U型混凝土襯砌渠道鋼模具動態試驗研究

程傳勝++王軍尚++張登科

摘 要：針對U型混凝土襯砌渠道鋼模具振動變形特點，以鋼模具為對象，利用動態應力應變測試分析系統及MATLAB軟件，研究了鋼模具振動特性及變形特點。結果表明，鋼模具振動變形表現為低階振動模態特征，變形規律與簡諧振動相符合；振動頻率在鉸支座端較小，中部振動頻率較大，相差17.97%；等效應變在固定鉸支座端最大，可動鉸支座端次之，中部最小，固定鉸支座端等效應變比鋼模具中部等效應變增加1.26倍，為進一步分析鋼模具變形及優化設計提供依據。

關鍵詞：U型鋼模具；動態試驗；振動頻率；等效應變

中圖分類號：S23 文獻標識碼： A DOI：10.11974/nyyjs.20171232020

1 材料與方法

1.1 項目區概況

項目區位于寧夏回族自治區吳忠市青銅峽市蔣南村，U型混凝土襯砌渠道為東西和南北走向，其中東西走向長為4.8km，南北走向長為2.7km，混凝土襯砌厚度為50mm，凈渠深為45.0cm，上口寬58.0cm，渠道坡板與豎直方向夾角21.6°，弧線段半徑為28.0cm，渠基由壤土填筑并分層壓實，渠槽由U型挖掘機開挖。

1.2 試驗方案

運用大型有限元ADINA軟件[5]，確定應變的特征點，在鋼模具相應位置粘貼三向電阻式應變片[6]，規格為BE120-3CA，靈敏度為2.18，電阻為120Ω，有效尺寸為5mm×5mm，連接方式為1/4橋，利用動態應力應變測試分析系統（DH5922N）[2，4]監測U型混凝土襯砌渠道施工過程中鋼模具該部位的應變變化過程。鋼模具側面布置應變片M-1～M-18，共計18個，應變片采集時間為30S，選擇采樣頻率為1000Hz[1，2，5]。鋼模具動態試驗應變片布置圖如圖1所示，應變片平面布置圖如圖2。

2 結果分析

2.1 振動及變形特性分析

圖3、圖4、和圖5為三向應變片M5、M11、M17在第25×10-3～100*10-3s水平方向、45°方向和垂直方向應變隨時間變化關系。由圖可以看出，應變隨時間呈周期性正弦波變化，周期約為25×10-3s且45°方向振幅最大，水平方向振幅較大，垂直方向振幅最小。運用數據分析軟件MATLAB對監測數據進行非線性擬合，得到鋼模具在工作過程中完整的振動頻率和應變特征。以應變（y）為函數、振動頻率（ω）為變量，擬合方程為 y=Acos（ωt+φ）。 圖4為三向應變片M5水平方向在第25×10-3s振動過程中的應變與時間關系擬合曲線，得出其振動頻率為 296.90 Hz，擬合度（R2）為 0.993。

2.2 振動頻率及等效應變分析

對三向應變片（M1～M18）在第25×10-3s中的監測數據進行整理，運用數據分析MATLAB軟件進行擬合并做統計學分析，得到不同部位鋼模具的振動周期和等效應變，如表1所示，鋼模具各個測點的振動符合簡諧振動規律，振動頻率為281.89～461.87Hz，擬合度為0.934 ～0.979，變異系數為1.89～3.98%。

U型混凝土襯砌渠道鋼模具振動頻率均勻分布（268.91～457.18Hz），平均值為363.59Hz變異系數 Cv為 3.29%，與鋼模具模態分析中一階固有頻率接近，其整體振動模態屬于低階振型模態。由圖7可知，鋼模具左右鉸支座端振動頻率均值分別為351.66Hz 、375.34Hz，中部振動頻率均值為442.80Hz，表明U型混凝土襯砌鋼模具在工作過程中，兩端振動頻率較小，中部振動頻率較大，振動頻率分別相差25.92%、17.97%，這是由于鋼模具兩端有鉸支座約束作用，使得兩端振動頻率較中部較小，與實際工作中，混凝土襯砌板中部先密實，兩端后密實相符。

由圖8可知，U型混凝土襯砌渠道鋼模具等效應變均值在固定鉸支座端最大，可動鉸支座端次之，中部最小，分別為17.13、14.20、13.57με，鋼模具固定鉸支座端等效應變比鋼模具中部等效應變增加1.26倍，表明鉸支座的約束致使其等效應變較大，與實際工作中，鋼模具鉸支座兩端變形較大，破壞較為嚴重相符。

3 結論

U型混凝土襯砌渠道鋼模具在工作過程中表現為低階振動模態特征，變形規律與簡諧振動相符合。

U型混凝土襯砌渠道鋼模具在工作過程中，鋼模具左右鉸支座端振動頻率均值分別為351.66Hz 、375.34Hz，中部振動頻率均值為442.80Hz，兩端振動頻率較小，中部振動頻率較大，振動頻率分別相差25.92%、17.97%。

U型混凝土襯砌渠道鋼模具等效應變均值在固定鉸支座端最大，可動鉸支座端次之，中部最小，分別為17.13、14.20、13.57με，鋼模具固定鉸支座端等效應變比鋼模具中部等效應變增加1.26倍。

通過U型混凝土襯砌渠道鋼模具動態試驗監測分析，得出鋼模具在工作過程中振動特性及局部變形特征，為進一步分析鋼模具變形及優化設計提供依據。

參考文獻

[1]彭衛平，鄭海斌，顏曦，等.大型復雜定型鋼模板結構有限元分析[J].武漢大學學報（工學版）.2007，40（1）：83-86.

[2] 裴克良，孔凡增，王文生.農業機械的振動問題與減振方法的研究[J].農機化研究，2006（5）：79-80.

[3]王斌，田軍倉，程傳勝，等.U形混凝土渠道襯砌制板機動態性能試驗研究[J].寧夏工程技術，2016，15（4）：343-346.

[4]程傳勝.裝配式U型混凝土渠道襯砌鋼模具數值模擬研究[D].銀川：寧夏大學，2017：25-40.

[5]程傳勝，田軍倉，王斌，高靖.旱寒地區U形玻璃鋼和混凝土渠道抗凍脹性能的研究[J].水資源與水工程學報，2015，26（6）：173-177.

[6]樊鴻，張盛.用應變片法確定混凝土動態起裂時間的研究[J].振動與沖擊，2010，29（1）：153-156.

作者簡介：程傳勝（1989-），男，河南新鄉人，碩士研究生，研究方向：土地工程開發研究；王軍尚（1967-），男，陜西富平人，本科，研究方向：土地工程開發研究。