工作.遗憾的是，我国燃煤电厂空冷岛上的风机桥架几乎无一例外都是采用的这种连接方式.风机桥架结构在大型钢结构空间桁架支承平台上的固定方式也存在同样问题.

针对上述问题，利用有限元分析方法^[6]，以实际工程中应用最为广泛的桁架式风机桥架结构为原型，对桁架式风机桥架结构进行了动力特性和抗振性能研究^[7]，计算分析了它们的结构固有频率和对应振型，获得了桁架式风机桥架结构前三阶固有自振频率以及各阶频率所对应的振型^[8].同时对比了风机桥架结构采用不同的连接方式的动力特性，指出了现有风机桥架结构设计中的问题，另外还分析了风机桥架与空冷岛钢桁架平台的固定方式对风机桥架抗振性能的影响.研究结果可以为桁架式风机桥架抗振设计提供参考依据，同时还可以为空冷系统动力设备的选型提供参考依据.

1 连接方式对桁架式风机桥架的影响 1.1 桁架式风机桥架结构特征

目前在我国燃煤电厂空冷岛中采用的桁架式风机桥架结构基本已经定型，桥架主要构件为两侧的两榀桁架，每榀桁架下弦为1根H型钢，上弦为TUB方钢管，上下弦之间布置有数根竖向腹杆和斜向腹杆，并通过焊接方式将H型钢梁与TUB钢管梁连接形成一榀桁架，由于竖直方向的振动扰力对风机桥架影响较大^[9]，两榀桁架的主要作用在于提高风机桥架整体结构的抗振能力.两榀桁架之间通过数根横梁和斜向支撑将两榀桁架连接形成风机桥架结构整体，两榀桁架之间的连接方式采用高强摩擦螺栓连接，风机桥架桥面是风机动力设备的支承平台.图 1为桁架式风机桥架整体结构示意图.风机运行时风机桥架的支承平台直接承受风机动力设备的自重荷载和风机动力设备运行时产生的动力荷载，通过栓接连接点传递至风机桥架的两榀桁架上.

由于没有现成的风机桥架结构设计规范，桁架式风机桥架结构的设计与制造基本上是参照一般钢结构设计规范进行.根据钢结构构造原理，钢结构的连接可以采用焊缝连接和紧固件(螺栓、铆钉等)连接，但遵循的基本原则是“腹板栓接，翼缘焊接”，正是遵循这样的原则，风机桥架两榀桁架之间的连接基本都采用了螺栓连接.焊接与栓接的主要区别是：焊接接头是刚性结合，连接效果接近固支，而栓接接头是一种柔性结合，连接效果接近铰接，显然焊接结点的刚度大于栓接结点的刚度.

当结构承受静载作用时，桁架各构件主要承受轴向力，可以忽略弯矩的影响，此时采用栓接或焊接对结构受力的影响可以忽略不计.结构承受动荷载时，情况则完全不同，结点的连接方式对结构承载动荷载的性能影响很大，因为结构抵抗动力荷载的能力与结构的动力特性(主要是频率和振型)密切相关，而结构的动力特性又取决于结构的质量、刚度、边界条件以及结构的连接构造、整体性、均匀性等，特别是结构的连接构造、整体性以及结构刚度的均匀性对结构的抗振能力非常重要.显然与栓接结点比较，焊接结点可以较好地保证风机桥架结构的均匀性和整体性.桁架式风机桥架结构各构件之间通过焊接连接成一体后整体刚度较大，而风机桥架结构各构件通过栓接连接成一体后，连接点局部刚度下降且结构刚度在连接结点处出现突变，整体刚度也随之减小.

国内桁架式风机桥架结构设计普遍存在盲目采用钢结构设计理念的问题，没有充分考虑风机桥架结构作为动力基础所必须满足的位移条件，对风机桥架两榀桁架之间的连接构造处理不够合理，直接影响了风机桥架结构的整体抗振性能，导致风机桥架结构在运行中出现振动位移过大的现象.因此，在进行桁架式风机桥架结构的抗振设计时，必须重视风机桥架动力基础的位移限制，同时了解风机桥架结构的连接方式对风机桥架抗振性能的影响，在充分发挥钢结构特性的前提下，避免钢结构在风机桥架结构抗振中的不利因素，确保风机桥架结构在直接空冷技术运用中的可靠性.

1.2 连接方式对桁架式风机桥架整体刚度的影响

为了定量分析结构连接方式对风机桥架结构整体抗振能力的影响，建立了不同连接方式的风机桥架计算模型:第一种模型，假设风机桥架两榀桁架之间的连接为栓接方式，这也是目前风机桥架结构通用的连接方式，连接效果接近于铰接，图 2为栓接方式的局部放大图；第二种模型，假设风机桥架两榀桁架之间的连接为焊接方式，这种连接效果接近于刚性连接，也是本文建议采用的连接方式，图 3为焊接方式的局部放大图.

利用有限元软件ANSYS分别计算了两种风机桥架结构模型的动力特性^[10].将风机桥架结构近似成有限元分布质量体系，设风机桥架质量矩阵和刚度矩阵分别为M、K，位移向量和激振力向量为x、f，风机动力设备的自重按集中质量附加在风机桥架支承平台上.建立风机桥架结构无阻尼运动微分方程：

令x=Xe^jωt并代入式(1)，可以得到风机桥架结构特征方程：

求解方程(2)可以得到结构的各阶频率及对应的振型.表 1给出了两榀桁架采用焊接和栓接连接方式时，桁架式风机桥架整体结构的前3阶固有频率以及对应的振型特征.

由表 1可以看出，与栓接方式相比，采用焊接方式连接后的风机桥架结构的第1阶固有频率提高了40.56%，第2阶固有频率提高了56.07%，第3阶固有频率提高了53.34%.可见采用焊接方式连接可使桁架式风机桥架结构的固有自振频率显著提高，由于结构的固有频率与结构的刚度成正比^[10]，频率提高表明刚度也随之增加.另外，根据风机桥架振源分析结果可知^[8]，引起风机桥架结构振动的主要振源频率都属于低频，大约在10 Hz以下，比较两种连接方式的频率计算值可见，采用栓接方式连接的风机桥架的频率与激振源的频率更接近，也容易诱发结构“共振”.从结构的振动形态看，不同连接方式对风机桥架结构的振型也有很大影响，采用焊接连接的风机桥架结构，前3阶振动形态主要是风机桥架结构的整体变形，而以栓接方式连接的风机桥架结构的振型全部都是两榀桁架的局部振型，这也说明采用栓接方式导致结构整体性下降.通过计算分析说明，仅仅采用了不同的连接方式，使得桁架式风机桥架的动力特性就发生了较大的变化.根据桁架式风机桥架结构抗振性能现场试验结果^[2]可见，风机系统运行时风机桥架两榀桁架的振动变形相对于风机桥架桥面存在明显的滞后现象，很显然这种滞后的原因就是栓接结点的刚度不均匀造成的.

2 与下部平台固定方式对风机桥架的影响

桁架式风机桥架结构与下部大型钢桁架支承平台的固定方式也存在不足^[12].目前几乎所有桁架式风机桥架结构与下部支承平台的固定方式全部采用螺栓连接的方式，这样处理同样存在连接点刚度较弱的问题，此时风机桥架与支承平台的连接方式近似于铰接.如果将风机桥架整体结构简化为一根中间带有集中质量的梁，那么根据结构动力学理论^[13]，在其他条件相同的前提下，固支梁(边界条件为固定)的刚度是简支梁(边界条件为铰支)刚度的1.51倍.可见，采用栓接的方式在钢桁架平台上固定风机桥架，也会降低风机桥架结构的整体刚度.为此设计了2种不同边界固定条件风机桥架结构计算模型，分别计算了2种边界条件下风机桥架整体结构的固有频率.模型1为风机桥架与钢桁架平台采用栓接，也是目前通用的连接方式，模型2为风机桥架与钢桁架平台采用焊接，首先用螺栓将风机桥架栓接在钢桁架平台上，然后利用焊接方式将两者之间的边缘焊牢，这是本文推荐的连接方式.图 4为模型1局部放大图，其连接方式接近铰支；图 5为模型2局部放大图.表 2为不同固定方式下风机桥架结构整体前3阶频率与对应振型.

由表 2可以看出，风机桥架与下部钢桁架支承平台的固定方式对风机桥架结构整体固有频率也有一定影响，风机桥架与下部钢桁架支承平台采用焊接连接时前3阶频率大约可提高10%左右，可见风机桥架固定方式对风机桥架抗振能力也有一定影响.实际工程中，只需要进行简单的处理便可以使风机桥架与空冷岛平台的连接更接近固定连接，从而达到提高桁架式风机桥架结构整体抗振性能的目的.如在连接处增设型钢三角架，三角架两面分别与风机桥架下弦H型钢梁及钢桁架平台钢梁紧密焊接，这样一方面可以减小风机桥架的计算长度，另一方面可以使风机桥架与钢桁架平台的连接效果更接近于固定连接，使风机桥架结构的整体刚度和抗振性能得到明显提高.

3 结论与建议

1) 桁架式风机桥架采用钢结构形式是合适的，但是风机桥架的主要功能是风机动力设备的支承平台对动力机器基础的位移必须严格限制^[14]，确保风机设备正常运行.进行风机桥架结构抗振设计时，应充分了解钢结构的基本性能，在发挥钢结构的优点时还要关注钢结构的韧性可能产生的负面作用，保证风机桥架支承结构有足够的刚度，使桁架式风机桥架的抗振性能满足风机动力设备的稳定性要求.

2) 两榀桁架之间的连接方式对风机桥架整体结构的抗振性能影响较大^[15]，采用不同连接方式，风机桥架的固有频率和振动形态都发生明显变化.目前通用的栓接方式使结构连接点存在刚度薄弱环节，并导致风机桥架结构整体抗振性能下降.焊接连接方式可以提高风机桥架连接点的局部刚度，建议在风机桥架结构设计时采用这种连接方式.

3) 风机桥架在空冷岛钢桁架上的固定方式对风机桥架结构整体抗振性能也有一定影响.在空冷平台上安装风机桥架结构时，应改变目前常用的固定方式，充分利用空冷平台的刚度，使风机桥架结构与空冷岛平台的连接效果更接近固定连接.

4) 有限元分析结果表明，桁架式风机桥架的前3阶自振固有频率一般在10~15 Hz范围内，对应前2阶基本振型为绕风机桥架长轴方向的转动和桥架整体的竖向振动，第3阶振型为桁架的局部水平方向振动.在满足空冷技术要求的前提下，尽量采用低转速、低重心的动力机器，采用低转速的电机可以使强迫振动频率减小，有利于风机桥架结构的固有频率错开“共振频率”.