“U形”破坏（精选3篇）
“U形”破坏 篇1
0 引言
渠道防渗工程利国利民, 利用渠道衬砌与防渗技术, 可减少渗流量高达90%, 是我国应用最普遍的节水措施之一[1], 渠道防渗技术可以防止土壤沼泽化和土壤盐碱化, 大大提高渠道水的利用系数, 确保农业的持续发展;还可以防止渠道淤积、坍塌和冲刷等破坏, 节约维修管理费用成本[2]。刚柔复合衬砌结构具有适应冻融变形、胀而不裂和防渗、减轻冻胀的特性, 能同时有效解决渗漏和冻胀问题。南水北调中线工程S11标段[3], 渠道全部采用刚性混凝土板衬砌下增设柔性复合土工膜的加强防渗结构形式, 对设计冻胀量小于1cm的渠段, 复合土工膜直接铺在渠道内坡面土基上, 设计冻胀量大于1cm的渠段, 先在土坡基面上铺设聚苯乙烯泡沫保温板, 复合土工膜铺于保温板上。这样的刚性混凝土板加柔性复合土工膜的复合防渗衬砌结构形式, 经济地解决了原来15~20cm厚混凝土板都不宜抵抗住的冻害问题。与梯形渠道相比, U形断面渠道具有水力条件好, 整体性好, 输沙能力强, 防渗效果优, 减少衬砌工程量等优点[4,5]。因此得到了广泛的应用。
但是在我国冻土区, 衬砌渠道冻胀破坏现象严重, 文献[6-9]指出, U形渠道由于各部位的日照强度、走向不相同以及土质等存在差异, 则各部位的负温和水分状况不同, 冻结状态也不同, 上部比下部冻深大, 阴坡比阳坡冻深大, 且冻胀分布不均匀。渠基土的冻胀是热力学水、热、力三场耦合作用下的破坏[10,11]。U形渠道往往发生朝向阳坡的微小偏转和位移, 整体微小的局部上抬, 在阴坡圆弧段与直线段相切附近冻胀力较大的地方比较容易出现冻胀裂缝。文献[12-14]对刚性混凝土U形渠道的冻胀破坏进行了力学分析和内力计算, 而对复合衬砌结构没有涉及。
复合土工膜是一种柔性材料, 本身具有很好的伸缩性, 能抵消一部分变形。加入复合土工膜, 并考虑其与冻土间的摩擦力后, 由于复合土工膜与接触料之间的摩擦系数小于接触料自身的摩擦系数[15,16], 这就使得基土对衬砌体的滑动约束减小, 能释放一部分的切向约束力, 能起到一定的抗冻胀作用, 加之土工膜有很好的防渗作用, 能减少冻胀的水源补给。因此, 复合土工膜与混凝土板相结合的复合衬砌形式有利于渠道的抗冻胀破坏;本文在刚性混凝土U形衬砌渠道的基础上, 通过铺设复合土工膜, 形成土工膜与刚性混凝土相结合的复合衬砌结构, 提出了相应的假设, 进行了相应的简化, 建立了冻胀破坏的力学模型, 并对内力进行了计算和对抗裂条件进行了验算, 探讨了复合土工膜对衬砌体结构破坏的影响, 揭示了复合防渗渠道的冻胀机理, 为土工膜复合防渗衬砌渠道的进一步应用提供参考。
1 力学模型的建立
季节冻土区的土体产生冻胀是因为土体中的水分在负温作用下发生相变, 体积变大, 从而使得土体发生冻结和冻胀, 体积随之增大, 产生冻胀量。在没有外部约束的条件下, 冻胀量能得到自由释放。U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的根本原因一方面是衬砌结构的刚度相对较小, 抗弯以及抗拉能力较差, 另一方面是由于渠道衬砌体约束了土体的自由冻胀, 反过来土体将会对衬砌体产生冻胀力和冻结力, 当冻胀力和冻结力达到极限状态时, 复合衬砌结构是在冻胀力、冻结力、重力、底板与坡板相互约束力、土工膜与渠基土壤的摩擦力共同作用下发生的破坏, 在建立力学模型时, 需要根据以上冻胀破坏的特征和原因作出相应的假设和简化。
1.1 模型基本假设及简化
(1) 混凝土衬砌板和渠基冻结土壤均为弹性材料, 渠基冻结土壤的弹性模量远小于混凝土板的弹性模量。
(2) 渠基土壤冻结前已经固结完毕, 不计算未冻结土壤的压缩效应。
(3) 渠坡衬砌板顶部基土含水量达到初始冻结含水量。
(4) 渠道衬砌坡板上的法向冻胀力随着渠道坡板轴线线性分布, 在渠道坡板与渠道底板相接处达到最大值, 在渠道顶部为零, 渠道底板的法向冻胀力沿弧长线性分布;渠道衬砌坡板上的切向冻结力随着渠道坡板轴线线性分布, 在渠道坡板与渠道底板相接处达到最大值, 在底板上线性分布, 中心线上的值为零。渠道坡板顶部产生法向冻结力。
(5) 将复合土工膜与混凝土板看成黏结的整体, 与渠基土壤在底板顶推作用下产生摩擦力。摩擦力在坡板均匀分布, 在底板线性分布, 在中心线上的值为0。
1.2 渠道断面图、受力图、底板及坡板的计算简图
U形复合衬砌渠道的断面图如图1所示, 设渠道坡板长为L, 圆弧中心角为2α, 圆弧半径为R, 衬砌板厚为b, 坡脚为β。以下分别给出渠道受力图、坡板和底板的计算简图。
1.2.1 U形复合衬砌渠道受力图
渠道冻结后, 法向冻胀力、冻结力、摩擦力、衬砌板的相互约束里力与重力平衡。渠道坡板阴坡与阳坡的计算简图相同, 只是其上作用荷载数值不同而已, 以后对阳坡的有关外力及反力在符号右上角加撇以示区别[13]。渠道受力图如图2所示。设最大法向冻胀力为q0, 最大切向冻结力为τ0, 摩擦力为τ1。
根据分析和假设:
根据假设, 并由受力图容易建立起静力平衡方程。在冻胀破坏作用下渠道衬砌板达到极限平衡状态时, 切向冻结力的最大值为渠道阴坡衬砌板与渠基冻结土壤之间的最大冻结力, 其大小由土质、负温及渠基土壤含水量等因素决定, 属于已知反力。
因此, 受力图上的未知力只有q0、τ1, F, 根据静力平衡条件, 建立平衡方程如下:
其中:
其中:
由式 (1) ~式 (7) 联立, 求出渠道在冻胀破坏作用下达到极限平衡状态时的q0、τ1、F, 进一步求解各内力。
1.2.2 渠道坡板的计算简图
根据以上分析, 坡板在重力、沿坡板线性分布的法向冻胀力、沿切向线性分布的冻结力、沿切向分布的摩擦力, 底板对坡板的约束力, 在这几种力作用下保持平衡, 如图3所示。
1.2.3 渠道底板的计算简图
工程实际中往往有阴坡阳坡的区别, 因而渠道弧形底板两端的约束反力往往不相等, 选取阴坡底板即中心线以左的部分进行计算, 如图4所示。
2 力学模型的求解
2.1 渠道坡板内力的计算
坐标系如图3所示。
(1) 轴力:
任意截面的轴压力为:
坡底处轴压力为:
(2) 弯矩:
最大弯矩截面:
(3) 剪力:
由以上计算式画出内力分布图如图5所示。
2.2 渠道底板内力的计算
在计算渠道底板内力时, 将坐标原点取在底板中心处。由图4, 根据静力平衡条件, 可得:
(1) 由∑X=0得:与中心线成θ角处的轴压力为:
其中:
(2) 由∑M=0得, 与中心线成θ角处的弯矩为:
其中:
(3) 由∑Y=0得, 与中心线成θ角处的剪力为:
其中:
由以上计算式得到阴坡底板内力图如6所示。
2.3 混凝土衬砌板厚度验算
将坡板和底板视为压弯构件, 混凝土衬砌板是否胀裂, 将由衬砌板最大弯矩处的最大拉应变是否超过其允许拉应变决定;一般情况下剪力不会参与渠道衬砌板的胀裂破坏。
(1) 渠道衬砌坡板:渠道衬砌坡板最大拉应力在最大弯矩所在的部位, 该部位的最大拉应力计算如下:
式中:x0按式 (14) 计算。
抗裂条件验算:
式中:Ec、εt可据相关手册查得。
(2) 渠道衬砌底板:渠道衬砌弧形底板最大弯矩应在渠中心偏阴坡一侧, 具体位置通过计算确定, 最大拉应力计算如下:
抗裂条件同式 (31) 。
3 结语
(1) 本文应用渠道冻胀破坏规律, 通过适当假设和简化处理, 提出了U形复合衬砌渠道的冻胀力学模型, 给出了渠道衬砌坡板及底板的内力计算公式、抗裂计算公式等一系列公式。指出渠道冻结力、冻胀力、摩擦力和相互约束力是相互依存的, 都可以表示为最大切向冻结力的函数, 而最大切向冻结力则是反映土质、负温及水分状况的综合指标, 可根据实验或经验确定, 从而使渠道冻胀破坏这一复杂问题简单化、定量化。
(2) 本文在计算时, 假设渠道整体达到极限状态时U形复合防渗渠道衬砌体不发生局部强度破坏。然而, 由于施工或者结构、尺寸等原因, 有可能渠道衬砌体破坏时渠道整体还未达到极限状态, 所以本文模型求解的内力偏安全。
(3) 与梯形断面渠道相比, U形复合衬砌体具有独特的变形特征及结构受力, 使得渠道衬砌体的控制内力明显减小, 变形恢复能力和抵抗冻胀破坏能力比梯形渠道明显增强, 所以研究U形复合衬砌渠道在不同条件下的结构受力, 对揭示渠道冻胀机理具有十分重要的意义。
(4) 渠道越浅、半径越大, 法向冻胀力就越小, 渠道衬砌的侧壁所收到的拉应力就越小。因此, 尽量采用宽浅断面, 减小坡板高度, 采用较大半径, 可以改善结构受力条件, 并且可以使得圆心以上水深减小, 水力条件更趋最佳水力断面, 使断面设计更加经济。
汽车U形螺栓断裂分析 篇2
问题及现象
现有U形螺栓材料为40Cr, 端头螺纹为M10×1, 在汽车运行800k m时, 在U形螺栓的螺纹处断裂, 如图1所示 (在该螺栓的杆身处做了物理试验) 。在断口附近测量其硬度为28HRC, 而技术要求为26～32HRC;在U形螺栓的杆身部位取样做化学分析, ωC为0.37, 其化学成分符合国家标准;将断裂后的U形螺栓完整螺纹的一端做拉力试验, 58 100N时, 螺栓完好 (按国家标准G B/T3098.1-2000) 。
螺纹断裂面, 如图2 (断裂面的一半) , 外形呈杯突状, 外圆周向下倾斜45°, 有放射状花纹, 中间圆形部分断口平齐, 呈现细瓷状, 具有金属光泽, 宏观断面与螺栓轴线相垂直, 从其断口分析:它具有脆性断裂的特征。
在断口处取一纵向试样做金相分析, 先在抛光的试样上观察, 在螺纹根部发现一条长约0.6m m的裂纹 (见图3、图4) , 后经腐蚀其组织为回火马氏体 (见图5) , 而按要求应为回火索氏体。
原因分析
螺纹根部裂纹开口处较宽, 裂纹向零件心部延伸并逐渐变得细小, 具有淬火裂纹的特征。螺纹根部的外观尺寸变化较大, 较易产生应力集中, 致使工件在淬火时在此处出现淬火裂纹。
钢中的淬火裂纹来源于奥氏体向马氏体转变时体积增大所产生的应力。淬火状态下的马氏体很硬, 几乎没有延性。钢件进行淬火时, 在首先达到Ms温度的最外层率先形成马氏体, 由于马氏体的膨胀向下面较软的奥氏体“做功”, 而且马氏体在外表面的膨胀几乎不受限制, 继续冷却至靠近心部的材料达到Ms温度时, 新生马氏体的膨胀受到早已形成的外层马氏体限制, 产生使表面张开的内应力。当马氏体大量形成所产生的内应力大于零件外层淬火状态下的马氏体拉伸极限强度时, 便出现开裂。在实践工作中发现, 具有截面急剧变化的工件或尖锐槽口的工件, 都易于产生淬火裂纹。淬火裂纹的破断面上无氧化色, 裂纹的四周也没有脱碳现象, 该螺栓的裂纹四周也无脱碳现象 (见图6) 。
淬火裂纹的存在, 破坏了零件材料的完整性及钢材基体组织的连续性, 严重影响了钢材的质量。它是材料断裂的裂纹源, 同时也促进了裂纹的进一部扩展。从图2可以看到, 断口的起源在螺栓螺纹的根部, 其上的放射状花纹也指向螺纹根部。
从图6中我们可将断口大致分为三个区:一区是裂纹源区;二区是裂纹快速扩展区 (即紧挨着裂纹源区的具有放射状花纹的一小部分区域) , 三区指最后瞬间断裂区。三区断口平齐, 表面是由颇多小颗粒的晶面所组成, 具有金属光泽。
从三个区在断面所占的比例看:一区所占比例较小, 裂纹起源于应力集中处, 同时也可能存在淬火裂纹, 因此在外力作用下, 很容易开裂。车在路况不好时, U形螺栓将受到较大的冲击力, 裂纹进一部扩展, 达到一定的临界尺寸后, 开始快速扩展, 这是二区, 也是一种快速低能量的撕裂区, 该区是有少量塑性变形的脆性断裂区。第三区是最后断裂区, 约占断口面积的90%, 零件的有效面积不断减少, 在其有效面积不能承受其所受到的拉力时, 零件瞬时断裂。该区域为脆性断裂, 脆性断裂区占U形螺栓断面的90%以上, 因此, 该材料亦为脆性材料。
U形螺栓断口处的基体组织为回火马氏体。回火马氏体保留了淬火马氏体的方向性 (如图5) , 固溶体中碳聚集, 形成了弥散度极高亚稳定的与基体共格的碳化物质点。回火马氏体硬度、拉伸强度、屈服极限等强度指标较高, 延伸率、断面收缩率等塑性指标较低。当零件受到较大冲击力时, 在几乎没有塑性变形的情况下, 会立即发生脆性断裂。
另外, 在回火马氏体的回火温度范围250～400℃, 将出现第一类回火脆性, 第一类回火脆性导致钢的冲击韧性下降, 所有淬火钢回火时在这一温度范围都将不同程度的出现第一类回火脆性。根据目前研究得出的结论, 在结构钢中, Cr元素增大了回火脆性的敏感性, 因此, U形螺栓的40C r材料, 在回火得到回火马氏体的同时, 也带来了第一类回火脆性。
综合以上分析可知:U形螺栓的断裂主要是由淬火裂纹引起的, 但是塑性较低的马氏体组织以及回火时产生第一类回火脆性, 导致该零件服役早期断裂, 属于脆性断裂。
建议
1.提高热处理工艺
淬火裂纹的出现, 与淬火前原始组织的状态有关, 淬火前进行球化退火处理, 可有效减少淬火裂纹的出现;其次, 淬火冷却速度过快, 也是出现淬火裂纹的原因, 因此通过降低冷却速度, 可有效减少淬火裂纹的出现, 如采用油冷法或油淬水冷法等。
2.加强热处理工艺检查
U形渠道量水槽的比较与选型 篇3
关键词：渠灌区,U形渠道,量水设施
渠道输水是灌区灌溉的主要形式,据统计全国有大中型灌区5 000多处,渠灌区灌溉水利用系数低,灌区灌溉水利用系数平均在0.5以下[1],尽早实现灌区渠道U形化,是提高灌区灌溉水利用系数的主要途径。U形渠道具有优越的水力条件,占地少、结构整体性高、耐冻胀、管理方便,是灌区普遍采用的渠道输水形式,部分地方政府已把渠灌区渠道U形化作为强制标准推行。但U形渠道的量水槽的研究、形式选择、量水精度等问题始终是制约灌区U形渠道发展的瓶颈,U形渠道流速分布规律及其流量测量仍处于发展探索阶段。目前已出现的U形渠道测流槽种类很多,主要有3种形式。依托灌区的实际条件,针对3种形式测流槽,从量水精度、制作工艺、理论计算、制作材料和制作成本等方面对3种形式测流槽进行比较分析。
1 U形渠道测流设施
从U形渠道发展以来,先后出现了多种测流设施,但大部分测流设施仅处于理论研究阶段,目前比较成熟的测流设施主要有3种[2,3,4]:即U形抛物线形喉口式量水槽、U形直壁式量水槽、U形(圆底形)喉道测流槽。这3种形式的测流槽在测流精度、设施建设难度、工程造价、测流范围等方面各有千秋:U形抛物线形喉口式量水槽结构简单、外形与U形渠道衔接自然,呈良好流线型,水头损失小,有利于渠道流沙及漂浮物通过;U形直壁式量水槽结构较复杂,壅水高度大,在小流量时量测精度高,且可以从理论上计算出水位-流量关系曲线;U形(圆底形)喉道测流槽体型较大,也能从理论上计算出水位流量关系,但施工难度较前两者大。
2 U形渠道量水槽量水精度的比较
3种形式量水槽因体型结构的差异,在量水范围和量水精度方面误差各异,这使灌区在选型时难以把握,对U形渠道量水槽在灌区实现标准化增加了难度。参照质量技术监督部门的测量结果,在测量时,为了减小测量误差,在同一试验场,采用相同渠道坡降、相同糙率,制作3条测流渠道,分别制作3种形式的测流槽。用矩形堰测量数据作为基准(按照灌区量水标准,矩形堰测量误差一般在2%范围以内,和灌区渠道测量误差要求的5%相比,完全可以作为基准测量数据,同时,3种形式测流槽主要应用在灌区斗渠以下各级渠道,用矩形堰的测流作为基准测流堰是可以满足要求的),分别测量了U形渠道直壁式量水槽、U形渠道抛物线形喉口式量水槽和U形圆底形喉道式测流槽的量水精度,测量结果如图1、图2、图3。
从图1-3可以看出:3种形式测流槽测流结果均小于矩形堰测试结果,其结果是正确的。因3种形式测流槽体形均比矩形槽体形复杂,与水流接触面大,对水流产生的摩擦力大,而且3种形式测流槽均采用收缩过水断面以形成上下游水头达到测流的目的,因此其测量结果一定小于矩形槽测流结果。但其测量结果均满足灌区测流要求。经测量,直壁式测流槽在测试范围内,最小误差1.454%,最大误差3.372%;抛物线形喉口式量水槽在测试范围内,最小误差1.062%,最大误差4.591%;U形圆底形喉道式测流槽最小误差1.075%,最大误差3.8%。对比分析发现:直壁式测流槽在小流量时误差稍大,大流量时误差较小,而抛物线形喉口式量水槽和U形圆底形喉道式在小流量时误差较小[6],大流量时误差较大(灌区测流误差上限5%)。为了更好的对比分析3种形式测流槽的测流效果,在宝鸡峡灌区渠道上对U形渠道不同底坡、不同渠道倾角和不同渠道糙率情况下设置3种量水槽的量水精度进行了比较,渠道型号主要选取灌区常用的渠道断面进行测试,选取H40D30、H60D60、H80D80型号,对应倾角取0°、8°,渠道糙率取灌区目前混凝土衬砌的施工水平,即取n=0.013,测试结果如表1所示。
从表1测试结果分析:在半干旱半湿润灌区实际测量,3种形式测流槽测量精度均满足灌区量水要求,相比之下,U形渠道直壁式量水槽的量水精度稍高,但其壅水高度也稍高,与《渠灌类型区农业高效用水模式与产业化示范》项目实际测试结果一致[5]。
3 U形渠道量水槽制作工艺的比较
为了对比分析3种形式测流槽的制作难易程度,在室内和室外分别现场制作了D40、D44两种断面、倾角分别为0°和8°的U形混凝土渠道,所用材料均与U形渠道衬砌所用材料一致,在现场制作时均采用普通C15混凝土,按照3种形式测流槽体型参数,在D40、D44两种断面、倾角分别为0°和8°的U形混凝土渠道上对比制作,以U形长喉道量水槽的制作最为复杂,抛物线形喉口式量水槽制作难度次子,直壁式测流槽制作精度最易控制。
U形长喉道量水槽的制作工艺最为复杂,分析其原因主要为:①U形长喉道量水槽底部断面缩小,尺寸控制起来较难;②测流槽底部与原渠道底衔接时须改变尺寸,增加了制作的难度;③渠道与测流槽的衔接须采用扭面连接,控制难度较大。但由于长喉道量水槽量水段长度大,水流平稳,变形对量水精度影响相对较小。U形渠道抛物线形喉口式量水槽的喉口为抛物线,在制作时采用钢板或木板按照抛物线方程制成模具,安装在已建渠道上再进行测流槽修建,难度较小,但与U形渠道相连接时过渡段仍为扭面,制作精度不易控制;另外,抛物线形喉口式量水槽底部要求水平,须对原渠道底部要进行整平,增加了施工难度,抛物线形喉口式量水槽属于短喉道量水设施,变形对量水精度影响较大。U形渠道直壁式量水槽施工相对简单,究其原因:①U形渠道直壁式量水槽其喉道两侧均为直墙,施工精度易于控制;②U形渠道壁与测流槽直壁连接采用椭圆曲线连接,用方程可以控制精确较高;③因喉道两侧均为直墙,与渠道壁间隔变大,致使施工用料增加;④直壁式测流槽底部与U形渠道底部形状一致,精度容易控制,直壁式量水槽也属于长喉道测流设施,变形变形对量水精度影响相对较小。
4 U形渠道量水槽体形计算比较
3种形式的测流槽的测流原理均为改变过水喉道宽度以产生测流槽上下游水位差来实现测流目的。从3种形式的测流槽体型结构来看,U形长喉道量水槽和直壁式量水槽均属于长喉道量水槽,长喉道量水槽按照水力学原理,可以在一定范围内将试验率定的水位-流量关系换算成原形值,也可以通过边界层理论推算测流槽的水位-流量关系曲线。在渠道测流时,可以通过改变量水槽的喉道宽度、槽底拱起的几何尺寸满足不同尺寸断面渠道的量水要求。U形渠道抛物线形喉口式量水槽从体型结构上属于短喉道式量水槽,短喉道量水槽的水位-流量关系必须经过试验率定,对于不同尺寸断面,其关系式不尽相同,在灌区实际应用中,须根据灌区渠道的实际情况进行实验室率定,然后同比尺换算,但不得同比尺放大或缩小,否则量水精度[7]不能满足灌区量水要求。
5 材料用量和耐久性比较
3种形式量水槽虽体型结构有所差异,但均属于小型渠道量水建筑物,其材料用量与渠道衬砌相比均非常少。经在宝鸡峡灌区二十斗渠、泾惠渠灌区三斗渠等渠道中实际制作,其用料相差很小,平均用料(混凝土材料)均不超过0.2 m3。因此,3种形式的量水槽材料用量的差别可以不考虑。但三者之间的用工时差异较大,以抛物线形喉口式量水槽最少,直壁式量水槽用工次之,U形长喉道量水槽用时较多。
为了提高灌区水利用率,提高灌区的经济效益,目前灌区渠道已基本衬砌,测流槽是在衬砌的渠道上安置,因此测流槽均采用混凝土制作,其耐久性基本相同。
6 结论与建议
本文从3种形式量水槽的量水精度、制作工艺、理论计算、材料用量、耐久性等方面进行了比较分析。3种形式量水槽差异较大在于量水精度、制作工艺和理论计算方面,其他方面相差甚小,但综合进行分析,U形渠道直壁式量水槽相对较优。因没有进行多泥沙渠道实际测试,对于多泥沙渠道的输沙能力不予评价。现将3种不同型式的测流槽的分析结果列于表2,供灌区工作者使用时参考。
参考文献
[1]俞双恩,左晓霞,赵伟.我国灌区量水现状及发展趋势[J].节水灌溉,2004,(4):35-37.
[2]陕DB61/T280,陕西省地方标准:U形渠道直壁式量水槽[S].陕西省水利厅,陕西省质量技术监督局,2000.
[3]陕DB61/T281,陕西省地方标准:U形渠道抛物线形喉口式量水槽[S].陕西省水利厅,陕西省质量技术监督局,2000.
[4]陕DB61/T282,陕西省地方标准:U形渠道U形长喉道量水槽[S].陕西省水利厅,陕西省质量技术监督局,2000.
[5]吴普特,范兴科,牛文全,等.渠灌类型区农业高效用水模式与产业化示范[J].农业工程学报,2003,19(4):36-40.
[6]吕宏兴,吕德生.U形渠道断面测流方法[J].中国农村水利水电,2001,(7):24-25.