U型混凝土衬砌渠道钢模具动态试验研究

程传胜++王军尚++张登科

摘 要：针对U型混凝土衬砌渠道钢模具振动变形特点，以钢模具为对象，利用动态应力应变测试分析系统及MATLAB软件，研究了钢模具振动特性及变形特点。结果表明，钢模具振动变形表现为低阶振动模态特征，变形规律与简谐振动相符合；振动频率在铰支座端较小，中部振动频率较大，相差17.97%；等效应变在固定铰支座端最大，可动铰支座端次之，中部最小，固定铰支座端等效应变比钢模具中部等效应变增加1.26倍，为进一步分析钢模具变形及优化设计提供依据。

关键词：U型钢模具；动态试验；振动频率；等效应变

中图分类号：S23 文献标识码： A DOI：10.11974/nyyjs.20171232020

1 材料与方法

1.1 项目区概况

项目区位于宁夏回族自治区吴忠市青铜峡市蒋南村，U型混凝土衬砌渠道为东西和南北走向，其中东西走向长为4.8km，南北走向长为2.7km，混凝土衬砌厚度为50mm，净渠深为45.0cm，上口宽58.0cm，渠道坡板与竖直方向夹角21.6°，弧线段半径为28.0cm，渠基由壤土填筑并分层压实，渠槽由U型挖掘机开挖。

1.2 试验方案

运用大型有限元ADINA软件[5]，确定应变的特征点，在钢模具相应位置粘贴三向电阻式应变片[6]，规格为BE120-3CA，灵敏度为2.18，电阻为120Ω，有效尺寸为5mm×5mm，连接方式为1/4桥，利用动态应力应变测试分析系统（DH5922N）[2，4]监测U型混凝土衬砌渠道施工过程中钢模具该部位的应变变化过程。钢模具侧面布置应变片M-1～M-18，共计18个，应变片采集时间为30S，选择采样频率为1000Hz[1，2，5]。钢模具动态试验应变片布置图如图1所示，应变片平面布置图如图2。

2 结果分析

2.1 振动及变形特性分析

图3、图4、和图5为三向应变片M5、M11、M17在第25×10-3～100*10-3s水平方向、45°方向和垂直方向应变随时间变化关系。由图可以看出，应变随时间呈周期性正弦波变化，周期约为25×10-3s且45°方向振幅最大，水平方向振幅较大，垂直方向振幅最小。运用数据分析软件MATLAB对监测数据进行非线性拟合，得到钢模具在工作过程中完整的振动频率和应变特征。以应变（y）为函数、振动频率（ω）为变量，拟合方程为 y=Acos（ωt+φ）。 图4为三向应变片M5水平方向在第25×10-3s振动过程中的应变与时间关系拟合曲线，得出其振动频率为 296.90 Hz，拟合度（R2）为 0.993。

2.2 振动频率及等效应变分析

对三向应变片（M1～M18）在第25×10-3s中的监测数据进行整理，运用数据分析MATLAB软件进行拟合并做统计学分析，得到不同部位钢模具的振动周期和等效应变，如表1所示，钢模具各个测点的振动符合简谐振动规律，振动频率为281.89～461.87Hz，拟合度为0.934 ～0.979，变异系数为1.89～3.98%。

U型混凝土衬砌渠道钢模具振动频率均匀分布（268.91～457.18Hz），平均值为363.59Hz变异系数 Cv为 3.29%，与钢模具模态分析中一阶固有频率接近，其整体振动模态属于低阶振型模态。由图7可知，钢模具左右铰支座端振动频率均值分别为351.66Hz 、375.34Hz，中部振动频率均值为442.80Hz，表明U型混凝土衬砌钢模具在工作过程中，两端振动频率较小，中部振动频率较大，振动频率分别相差25.92%、17.97%，这是由于钢模具两端有铰支座约束作用，使得两端振动频率较中部较小，与实际工作中，混凝土衬砌板中部先密实，两端后密实相符。

由图8可知，U型混凝土衬砌渠道钢模具等效应变均值在固定铰支座端最大，可动铰支座端次之，中部最小，分别为17.13、14.20、13.57με，钢模具固定铰支座端等效应变比钢模具中部等效应变增加1.26倍，表明铰支座的约束致使其等效应变较大，与实际工作中，钢模具铰支座两端变形较大，破坏较为严重相符。

3 结论

U型混凝土衬砌渠道钢模具在工作过程中表现为低阶振动模态特征，变形规律与简谐振动相符合。

U型混凝土衬砌渠道钢模具在工作过程中，钢模具左右铰支座端振动频率均值分别为351.66Hz 、375.34Hz，中部振动频率均值为442.80Hz，两端振动频率较小，中部振动频率较大，振动频率分别相差25.92%、17.97%。

U型混凝土衬砌渠道钢模具等效应变均值在固定铰支座端最大，可动铰支座端次之，中部最小，分别为17.13、14.20、13.57με，钢模具固定铰支座端等效应变比钢模具中部等效应变增加1.26倍。

通过U型混凝土衬砌渠道钢模具动态试验监测分析，得出钢模具在工作过程中振动特性及局部变形特征，为进一步分析钢模具变形及优化设计提供依据。

参考文献

[1]彭卫平，郑海斌，颜曦，等.大型复杂定型钢模板结构有限元分析[J].武汉大学学报（工学版）.2007，40（1）：83-86.

[2] 裴克良，孔凡增，王文生.农业机械的振动问题与减振方法的研究[J].农机化研究，2006（5）：79-80.

[3]王斌，田军仓，程传胜，等.U形混凝土渠道衬砌制板机动态性能试验研究[J].宁夏工程技术，2016，15（4）：343-346.

[4]程传胜.装配式U型混凝土渠道衬砌钢模具数值模拟研究[D].银川：宁夏大学，2017：25-40.

[5]程传胜，田军仓，王斌，高靖.旱寒地区U形玻璃钢和混凝土渠道抗凍胀性能的研究[J].水资源与水工程学报，2015，26（6）：173-177.

[6]樊鸿，张盛.用应变片法确定混凝土动态起裂时间的研究[J].振动与冲击，2010，29（1）：153-156.

作者简介：程传胜（1989-），男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向：土地工程开发研究；王军尚（1967-），男，陕西富平人，本科，研究方向：土地工程开发研究。