固体力学研究方向范文

固体力学研究方向篇1

1村镇建筑抗灾防灾存在的主要问题

1．1空斗墙做法在抗侧力方面存在严重问题空斗墙房屋是华东、中南一些地区村镇广泛采用的一种结构类型，从普通农村民居到乡镇政府办公楼等公共建筑均有采用这种结构类型。一些沿海地区村镇不仅是台风经常登陆之地，也是抗震设防地区，如浙江苍南县、福建福鼎县是6度抗震设防区。这些地区空斗墙房屋在砌筑方式等方面存在着严重的防灾安全隐患。大部分地区空斗墙通常的做法是采用标准粘土砖，沿竖向有一斗一眠、三斗一眠、五斗一眠等砌筑方法，沿水平方向一般是一丁一顺砌法。而浙江温州、湖南等一些地区村镇空斗墙沿竖向在一层内为全空斗砌法，除楼板下有一皮立砌实心砖外，整个层内在墙体厚度方向无眠砖拉接，沿水平方向一般为三顺一丁，墙体为大空腔(厚度方向为170mm空腔)，实际上是空壳墙。这种做法导致墙体自身的整体性很差。标准砖立砖斗砌墙体的有效抗剪截面积仅为厚度240mm实心砖墙的1/2。由此可见，我国农村地区房屋无论在房屋的整体性、墙体自身的整体性、屋盖系统的整体性以及墙体与木构架的连接等方面均非常差，导致水平荷载承受能力很差，台风都能吹倒，若遇6度以上地震或洪水、风暴的袭击，其灾害程度将十分严重。

1．2灾前资金投入少，缺乏相应的防灾推进机制在农村房屋防灾方面国家和地方的资金投入主要是用于灾后恢复重建，如云南省自1988年11月6日澜沧－耿马7．6级地震以来发生5．0级以上破坏性地震42次，国家和地方用于救灾和恢复重建的费用分别为11．49亿元和15．47亿元，如果这些经费用于震前对房屋采取抗震措施，对提高农村房屋的抗震能力、减少地震人员伤亡和经济损失将发挥重大作用。

1．3缺少防灾减灾管理约束机制［2］我国农村建房一直以来是个人行为，法律法规未于涉及，由于缺少防灾减灾管理约束机制，标准规范作用甚微。为了引导、鼓励农民提高其房屋的防灾能力，真正有效地规范农村防灾能力建设，应当建立村镇防灾减灾管理约束机制。建议中央和地方财政设立村镇民居防灾减灾建设基金，即必要的抗灾设防与加固专项费用，作为引导资金。只要有建房防灾补助，就可以此为契机来规范和约束农村的建房行为。

2村镇建筑抗震技术研究

2．1《镇(乡)村建筑抗震技术规程》配套试验研究村镇房屋的震害调查主要是了解房屋的破坏形态，了解结构构件的破坏原因，积累的宏观经验主要应用于房屋的抗震构造措施。而对房屋抗震性能的定量描述还应由试验数据来确定。主要试验研究内容与取得的成果如下:

2．1．1村镇木柱木屋架生土围护墙房屋足尺模型振动台试验研究由中国建筑科学研究院完成。试验模型为采取抗震措施的单层足尺模型，在振动台试验中，除了采集模型房屋的自振周期、振型、阻尼比等特性参数外，还获得了自墙体初始开裂到墙体严重开裂各阶段所对应的地震加速度值(与烈度对应)，验证了主要抗震构造措施如墙体与木构架连接、设置配筋砂浆带与配筋砖圈梁、木构架各节点拉结、竖向剪刀撑、斜撑、扒钉等在不同水平地震加速度作用下的抗震效果。试验达到了预期效果，所采取的抗震措施可使生土房屋的抗震能力提高1～1．5度。试验数据和结果为本规程木结构房屋章节有关条文的编制提供了依据。

2．1．2生土墙承重墙体抗震性能试验研究由长安大学建筑工程学院完成。对生土结构房屋进行了一系列生土承重墙体抗震性能试验和材料强度试验研究，先后进行了生土结构的土料、土坯、土坯砌体受力性能的试验研究，1∶3缩尺模型的夯土墙体和土坯墙体在低周往复荷载作用下的抗震性能试验研究，得到了从初裂到破坏各阶段所对应的变形与荷载以及其他相关数据。该项试验研究为本规程生土结构房屋章节有关条文的制定提供了依据。

2．1．3村镇木构架房屋抗震性能试验研究由河北工业大学完成。分别进行了足尺的木构架无填充墙和有填充墙的模型在周期性往复荷载作用下的拟静力试验。得出了两种模型的滞回曲线，以及屋架与木柱连接处的斜撑、铅丝在墙体与木构架共同工作时的作用，这些数据为本规程的编制提供了依据。

2．1．4云南农村民居地震安全工程典型土坯、土筑墙力学性能试验研究由昆明理工大学完成。结合云南省农村民居地震安全工程，开展了云南农村民居地震安全工程典型土坯、土筑墙力学性能试验研究。整个试验分为土样试验、单块土坯试验、土坯砌体试验和土筑、土坯墙片试验四个部分，得到了土坯墙片从土样、单块土坯、土坯砌体到墙片的相关物理力学数据。该项试验研究为本规程生土结构房屋章节有关条文的制定及“云南省农村民居地震安全工程技术导则(试行)”的编制提供了参考依据。

2．2住宅灾后恢复重建关键技术研究

2．2．1主要研究内容主要针对地震、风暴等自然灾害，重点研究:受损住宅快速评估技术;灾后简易住房建造技术;受损住房加固技术，为村镇住宅灾后修复、加固与住区恢复重建规划提供技术支持。

2．2．2主要研究成果(1)灾后新建房屋设防技术整体性措施:采用配筋砖圈梁、配筋砂浆带或木圈梁等措施。墙体抗倒塌措施:纵横墙设拉结筋、山尖墙设墙揽、墙体与木柱设拉结筋等。防止屋盖及其构件塌落措施:在屋架(木梁)与木柱之间设置斜撑;在屋架(木梁)与檩条之间、檩条与檩条之间、檩条与椽条之间，采用木夹板、铁件、扒钉、8号铁丝等拉结措施。(2)受损房屋修复与加固技术整体性措施:采用外加配筋砂浆带圈梁、外加角钢带圈梁、钢丝网(非钢筋网)水泥砂浆面层等措施。墙体抗倒塌措施:墙体与木柱加设拉结筋、山尖墙设墙揽等措施。防止屋盖及其构件塌落措施:在屋架(木梁)与木柱之间加设斜撑;在屋架(木梁)与檩条之间、檩条与檩条之间、檩条与椽条之间，增设木夹板、铁件、扒钉、8号铁丝等拉结措施。裂缝墙体修补措施:采用灌浆修复、钢丝网水泥砂浆面层等措施。(3)灾后简易住房建造技术提出了灾后简易住房建造技术，即适用于我国各种温度带地区的“草泥辫围护墙简易住房”。(4)村镇住区恢复重建规划技术在村镇住区灾后恢复重建的规划模式、规划内容、与恢复重建有密切关系的重要调查内容等方面尚属首次提出。(5)技术成果与国内同类技术、经济和环保指标的比较外加配筋砂浆带加固措施不仅可满足村镇一、二层房屋地震、台风的抗倒塌要求，其造价仅有城市建筑常用的外加钢筋混凝土圈梁、构造柱加固措施的1/5～1/4左右;对于村镇一、二层房屋，采用钢丝网砂浆面层、素水泥砂浆面层可满足地震或风暴对房屋产生的水平作用，而造价只有城市建筑常用的钢筋网砂浆面层1/3左右，在经济上是农户可承受的。这些创新性技术措施已通过村镇房屋5个模型的振动台试验进行了验证［3－6］，其效果良好。采取这些措施后，可使村镇一、二房屋的抗震能力提高1～1．5度。对提高村镇住宅的抗震、抗风能力，减少人员伤亡和经济损失，将发挥重要作用。

2．3住宅结构维修加固关键技术研究

2．3．1主要研究内容(1)既有村镇住宅结构维修与耐久性提升技术研究。针对既有村镇典型的结构形式研究选择适宜的结构老化与损伤维修技术，提高结构耐久性技术措施等。(2)既有村镇住宅结构改造技术研究。研究既有村镇典型结构住宅结构体系与构造措施的改造方法，以及新材料、新工艺、本地化材料及再生材料的应用等。(3)既有村镇住宅地基基础加固技术研究。研究村镇住宅地基处理技术、典型结构住宅的地基基础加固与病害处理技术等。(4)既有村镇住宅抗灾(地震、风)加固技术研究。研究现有加固技术应用于既有村镇典型结构住宅加固的适用性以及相应的改进技术，典型村镇住宅结构体系的抗震加固适用技术，风灾区村镇住宅的抗风加固专项技术等。对村镇典型结构类型既有住宅提出抗震加固技术措施，为村镇住宅抗震加固技术指南的编制提供基础数据。

2．3．2主要研究成果(1)角钢－打包带加固墙体新技术采用角钢－打包带加固后，土坯墙体的开裂荷载比未加固墙体提高幅度为22．4%，极限荷载比未加固墙体提高了40．28%，破坏位移提高了35．50%，延性系数提高了128%。加固效果明显。采用角钢－打包带加固后，砖砌体墙体的极限荷载比未加固墙体提高了33．87%，破坏位移提高了226%，延性系数提高了378%。加固效果明显。采用角钢－打包带加固木结构土坯围护墙房屋振动台模拟试验结果表明，8．75度中震情况下，墙体严重破坏，纵墙外闪非常严重，泥浆灰缝几乎已全部破坏，土坯之间由于泥浆的破坏失去了连接，使墙体失去了整体性，但由于有打包带的作用，房屋未发生倒塌破坏。加固效果良好。(2)配筋加强带加固砌体技术采用配筋加强带加固后，墙体的开裂荷载较未加固墙体有所提高，提高幅度为41．9%。极限荷载比未加固墙体提高了79．0%，破坏位移提高了141%，延性系数提高了256%。加固效果明显。配筋加强带加固砌体房屋振动台模拟试验结果表明，8．75度中震情况下，泥被剧烈晃动，窗间墙沿裂缝被剪切成独立小柱，随地震动移动，裂缝宽度达到3mm。其他墙体未出现严重破坏。加固效果良好。(3)竖向剪刀撑、墙揽、铁丝、扒钉加固技术采用配筋砂浆带加强房屋整体性;设置竖向剪刀撑，山墙、山尖墙应采用墙揽与木屋架或檩条拉接加强屋盖构件节点连接强度等。

3村镇建筑抗洪技术研究

3．1山区乡村建筑抗洪设计方法研究

3．1．1主要研究内容(1)山区乡村建筑在水流作用下的破坏机理研究为了了解山洪对山区乡村房屋的作用机理，掌握水头冲击和水流力等对房屋的作用强度，在大连理工大学水工试验室的波流槽中，对山区乡村广泛采用的既有房屋模型进行了水头冲击和水流力对房屋模型作用的试验研究。(2)山区乡村建筑抗水流设计方法研究进行了几十条河流坡降调查，得到坡度与流速的关系;根据试验归纳总结获得的水流阻力综合影响系数Kw，给出了墙体开洞率与作用在墙体表面上水流力的计算公式Fw。同时给出了墙体截面抗水流力受剪验算、孤立墙体平面外抗弯验算、洞口侧面墙体平面外沿齿缝抗弯验算方法。(3)既有山区乡村建筑抗洪评价方法研究主要在房屋抗洪评价内容、评价原则、外观和内在质量、材料强度、结构体系、整体性连接构造、易引起局部倒塌的部件及其连接构造等方面提出了抗洪评价方法。(4)既有山区乡村建筑抗洪加固技术措施研究。主要对房屋在加强结构整体性、加强墙体自身的整体性和强度、加强墙体与木构架的连接、加强屋盖系统的整体性(节点连接)等方面提出了抗洪加固技术措施。3．2山区乡村房屋模型水流作用试验研究［7］

3．2．1试验目的试验期望获得以下数据:(1)测试房屋模型在不同开洞率、不同流速的山洪水头冲击下，模型各墙体的水头冲击压力分布;(2)测试房屋模型在不同开洞率、不同流速的山洪水流作用下，模型各墙体的水流压力分布;

3．2．2试验模型与试验情况在大连理工大学水工试验室波流槽进行了108个工况试验。试验模型、水头冲击和水流作用试验分别见图5、图6和图7。

3．2．3试验结论(1)在稳定流速作用下，建筑模型迎流面的压力分布呈二次曲线分布，压力值在水平方向趋势为中间大两头小，竖直方向随高度的增加而减小(包含静水压力)。(2)在稳定流速作用下，模型沿水流方向所受总合力随着开洞率的增大而减小。因此，在设计和建造山区乡村房屋时应考虑墙体的开洞率，以降低所受到的水流作用力。

3．2．4水流作用计算方法作用于墙体迎流面上的水流力标准值，可按下式计算:

4村镇建筑抗风技术研究

4．1低层房屋抗风技术研究

4．1．1研究内容(1)通过对台风灾区房屋灾害的现场调查，分析乡村低层房屋在建筑材料、结构型式、传统建造习惯等方面存在的问题，研究低层房屋在结构的整体性、节点连接等方面存在的抗风不足。(2)通过房屋风灾的现场调查，分析乡村低层房屋台风破坏原因，总结已有的抗风设计与建造经验。(3)提出新建低层房屋的抗风技术措施和现有低层房屋的抗风加固措施。

4．1．2课题主要成果通过房屋台风破坏现场调查和风洞试验研究，经过归纳总结，本着“因地制宜、简单有效、经济合理”的原则，提出了村镇房屋抗御台风技术措施;提出了低层房屋墙体截面抗风受剪极限承载力验算方法;编制了低层房屋抗风技术导则。村镇房屋抗御台风技术措施主要包括:加强房屋结构整体性措施;加强墙体抗倒塌措施;防止屋盖及其构件塌落措施;以及裂缝墙体修补措施等。这些创新性措施可用于村镇新建房屋的抗风设防和现有房屋的加固［8］。(1)新建房屋设防技术整体性措施:采用配筋砖圈梁、配筋砂浆带或木圈梁等措施。墙体抗倒塌措施:墙体与木柱设拉结筋、纵横墙设拉结筋、山尖墙设墙揽等。防止屋盖及其构件塌落措施:在屋架(木梁)与檩条之间、檩条与檩条之间、檩条与椽条之间，采用木夹板、铁件、扒钉、8号铁丝等拉结措施。(2)现有房屋修复与加固整体性措施:采用外加配筋砂浆带圈梁、外加角钢带圈梁、钢丝网水泥砂浆面层等措施。墙体抗倒塌措施:墙体与木柱设拉结筋、山尖墙设墙揽等措施。防止屋盖及其构件塌落措施:在屋架(木梁)与檩条之间、檩条与檩条之间、檩条与椽条之间，采用木夹板、铁件、扒钉、8号铁丝等拉结措施。坡顶房屋的木屋架、硬山搁檩的檩条应与埋置在1/2墙高处的铁件竖向拉接，以保证屋盖不被风掀翻;以及屋面压顶防风措施、门窗防护网防风措施等。

4．2村镇房屋风暴水平荷载计算方法提出了风暴荷载作用下结构的水平荷载标准值计算公式。

固体力学研究方向篇2

1引言

自从1957年10月4日前苏联发射世界上第一个航天器—–“人造地球卫星一号”以来,航天器经历了由简单到复杂的发展过程,航天器动力学也经历了由低级到高级的发展过程.由于有效载荷的增加和任务寿命的提高,现代航天器通常携带着大量的液体推进剂,液体推进剂质量可达到运载火箭总质量的90%以上、卫星或探测器总质量的50%以上.因此液体对航天器的动力学特性有着十分重要的影响.一方面,大量液体推进剂的晃动会对航天器产生较大的干扰力和力矩,一旦超过控制系统可调节或结构所能承受的上限,将造成控制系统不稳定或结构破坏[1].1998年美国NASA发射的NearEarthAsteroidRendezvous(NEAR)航天器在执行近地小行星探测任务时,由于卫星姿态与液体晃动之间的耦合导致一个推进系统失效,使任务延迟了13个月.另一方面,液体推进剂与贮箱壳体的液固耦合作用会大大降低航天器结构的振动频率.当火箭纵向振动频率与推进反馈系统频率发生耦合时,将产生纵向耦合振动(POGO),对运载火箭中的人员和仪器产生不利影响[2];当火箭横向振动频率与推进剂贮箱内液体晃动频率相接近时,二者有可能发生耦合作用而对火箭飞行稳定性产生影响.本文从航天工程实际出发,着重介绍了充液航天器动力学中液体晃动和液固耦合两个关键问题的研究进展情况,在此基础上对充液航天器动力学的进一步研究方向提出了建议.

2液体晃动动力学研究进展

充液系统可分为全充液系统和部分充液系统.全充液系统中的液体不形成自由液面,对于腔内充满不可压缩理想无旋液体的情况,可以在系统动力学建模中将液体用Zhukovskiy等效刚体代替,由于液体不能完全伴随腔体作各种姿态运动,因此液体等效刚体的惯量张量与“凝固液体”的惯量张量不同,问题归结为等效刚体惯量张量的计算[3];而部分充液系统中的液体还存在着晃动的问题,更符合航天工程中的实际情况,因为随着燃料的消耗,航天器通常处于不同充液比(即充液体积与贮箱容积之比)的部分充液状态.一般情况下,当液体晃动幅度低于充液腔体半径15%时将其定义为小幅晃动,大于25%时归为大幅晃动,介于小幅晃动和大幅晃动之间的为有限幅晃动,大幅晃动和有限幅晃动可统称为非线性晃动.液体晃动问题的研究方法可分为理论研究、数值研究、实验研究等3类,下面分别介绍这3类研究方法的进展情况,并以此为基础介绍航天工程中常用的等效力学模型研究现状.

2.1理论研究20世纪60年代,Abramson[4]首先对几种特殊形状(包括矩形、圆柱形、圆环形、扇形等)容器内液体横向小幅晃动的理论求解方法和结果进行了系统介绍,应用不可压缩、无黏、无旋的线性势流理论建模,将流体动力学方程演绎为速度势的拉普拉斯方程,具有线性化的边界条件,采用分离变量法得到了速度势特征函数和特征频率的解析解.Levin[5]给出了顶角为90的圆锥容器情况下的解析解.实际上,只有少数几种形状的容器,可使用分离变形量法对上述拉普拉斯方程的边值问题进行解析求解.对于一般形状容器,由于壁面几何结构的复杂性,很难直接用解析方法求解,因此只能借助于Ritz法、Galerkin法等近似求解方法.Rattayya[6]利用Ritz法对轴对称椭球形和球形贮箱内液体的小幅晃动问题进行了理论分析,得到了速度势特征函数和特征频率的半解析解,并计算了液体对贮箱产生的作用力和力矩.对于更加一般的三维形状容器,半解析解也无法获得,需要进一步结合数值方法进行分析求解.尽管在理论研究中普遍采用了不可压缩、无黏、无旋的势流假设,但是在航天工程应用中,液体黏性导致的阻尼效应对液体晃动有耗散作用,忽略这种耗散作用将增加控制系统的负担甚至影响航天器的稳定性.因此,液体晃动阻尼是充液航天器动力学与控制中必须考虑的因素,对于贮箱内安装有防晃装置的情况更是如此.关于液体晃动阻尼的计算,通常的方法是在求解液体的动力学特性时先忽略黏性,然后考虑黏性修正项估算晃动阻尼.Miles和Henderson[7-8]通过理论分析提出用固壁面处的Stokes边界层阻尼加液体内部的瑞利阻尼之和来计算液体晃动阻尼,对于液面受到严重污染的情况,认为液面覆盖了一层不可伸展的膜,因而同样采用Stokes边界层理论计算液面污染带来的阻尼,得到了与排除接触线影响的实验值较为吻合的计算结果.王为[9]在此基础之上,对接触线处及表面活性物质带来的能量耗散提出了新的计算方法,计算结果与实验结果取得了更好的一致.但是以上方法不能计算贮箱内防晃板的耗散作用,Buzhinskii[10]指出液体边界层会在防晃板的边缘处发生分离并产生局部涡流,从而提出根据速度强度因子在这些边缘处的分布来计算涡流带来的非线性阻尼.对于液体非线性晃动问题的理论研究,与小幅晃动问题一样也需要对液体作不可压缩、无黏、无旋的势流假设,但由于自由液面上的运动学和动力学边界条件不能再做线性化处理,同时液体晃动的各阶频率不再是常数,阻尼也是非线性的,各阶晃动会产生内共振,无法解耦处理,也无法利用线性叠加原理.因此通常的处理方法是将未知的自由液面波高和液体速度势分别展成液体晃动模态函数的级数形式,然后将它们代入原始的边值问题或其等价的变分方程中,得到广义坐标互相耦合的无穷维非线性常微分方程组,即无穷维模态系统;再根据选取不同的主次模态及其渐近关系,将无穷维模态系统降为有限维渐近模态系统,从而可以进行多尺度法分析或直接数值求解.根据模态系统降阶方法的不同,可分为以下3类[11]:(1)Perko模态法[12-14],此方法对无穷维模态系统进行直接截断,在晃动幅度较大或维数较高时容易产生数值发散现象;(2)Narimanov-Moiseev渐近模态法[15-17],此方法假定一阶晃动固有模态为主导模态、主导模态和次生模态之间为三阶渐近关系,从而将无穷维模态系统降为有限维,但公式推导比较繁琐;(3)Miles平均法[18-20],此方法仅考虑占整个晃动波最多能量的主导模态,但由于忽略了次生模态的影响而不能用来解释实验中出现的某些非线性现象.最近,Faltinsen等提出了多维模态方法,用来分析矩形贮箱中的液体非线性晃动问题,他们的研究成果接连发表在流体力学的顶级杂志JFM上[21-25],理论分析结果与实验观测结果取得了一致,是一种用来分析液体非线性晃动的有效的模态解析方法.其基本思想是根据问题的具体情况选取主导模态和与其关系密切的次生模态,然后采用Narimanov-Moiseev三阶渐近假设,完成无穷维模态系统的降阶.对于实验中出现的液体飞溅现象所导致的能量耗散,他们通过假设飞溅液体的动能和势能消失来加以考虑.国内,余延生等[11,26-27]将多维模态方法应用于圆柱贮箱液体非线性晃动问题的研究中,选取了两阶主导模态和三阶次生模态,推导出了描述圆柱贮箱液体自由晃动的五维渐近模态系统,最后通过数值仿真揭示了一些典型的非线性现象.不足的是,在液体非线性晃动问题的理论研究中,只对于少数具有简单几何形状容器才能得到解析解或半解析解,如矩形容器、圆柱形容器等,要达到工程应用的程度,还需要与有限元、边界元等数值方法相结合,实现分析方法的通用化和分析过程的程式化.另外,从严格意义上讲,这些理论方法主要适用于研究液面不至于破碎的有限幅晃动问题.对于液面出现破碎的大幅晃动问题、流体黏性较大或液位较浅等情况,就只能借助数值方法或实验方法来研究.

2.2数值研究

数值研究的方法依据所采用的理论模型的不同,主要可分为两类:一类是基于势流理论得到时空分离的动力学方程,从而通过特征值分析实现频域解耦的研究方法;另一类则直接从Navier-Stokes方程出发,对液体晃动进行时域的数值仿真,通常称为计算流体动力学(computationalfluiddynamics,CFD)方法.第一类方法目前只用于液体小幅晃动的研究,主要通过有限元法或边界元法实现.Aslam[28]用有限元法研究了轴对称容器中的液体小幅晃动行为;包光伟[29-31]用有限元法进行了轴对称容器和任意三维容器中液体小幅晃动的模态分析,但没有计算晃动阻尼;王为[9,32-34]在对液体小幅晃动进行有限元模态分析的基础上,计算了考虑边界层耗散、液面污染耗散和内部瑞利耗散的晃动阻尼,并成功应用于我国某大型卫星贮箱内的液体晃动建模中.Dutta和Laha[35]提出了一种计算液体小幅晃动模态和频率的低阶边界元法;Gedikli和Erguven[36]采用一种变分边界元法进行液体小幅晃动的模态分析,并将该方法应用于带防晃板贮箱内的液体晃动研究.第二类方法即CFD方法一般受晃动幅度的限制较小,可用于研究微重力状态下的液体晃动和液体大幅晃动等问题,克服了理论求解和实验方法在这些方面的困难,对航天工程应用具有重要的指导意义.按照流体运动描述方法的不同,可以将CFD方法分为两大类:拉格朗日法和欧拉法.拉格朗日法又称随体法,建立随体网格,跟踪流体质点的运动,该法的缺点在于当液体晃动剧烈时,随体网格会发生畸变导致计算发散;欧拉法又称当地法,建立包含液体的固定网格,观察流体质点的运动,该法的难点在于如何准确描述自由液面.1974年,Hirt[37]提出了任意拉格朗日–欧拉(arbitraryLagrange-Euler,ALE)法,该法理论上克服了纯拉格朗日法的网格畸变问题,又保留了其在自由液面描述方面的准确性,近年来得到了较大发展[38-43].但是对于液面破碎的问题,跟踪自由液面的连续性条件被破坏,ALE法尚无能为力.而欧拉法结合不同的自由液面描述方法已可以处理各种复杂液面情况,标记子与单元(markandcell,MAC)法[44]最早成功解决了欧拉法的自由液面描述问题,它将标记子散布到流体域内,含标记子区域与不含标记子区域之间的“边界”即为自由液面,但该法存储量大、计算精度和效率也不高;流体体积(volumeoffluid,VOF)法[45]克服了MAC法的上述缺点,它定义了一个流体体积函数F,表示单元内液体所占单元体积的比例,如F=1则该单元内充满液体、F=0则该单元内不含液体、0<F<1则该单元内必含有自由液面,再根据F函数的梯度最终确定自由液面的形状.VOF法发展到现在已经比较成熟了[46-48],Flow-3D就是采用VOF法开发的求解带自由液面流动问题的商用CFD分析软件,具有通用的三维流场建模分析模块,目前已支持64位多核并行计算.

2.3实验研究无论是理论研究,还是数值研究,它们结果的正确性常需要通过实验来检验.Abramson主编的NASA报告SP-106[4]对常重状态下各种形状容器中液体晃动的实验研究进行了系统总结.轨道上运动的航天器常处于微重力状态(残余重力加速度约在101g～106g之间,其中g为常重力加速度),此时表面张力的作用凸显出来.采用无量纲数Bond数来表征重力与表面张力的相对大小,即Bo=ρgL20/σ,其中L0为特征长度,通常取为平衡自由液面的半径.当Bond数小于100时,一般就需要考虑表面张力的影响.对于微重力状态下的液体晃动实验,主要包括地面缩比模型实验、落塔实验、空间实验等.地面缩比模型实验[49-50]通过减小特征长度来减小Bond数,这种实验方法成本较低,当然由于模型尺寸很小,实验中很难保证其他无量纲数(如雷诺数等)与实际工况相似.落塔实验[51-54]通过使落舱系统进行自由落体运动而获得微重力环境,由于空气阻力影响,落舱内的残余重力加速度一般可达到102g,若将落舱系统置于真空环境中,可将微重力降至105g～106g,但落塔实验普遍存在实验时间较短的缺点,无法观察到液体晃动的完整过程.空间实验利用空间站或实验卫星作为实验平台,可以获得长时间稳定的微重力环境,虽然成本非常高,但它无疑是最可靠、最直接的微重力实验方法,欧空局2005年发射了一颗专用于研究液体晃动特性的微重力实验卫星[55-56]—–SloshsatFLEVO,验证了他们基于VOF法开发的CFD数值计算程序Comflo的有效性[57].此外,还有飞机抛物线飞行实验[58]、微重力火箭实验[54]等,每种实验方法都有各自的优缺点,在液体晃动实验研究中需要根据实际需求适当选择.

2.4等效力学模型研究在航天器动力学分析和控制系统设计中,通常希望用简单高效的力学模型计算代替比较复杂费时的晃动流场计算.因此,工程上一般采用等效力学模型来模拟贮箱内的液体晃动,如单摆或弹簧–质量模型等,这样就将液体这一连续介质的运动用刚体运动来代替,从而可以比较容易地将液体晃动动力学方程整合到航天器耦合动力学方程中.一般我们提到的液体晃动的等效力学模型指的是在液体作小幅晃动时导出的等效力学模型.这种等效力学模型的相关研究始于20世纪60年代初,国内外学者和工程师通过理论推导、数值计算和实验分析等手段取得了大量研究成果,形成了以文献[3-4,59-60]为代表的一批文献资料.目前,理论研究最成熟、数值和实验方法结合最好且工程应用最广泛的是轴对称贮箱内液体晃动的等效力学模型.如图1所示,液体的每一阶晃动模态都对应一个单摆或弹簧–质量模型,各阶晃动模态是线性解耦的,一般一阶晃动占绝对主导地位;另外,只有靠近自由液面的部分液体参与晃动,而靠近贮箱底部的部分液体伴随贮箱运动,并不参与晃动,这部分液体将被等效成相对贮箱静止的质量点或者质量块.建立等效力学模型的原则是等效系统对贮箱的作用力、力矩及其特征频率、动能与原充液系统的完全相等[3].根据该等效原则,就可以针对不同情况,确定液体晃动的等效力学模型参数.等效力学模型参数可以由理论分析计算得到,也可以通过实验测算来确定[59],不过采用实验方法一般很难确定高于一阶的等效晃动质量,因此对于高阶晃动,只能利用理论计算方法来确定等效力学模型参数.Abramson[4]对早期的等效力学模型研究工作进行了比较系统的整理,给出了矩形、圆柱形等特殊形状贮箱内液体晃动的等效力学模型参数的解析表达式,也介绍了一阶晃动等效力学模型参数的实验测算方法.另外,液体晃动阻尼也需要在等效力学模型中反映,一般是在上述单摆或弹簧–质量模型的基础上添加一个线性阻尼器来等效液体粘性的耗散作用,而阻尼系数的大小可以通过理论计算或实验测量的方法来确定.LM由于航天器上的液体推进剂贮箱通常具有轴对称结构,并且在大部分工作状态下贮箱中心轴与重力加速度或机动加速度的方向保持一致,因此以往文献对轴对称贮箱内液体晃动的等效力学模型研究得比较深入[3-4,61-62],而对非轴对称贮箱内液体晃动的等效力学模型研究很少.然而由于现代航天器贮箱形状的复杂化,非轴对称贮箱液体晃动问题的研究逐渐体现出其重要性.即使对于轴对称贮箱,在某些工作状态下贮箱中心轴与重力加速度或机动加速度的方向不一致,如位置保持模式、推力倾斜点火模式等,也会出现非轴对称贮箱液体晃动问题.除矩形贮箱内液体晃动的等效力学模型存在解析解以外,大多非轴对称贮箱液体晃动问题不存在解析解.虽然工程上可借助实验手段来提取部分必需的等效力学模型参数[63],但实验方法往往成本较高、缺乏理论完备性.李青等[64]从一般意义上推导了三维液体小幅晃动等效力学模型,其中充液贮箱可为任意三维形状,且其运动形式包括三维平动和转动,并建立相应的数值方法计算等效力学模型参数,从而为解决非轴对称贮箱液体晃动问题提供了理论依据和应用方法.在某些液体非线性晃动问题的研究中,等效力学模型方法也得到了应用和发展.例如,针对外部激励频率与液体晃动固有频率接近时的“旋转”晃动现象,Bauer[65]使用一个非线性弹簧加质量点的等效力学模型来等效其中的液体晃动行为,Kana[66-67]利用理论推导和实验测量的方法建立了一个空间球摆与线性平面单摆的复合摆等效模型.但是,这些模型只能用来解释比较特殊的非线性晃动现象,对于一般的液体大幅晃动问题,理论上还无法得到与小幅晃动那样近似性好的等效力学模型.20世纪70年代,Berry等[68]提出了一种求解液体大幅晃动作用力的工程近似方法,即质心面等效模型,此方法将贮箱内的液体等效为质量集中在质心处的质点(即质心点),质心点只能在质心运动面上运动,通过求解质心点与质心运动面之间的法向惯性力和切向粘性力来计算液体对贮箱的作用力.黄华等[69-70]对质心面等效模型进行了改进,提出不限制质心点只在质心面上运动、而是可以在质心面包围的三维空间内任意运动,建立碰撞接触模型来计算质心点与质心面之间的法向作用力.质心面等效模型大大简化了液体大幅晃动问题的建模分析过程,使考虑液体大幅晃动的航天器耦合动力学分析和工程应用成为可能,但是由于缺乏理论支持,必须结合CFD数值计算和实验方法验证其在各种工况下的有效性.另外,对于在连续点火模式下工作的航天器,还存在着液体推进剂排放消耗的问题,在这种工况下也需要建立起液体晃动的等效力学模型.李青等[71]针对考虑液体排放的变充液比液体晃动问题,提出了变参数等效力学模型模拟方法,并定性分析了若干因素对其等效精度的影响.总之,引入等效力学模型的概念之后,可以很容易地将液体晃动动力学归纳到多体系统动力学的范畴,便于工程应用.

3液固耦合动力学研究进展

3.1充液航天器液固耦合模型综述早期的充液航天器采用弹簧–质量模型模拟液固耦合作用,利用近似方法计算充液贮箱等部段结构第一阶自然频率的等效质量和等效刚度.等效原则所基于的事实是:弹性系统的第一阶振型与静载荷情况下系统的弹性变形相差很小[72].Larry[73]提出了一种椭球底贮箱等效刚度的计算方法,研究说明考虑箱底弹性对振动频率计算具有较大影响.鲁昌鑑等[74]采用弹簧－质量模型,计算了运载火箭一、二级热分离时结构的纵向响应,取得了与飞行试验结果比较一致的计算结果.然而一些实验数据表明,弹簧－质量法在若干方面并不令人满意:例如,作为重要结构的壳体,其特性就未能准确描述;忽略了液体与箱壁、箱底等实际结构的耦合问题;对质量的集中处理带有任意性等[75].因此,弹簧–质量模型只适用于初步速算各种飞行状态的低阶振型和初步研究POGO效应.想要获得比较准确的振型(如局部斜率)或高阶模态,则必须建立更加复杂的模型,并适当地考虑液体推进剂与贮箱壳体的液固耦合作用.随着计算机技术的发展,利用数值方法建立三维充液航天器动力学模型已成为工程应用中的主要方法,大体可分为两类:一是构造液体有限元或边界元从而建立液固耦合组合单元模型的方法,一是计算液体附加质量矩阵的方法[76],其建模理论将3.2节中详细介绍.计算液体附加质量矩阵的方法是假设液体不可压缩且忽略了自由液面效应,从而消除了液体自由度,大大简化了建模和计算,已被国外多个型号运载航天器所采用.下面列举几个具有代表意义的型号[77].美国土星V是大型三级液体火箭,其主要任务是将阿波罗载人飞船送入月球过渡轨道,它全长110.64m,最大直径10.6m,起飞质量2945.95t.在实施阿波罗登月计划中,为土星V火箭设计了1/40和1/10两个动力学缩比模型.1/10缩比模型的纵向振动曾采用由壳元、液体元和弹簧–质量单元所构成的组合模型进行计算,其中液体元忽略了液体可压缩性,只构成质量矩阵[76].Larry[78]给出了仿真结果与试验结果的对比,在振型和频率上取得了很好的一致.H-II火箭是日本宇宙开发事业团研制的捆有两个固体助推器的二级液氢/液氧火箭,它全长50m,最大直径7.6m,起飞质量260t.为了预示H-II火箭的全箭动特性,建立了三维动力学模型,考虑了纵向、横向(俯仰与偏航)和扭转振动之间的耦合效应.其中,关于充液贮箱的建模,对贮箱结构采用了有限元法,而对推进剂依照边界元法将其作为附加质量处理.Morino[79]通过1/5缩比模型振动试验评价了预示方法的精度.阿里安V火箭是欧洲空间局研制的二级捆绑式大型运载火箭,它总长为52m～54m,最大直径为12.2m,最大起飞质量约713t.法国宇航公司在其开发的PERMAS有限元程序包上完成了全箭动力学建模工作[80].在运载火箭设计初期,建立了两个主要模型:一个是由梁和弹簧元组成的横向模型,用于运载火箭弯曲/扭转特性分析;另一个是带有液体网格的轴对称纵向模型,用于贮箱和推进剂纵向特性分析.其中,液固耦合作用按照附加质量理论处理,提供了某些辅助功能如可以考虑液体压缩性的影响和贮箱内压对贮箱刚度的影响等.当工程进展到足够程度,加入了某些详细的局部三维缩减模型,最后用自由界面模态综合法建立了全箭总体三维模型,研究了纵向和横向运动的耦合效应.我国在长征二号E捆绑火箭的研制过程中,建立的数学模型主要是多分支梁模型[81],用于计算火箭的横向弯曲和扭转模态.邓魁英[82]在PA-TRAN环境下分别建立了CZ-2E/A火箭1/10缩比模型的多分支梁模型和三维有限元模型,采用NASTRAN的RBE3单元模拟了液体推进剂附加于梁式模型上的质量效应,对横向振动情况下的理论预示与试验结果吻合较好.但是,计算液体附加质量矩阵的方法忽略了自由液面效应以及它与结构振动可能发生的耦合作用,属于一种近似解耦的方法.随着有效载荷的增大,运载器的体积不断增大,这时,推进剂贮箱内液体的晃动频率很低,火箭整体结构的弯曲频率也相当低,二者有可能会发生相互耦合作用而对火箭飞行稳定性产生影响.例如,Ariane-4运载火箭处在发射台上时,频率为0.43Hz的第一阶弯曲弹性振动与第三级液氧贮箱内频率为0.57Hz的液体晃动发生耦合.因此,要完全掌握三维充液航天器的动力学特性,有必要建立起完整的液固耦合模型.国外在处理充液航天器液固耦合分析问题时,曾采用耦合有限元法,实现途径是建立包含晃动自由液面的液体三维有限元模型,根据液固耦合方程将该流体模型与结构有限元模型相耦合,最后利用MSC/NASTRAN进行求解.这种方法的一个弊端就是必须建立液体的三维网格,由于实际工程中常需要计算许多不同充液状态的工况,因此大量的时间被浪费在了液体网格的划分上,特别是当贮箱内液体域的形状尺度不规则时更是如此,另外对于大型问题求解自由度大、效率低.一种有效的液固耦合建模方法是耦合有限元/边界元法[83],这种方法对固体域采用有限元法、对液体域采用边界元法,液体边界元模型只需要对液体的边界面划分网格,在已有的结构有限元模型基础上仅需要添加自由液面的网格.耦合有限元/边界元法既具有较高的液固耦合建模效率,又具有较高的理论计算精度.国内在充液容器液固耦合问题的研究上主要还处于学术研究阶段.杜建斌等[84]针对具有旋转周期性的含液容器,将旋转周期方法引入液固耦合动力特性分析,开发出一套有效的液固耦合有限元分析方法;刘习军等[85-86]研究了壳液耦合系统的自激振动问题和重力波现象;李俊宝[87]进行了弹性圆柱壳液固耦合系统的共振实验,研究了重力波和弹性壳的动力特性.但是,在航天器充液贮箱液固耦合机理研究和大规模液固耦合模型建模计算的应用研究方面,国内尚比较欠缺.

3.2液固耦合数值方法一般流体–结构耦合系统方程的特点是方程的未知变量既有流体变量又有固体变量,通常无法单独求解.对于充液容器的液固耦合问题,耦合作用仅发生在两相交界面上,当我们仅关注流体对固体结构的影响时,可将重点放在固体结构上进行研究,而对流体部分作适当简化[88].

3.2.1液固耦合组合单元法假设流体为无黏、可压缩和小扰动的,固体则考虑为线弹性的,对液固耦合系统的基本方程和边界条件,采用加权余量的迦辽金提法,可得到如其中,us为固体单元结点位移向量,uf为流体单元结点(不含液固耦合界面)位移向量,Ms和Ks分别为固体质量矩阵和固体刚度矩阵,Mf和Kf分别为流体质量矩阵和流体刚度矩阵,Msf和Ksf为耦合质量矩阵和耦合刚度矩阵,Fs为固体外载荷向量.在ANSYS中采用FLUID80流体单元求解液固耦合问题时,正是基于这种位移–位移格式的有限元方程[90].但是当液体求解域规模过大时,有限元法的建模和求解效率急剧下降,不利于工程应用.若对液体域采用边界元法,则可大大缩减液体求解域的规模,将方程(1)简化为[83]其中,uff为自由液面单元结点位移向量,Mff和Kff分别为自由液面质量矩阵和自由液面刚度矩阵,Q为耦合矩阵,其他量的物理含义与方程(1)中的相同.方程(2)可以较高效地求解液固耦合问题,但目前尚无商业软件集成该方法.除位移–位移格式之外,液固耦合系统的有限元方程还有位移–压力格式和位移–势函数格式等.

3.2.2附加质量理论和虚拟质量法假定流体是不可压缩的,同时又不考虑流体自由表面波动效应,则方程(2)式中的Mff项为零,可完全消去流体结点自由度,得到如下解耦的方程式(4)代表流体对固体的作用,称为附加质量矩阵.这时液固耦合问题退化为考虑流体附加质量的结构动力学问题.基于附加质量理论,NASTRAN采用边界元法得到附加质量矩阵,并称之为虚拟质量法(virtualmassmethod)[91].虚拟质量法避免了流体单元网格的划分,大大简化了建模过程,有利于工程应用.但是当自由液面波动效应不容忽略时,如液体晃动频率和结构振动频率发生了耦合,附加质量理论和虚拟质量法则可能产生较大误差.

4结语

固体力学研究方向篇3

在现代生物科学特别是分子生物学研究成果对农业科学的广泛渗透和深刻影响下，一些微观研究领域内，生物科学与农业科学的界限，日趋消失。比如近十多年来，国际上对植物光呼吸的研究，无论生物学家抑或农学家，都积极参与研究，并且普遍认为光呼吸是由叶绿体、过氧化物酶体、线粒体三者协同作用下进行的。叶绿体体积约3下5微米，线粒体只1一3微米，而过氧化物酶体还不够1微米，呈单层膜结构并含有均质内容物的小颗粒。只有深入研究细胞内的微细结构并阐明其机能，才能深刻认识植物光呼吸的本质，这样要采取降低、抑制以至控制光呼吸的技术措施才有可能。又如要阐明根瘤菌进入豆科植物根毛细胞的机制，精细观察侵染丝(只有1微米左右)如何由根毛尖端屈曲部位侵入后在根毛细胞内的伸展状况。只要弄清楚根瘤菌进入豆科植物根部的生理生化机制及其所需的外界条件，就有可能阐明根瘤形成过程及其消耗能量与豆科植物光合产物积累量之关系，阐明根瘤形成与固氮机能以至固氮过程的生化反应，这样，对于实现非豆科粮食作物(水稻、小麦、玉米等)以及经济作物(甘蔗、烟草等)的共生固氮，对于实现生物固氮模拟技术，都具有极其重大的经济意义和科学价值。

随着科学技术、特别是生物科学中的分子生物学的迅速发展，与其说现代生物科学的研究成果不断地渗透到农业科学研究领域，不如说农业科学本身必须主动地靠拢现代生物科学，必须积极地从生物科学的最新成果中吸取丰富的营养，才能蓬勃发展。当前农业生产中存在的许多悬而未决的问题，看来有从分子生物学角度才能够彻底解决。通常在基础研究尚未取得重大进展之前，要在技术措施上会出现新突破，是不容易办到的。比如，水稻对病害(主要是稻瘟病、白叶枯病、纹枯病)、虫害(主要是三化螟、稻飞虱、稻叶蝉、稻瘦蚊)的抗性机制，以至病虫杂草对化学药物的抗药性机制等等，看来只有通过深入研究生物膜系统(细胞膜、原生质膜、核膜、液胞膜、内质网膜、线粒体膜、微粒体膜、叶绿体膜、微管膜等)表面吸附的酶种类(一个植物细胞总共含有1万种不同类型的酶分子)及其活性，膜系统对物质的透过性和能量交换，酶活性与细胞免疫能力之关系等，才会得到彻底解决。

因此，可以说，以现代生物科学的最新研究成果来武装农业科学，是积极推进农业科学向前蓬勃发展的重要因素，而现代农业科学和生产实践提出的急待解决的实际问题，又将进一步促进现代生物科学的向前发展。

二、现代生物科学与农业科学各学科彼此交叉和相互依赖，导致研究领域向综合性和多学科性的方向发展

现代农业生产以及科学研究领域，为了大幅度提高劳动生产率，越来越趋向专业化，于是各个工序、各门学科遂越分越细，这就导致它们彼此之间互相联系、互相交叉、互相依赖，单靠本门学科知识和力量，已经难于解决当前农业科学领域内提出的重大综合性研究课题，因而必须实行多学科协作，相应集中人力物力财力，才可希望取得巨大进展或突破。

现代农业科学的重大研究课题之所以愈来愈带有综合性，就是因为当前农业生产提出的要求，并不限于局部改进某些农业技术措施，以便在一定范围内能够获得高产，而更为重要的是通过积极深入的探索，为农业生产成倍成倍地增长提供带根本性的科学手段和理论依据。现今国际上实行多学科协作，组织各有关学科既分工又联合以进行总体的研究，是解决重大综合性研究项目的最常见途径。

比如，美国1975年12月制定的生物科学十项研究计划，其基本宗旨是提高动植物和微生物对于食物资源的增产效能。在这十项研究计划中，特别强调光合作用，生物固氮和细胞遗传工程三项综合性研究内容。而在生物固氮这个项目中，就组织七个研究组数十门学科参与协作研究。例如，饲用豆科和粒用豆科植物研究组，就有农学、土壤学、植物营养学、细菌学、细菌遗传学、植物遗传学、植物生理学、植物生物化学等学科参加，规定该研究组应当完成的基本目标，而各门学科再根据基本目标去分别制定其所承担的具体内容。日本制定的“生物能量的发掘与利用”(1976~1980)的五年研究计划，以提高农业生产效能为中心，把农学、基础理论与应用生物学密切结合起来，对生物能量的若干基本问题，开展综合性的研究。例如，对于提高绿色植窗光能利用率的生物学机能的研究项目中，概括五个方面的综合性研究课题。(1)剖析光能吸收机制及提高光能利用效率，(2)阐明Co:的积集、固定机制及其生理机能，(3)阐明和控制光呼吸的机制，(4)采取农学措施提高群体光能利用率，(5)研究离体叶绿体典型光合过程。每个课题又具体规定一系列研究内容。

上述实例说明，要攻破重点综合性研究项目，就需要有专门化知识和技木，实行多学科协作以及科学研究管理机构进行协调，这三者便构成现代科学技木综合性研究的完整体系。

三、深刻揭露生命现象的本质，引导农业科学向人工控制的方向发展

人类对生物界的深入认识，深刻揭露生命现象的本质和生命活动的规律，就有可能对生物体及其活动过程实行人工控制。

随着生物科学的许多新兴学科诸如分子生物学、分子遗传学、遗传生理学、遗传生物化学、分子生物物理学、细胞遗传工程学等的迅速发展和广泛渗透，必将进一步扩大生物科学的研究领域和活动范围，进一步丰富和充实生物科学的知识来源，也必将为人类控制生物活动过程提供新技术、新方法和新途径。

最近几年来，细胞遗传工程(包括基因工程和染色体工程)的研究取得重大进展。在充分阐明植物细胞具有全能性(t以ip。‘姐cy)即由一个细胞能够恢复培养成完整植物体的能力的基础上，应用现代化超速离心技术、电子显微镜以及其他现代化实验技木装备，实行细胞融合(包括异种、异属植物细胞)以图育成杂种植物，这就是当前国际上相当盛行的细胞工程育种，这样就有可能按照人们的要求，对原来人工杂交难以成功的远缘植物，采取细胞工程育种途径，以育成具备理想性状(如高产、抗病、抗虫、抗寒、优质等)的新品种或新物种。其次，在细胞化学、酶化学、特别是基因工程学取得长足进展的基础上，对DNA之类的遗传基因能够进行分离、提纯及再组成，并能将其导入另一个细胞中，实行DNA余交，以育成人们理想要求的新物种，这就是近年来生物学界常说的基因工程育种。应用基因工程育种技木，可把高蛋白的基因，导入粮食作物或微生物细胞中，以育成高蛋白的粮食作物新品种以及蛋白质高生产效能的微生物种群;也可把抗病抗虫的基因，导入高产优质的粮食作物栽培品种中，以育成具有高度抗病虫的高产优质新品种。此外，近年又发展另一种技木，称为原生质体工程育种技术，这有如把C‘植物的高光效基因及低光呼吸基因(存在于细胞核、叶绿体、线粒体等细抱器之中)导入C3植物原生质体中，使C3植物叶片光能利用率提高到接近C4植物的高光效水平，而其光呼吸消耗量则大幅度降至接近C、植物的水平。

应用原生质体融合杂交育种技术，同样对于常规杂交难以成功的异种或异属植物，也易获得成功。由于每一个体细胞原生质彼此融合后而构成的杂种植株，其本身具有二倍性，且有可育能力，无须采取秋水仙碱之类的加倍处理，可以节省染色体加倍所需的时间，大大缩短育种年限和手续。

固氮基因的转导，也是近年来细胞遗传工程的十分活跃的领域之一。简单地把固氨菌固氮基因导入粮食作物根部原生质，是不能获得成功。因此必须深入研究豆科植物与根瘤菌对大气氮素固定的遗传机制，进一步揭露生物固氮的本质。近年来逐步发现，直接还原大气氮素者，是根瘤菌所生成的固氮酶。固氮酶是由两种蛋白质亚单位构成，其中一种的分子量为180000至280000道尔顿(分子量的单位);另一种为50000道尔顿。前者含有铂、铁、硫等元素，后者只含有铁和硫。这两种亚单位相结合才具备固氮酶活性。固氮酶易受o:影响而钝化，因此，为了防止其钝化现象，就必须具备豆血红蛋自(]e沙e二飞lobin)以使细泡内氧分压降低。然而这种豆血红蛋白的形成，则是受到豆科植物的遗传控制。可见，只有深入揭露豆科植物与根瘤菌共生固氮的讥制，要实观非豆科植物的生物固氮，才有可能。

细胞遗传工程学的进一步发展，将为人们定向控制生物休遗传特性提供巨大的可能性，这样就有可能按照人类的意图改变生物的遗传性状，克服种间杂交的障碍，扩大物种杂交的范围，大幅度提高物种变异的频率。据育种学家估计，采取选择自发突变的方法育种，其产生新组合性状的速度，要比自然界的进化过程快一万倍，运用遗传工程学方法，则要快一亿到十亿倍。因此，只要人们能够更充分地掌握基因转移的方法和深入认识基因表达调节控制的规律，就能够更准确地定向改变生物体的遗传特性，为人类按照自己的需要和愿望，有计划地改造现有生物品种和创造新物种开辟广阔的发展前途。

这里只是扼要概述现代农业科学的主要特点及其发展趋势，还有许多问题未曾涉及。然而就此也可以看出，农业科学技术的发展，已经并且正在为农业生产开辟新钓领域、新的途径，带来新的革命。当代，一些农业发达的国家，农业生产的大多数环节，已经采用有如上述的先进技木装备和科研成果，使得他们的劳动生产率比我国高出几十倍，农业产量也大大超过我国。因此，我们要树雄心，立壮志，急赶直追，要贯彻和落实华主席为首的党中央关于大办农业和大力开展农业科学研究的一系列指示，积极开展现代农业科学新技木的研究。当前，应该更加重视农业基础理论研究和新技木应用，加强农业生物遗传、生长、发育控制技术理论和方法的研究，加强农业生物生活环境和生态系统控制技术的研究，积极开展原子能、遥感和电子计算机等新技术在农业方面应用的研究，努力赶超世界先进水平，为建设社会主义大农业，大幅度提高我国农业劳动生产率和农业生产水平，实现新时期的总任务而奋斗。

固体力学研究方向篇4

【关键词】钢管混凝土加固柱，有限元模型，ABAQUS，延性，轴压比，翼缘长度，钢管厚度

0 引言：

随着建筑行业的发展，翼墙加固方法也引用到了建筑结构中，翼墙能够很好提高构件的抗侧移能力，放置在柱子的两侧或者一侧和柱子形成一个新的整体，共同承担荷载，增加了柱子的抗震性能[1]。在地震的作用下翼墙先于框架柱破坏，起到了很好的保护框架柱的作用，增大了整体结构的延性和耗能能力。

翼墙加固法具有加固效果非常的显著、施工方便、造价低等优点，本文在上述实验的基础上进一步考虑了影响钢管混凝土翼墙加固柱受力性能的几个参数。利用有限元软件ABAQUS通过对比分析法，得出参数对加固柱受力性能的影响。

1试件设计和材料力学性能

1.1试件设计

本文模拟中选取如下模型作为研究对象：混凝土柱尺寸为500×500mm，柱高为1.8m，纵向钢筋为12B16，箍筋为B8@ 200mm，底端加密箍筋为B8@100mm，两侧的翼墙为钢管混凝土，用钢套箍将钢管混凝土翼墙端部与钢筋混凝土柱固结在一起，其它部位无连接，钢套箍为高度为300mm，厚度为5mm。其中一个构件的截面如图5.1所示。

构件组的尺寸如表1所示。其中L（mm）表示钢筋混凝土柱的长，B（mm）表示钢筋混凝土柱的宽；l（mm）表示钢管混凝土翼墙的长度，b（mm）表示钢管混凝土翼墙的厚度；n表示轴压比；t表示钢管的厚度。

1.2材料力学性能

本文混凝土采用 C30，纵向受力钢筋和箍筋均采用HRB335级钢材，钢管采用Q345的钢材。

2利用ABAQUS对加固柱进行模拟分析

2.1模型建立

在本模拟中，混凝土翼墙和混凝土柱以及钢管三个部件均用8节点线性减缩积分式单元（C3D8R），纵向钢筋和水平箍筋采用两节点线性减缩积分式三维桁架单元（T3D2）[3]。

2.2定义相互作用

为了能够很好的拟钢管和混凝土之间的相互作用，本文认为钢管和混凝土之间满足下面几个条件[4-5]：（1）钢管和混凝土不可相互侵入；（2）接触力的法向分量只能是压力；（3）接触面的切向存在摩擦。钢管单元为主面，混凝土单元为从面，钢管和混凝土之间允许小滑移，摩擦系数为0.6，法向设定为硬接触，允许主、从面分离。

2.3施加边界条件与荷载

结合工程实际我们取框架柱中反弯点到固定端的部分作为研究对象，所以本文模拟中模型一端为自由端，另一端为固定端。

3管混凝土翼墙加固柱模拟结果分析

本文利用ABAQUS软件对三组构件，共6个有限元模型分别进行低周反复荷载作用下的模拟，这三组构件分别采用了轴压比不同其余变量相同和翼缘长度不同其余变量相同的原则进行对比分析，现选出其中几组进行分析。

3.1轴压比对构件的影响

通过对构件进行模拟分析，分别提取了加固柱的滞回曲线和骨架曲线，钢管混凝土翼墙中钢管厚度为7mm时，轴压比分别为0.3、0.5的加固构件的滞回曲线、骨架曲线图所示。

如图可知滞回曲线的形状比较饱满，当n=0.3时，构件受到的最大荷载值Fmax=723KN；n=0.5时，Fmax=881KN；n=0.7时，Fmax=987KN；在加载后期，骨架曲线出现下降趋势；随着轴压比的增大，曲线的下降斜率也越大；

本文利用有限元软件ABAQUS对建立的6个加固模型进行了模拟分析，并提取了它们的滞回曲线和骨架曲线。对其曲线进行了整理和分析得到以下结论：

（1）利用有限元软件ABAQUS轴压比、为参数建立的6个钢管混凝土翼墙加固钢筋混凝土柱模型进行分析，从滞回曲线和骨架曲线上可知，钢管混凝土翼墙加固柱均具有较好的耗能能力及抗震性能。

（2）通过对轴压比不同的几组加固构件的有限元模拟分析结果看出，随着轴压比的增加，加固柱的极限承载力增大。加载过程中随着加载位移的增大，钢管混凝土翼墙加固柱水平承载力有所下降，说明轴压比越大加固柱的延性越低。

参考文献

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[5] 许哲.预制翼墙及钢桁架加固钢筋混凝土框架试验研究[D]. 沈阳建筑大学硕士论文，2012

作者简介：

龙秋颖（1990―），女，汉族，黑龙江省富锦市人，职务：学生，学历：研究生，研究方向为结构加固。

张庚彪（1988―），男，汉族，山东省菏泽市人，职务：绘图员，学历：研究生，研究方向为结构加固。

固体力学研究方向篇5

在建筑领域中常用的FRP材料主要包括碳纤维（carbonfiber，简称CFRP）、玻璃纤维（glassfiber，简称GFRP）以及芳纶纤维（aramidfiber，简称AFRP）等。这几类纤维材料的物理力学性能十分优越，如拉伸强度与比重的比值，即我们所说的“比强度”是钢材的几十倍，轻质高强的特点十分突出。它们的拉伸模量与比重的比值，即我们所说的“比模量”也明前高于钢材。CFRP的比模量是钢材的10倍，AFRP的比模量是钢材的2~3倍。除上述提到的种类外，还有一种叫做混杂复合纤维(hybridfiber简称HFRP)，它是由两种或两种以上不同纤维、不同基体、不同形状的纤维材料混合加工而成的。混杂纤维兼具各组成成分的优点。

总之，与钢材等传统的加固材料相比，FRP材料具有明显的优势，具体体现在以下几个方面：（1）比强度较高，即具有轻质高强特性。与传统的钢材加固相比，采用FRP材料能有效减轻结构自重；（2）耐酸、耐碱、耐潮湿、抗疲劳性能好；（3）可设计性强，通过使用不同类型的纤维材料、含量和铺设方向设计出不同强度指标、弹性模量以及其它特殊性能要求的FRP产品，满足不同角度的需求；（4）具有良好的线弹性性能，应力应变曲线接近线弹性；（5）具有易于加工、运输及储藏等优点，FRP的成型产品还特别适合工业化施工，这极大提高了加固工程的质量、促进了劳动效率和建筑工业化。虽然如此，FRP材料也有其不足之处。如材料各向异性导致其受力性能不均匀，弹性模量较低及抗火性能差也限制了其应用。

2FRP材料在土木工程中领域的应用

2.1作为结构材料

1942年，美国海军首次采用GFRP材料制作雷达天线罩，这是FRP首次作为结构材料使用。二十世纪五六十年代，FRP的应用逐渐转向于民用建筑领域。1961年，英国工程师采用GFRP制作某新建教堂的尖顶；1968年，英国工程师在某港口城市建筑某个建筑物的弯顶时，由于当地空气中氯盐含量较高，对建筑物有很大的腐蚀作用，采用了GFRP板和铝质骨架；1971年，英国利物浦建成了一座跨径10米，宽1.5米的GFRP连续梁桥。

我国对FRP的研究始于上世纪五十年代末期。1958年，有学者研究在混凝土构件中使用玻璃纤维束替代钢筋。到二十世纪七八十年代，FRP在建筑结构中的应用越来越多。1972年，云南省某地建造的一个球形雷达天线罩，该天线罩全部采用GFRP材料制作而成。1982年，北京建成一座GFRP蜂窝箱梁公路桥，该桥跨径20.7米，为世界第一座使用FRP材料建筑的公路桥。在此之后，FRP在土木工程结构中的应用实例越来越多。但是，绝大多数的应用实例都是将FRP应用在附属性、临时性的构件，属于尝试性的。

近年来，随着FRP材料生产技术的不断更新与发展，其在建筑结构领域中的应用也越来越广。截止到目前，诸如FRP建筑结构、FRP桥梁结构等FRP材料在土木工程领域中的应用实例在全国各地随处可见。

2.2作为加固材料

结构的主要受力构件使用FRP材料，在减轻结构自重方面的优势十分突出。但是，以现有生产工艺大面积制造大尺寸FRP构件的成本较高，想在短时间内以FRP材料大面积替换传统建筑材料的可能性不大。近十几年来，全世界范围内的发生几次大地震后，建筑结构修复补强的需要越来越多，而传统的加固方式存在着难以克服的问题。这就给利用FRP材料加固补强建筑结构的相关技术提供了很好的工程背景。目前，针对FRP材料在结构加固领域中的研究和应用已经成为了目前学术界的一个研究热点。上世纪八十年代初，日本率先开始研究使用FRP材料加固补强老旧建筑物，特别是对老旧建筑抗震性能的加固与补强进行了细致的研究。上世纪九十年代，欧美发达国家相继开展了FRP加固技术的研究。美国率先将FRP应用于桥面板加固补强中。在欧洲，瑞士和德国最早开展FRP材料加固钢筋混凝土柱的抗震性能研究。英国、意大利、荷兰等国家也针对FRP加固技术进行了广泛的合作研究计划。截止至目前，利用FRP的补强技术在欧美、日本等发达国家已近成熟，并形成了自己的设计和施工准则。

我国的碳纤维加固修补混凝土结构技术起步于上世纪九十年代。但自1997年以来，国内各高等院校、科研院所也积极开展了相关的科研工作，取得的研究成果十分丰硕。中国建筑科学研究院等对FRP加固混凝土结构的相关理论、技术进行了系统的研究。清华大学等对CFRP加固各类结构的承载力及影响因素进行了细致深入的研究。东南大学、华中科技大学等对混凝土框架节点粘钢加固及抗剪承载力进行了研究，提出了承载力的计算公式。沈阳建筑大学等对FRP加强钢管混凝土柱结构的力学性能进行了深入研究。

3结语

随着技术的向前发展，利用FRP加固的新方法已经从工业与民用建筑的加固修复发展到加固桥梁、隧道、水利工程以及其他特种结构的加固修复。FR材料在土木工程加固领域中有着非常广阔的应用前景，但关于FRP加固建筑结构的基本理论和设计方法的仍存在许多不足，在这方面的科研工作需要较强。但是，FRP材料作为一种新兴的材料，其在建筑结构加固领域中的应用优势是不可忽视的，它在土木工程加固领域中的应用定会越来越广泛。

固体力学研究方向篇6

（烟台大学环境与材料工程学院，山东烟台264005）

摘要：随着全日制专业硕士招生数量的加大，企业对优秀工程硕士研究生的需求也在逐步增大。为了使培养的工程硕士研究生能更好地服务社会，各高校在培养方案制定、毕业论文选题等各个环节都注重密切结合各专业的行业需求，使培养的硕士研究生既拥有一定的理论基础，又具备较强的实践能力，毕业后能很快地适应企业需求，满足企业对具有良好职业素养和解决实际问题的工程师的需求。本文以烟台大学环境与材料工程学院材料工程专业硕士研究生的培养模式为例，探讨工程硕士研究生培养环节设置的重要性，以期为工程硕士研究生的培养提供参考。

关键词 ：工程硕士；基础理论；实践能力；培养模式

DOI:10.16083/j. cnki. 22-1296/g4. 2015. 08. 002

中图分类号：G643.0 文献标识码：A 文章编号：1671-1580（2015）08-0004-02

2009年，教育部进行了学位制度改革，力求转变研究生培养理念，全日制专业硕士研究生不再仅仅面向往届毕业生，开始鼓励应届毕业生报考，目的就是要培养现代经济社会发展急需的应用型高层次人才。为了更好地适应社会发展对高层次人才的需求，对全日制硕士研究生实行分类培养，对于一些具有一定科研潜力而又愿意致力于科学研究的学生，鼓励其报考学术型研究生，以后可以到科研院所搞研究工作，或者选择攻读博士研究生进一步深造。对于一些将来不想从事科学研究工作，而是毕业后想到企业发展，但是觉得本科学到的知识不能满足企业需求，想进一步提高自己解决实际工程问题能力的学生，鼓励其报考专业硕士研究生，进一步提高自己的理论素养和工程实践能力。

本文以烟台大学环境与材料工程学院材料]二程专业硕士研究生的培养模式为例，探讨工程硕士研究生培养环节设置的重要性，以期为材料工程硕士研究生的培养提供参考。

一、研究方向的确定

根据学院各个教师的研究方向、学院现有的实验条件、合作培养单位的情况等设定材料工程硕士的培养方向。学院设有无机材料方向、高分子材料方向、新型金属材料及其制备加工技术、金属材料组织与性能控制、材料表面特性与改性技术等研究方向。当然，每个培养方向都是注重理论为基础、实践能力培养为最终目的的培养模式。无机材料方向侧重研究与开发无机质材料的新品种、新工艺、新特性、新用途以及新的实用技术；高分子材料主要研究将高分子材料合成与加工融为一体的新型反应加工制造技术；金属材料主要以新型金属材料加工制备技术与工艺的研究为主，研究金属材料加工过程中的微观结构、组织形态、相变规律及其对材料零部件强韧性和服役寿命的影响，实现金属材料组织与性能的精确控制；材料表面特性与改性致力于研究耐磨、耐蚀、耐高温涂层材料及其加工设备技术、材料表面涂层的制备技术及调控技术。

二、培养目标的明确

虽然全日制工程硕士研究生的培养目标是培养应用型人才，但是对于他们的培养应该区别于职业学院学生的培养模式，充分考虑到硕士研究生的教育层次，使专业硕士研究生在知识结构上实现学术与应用的统一，既具备一定的学术水平，达到硕士研究生层次教育的学术水平，掌握较深厚的本学科领域的理论知识，同时具备解决实际应用问题的能力和素质。基于上述思路，我们制定了学院材料工程硕士研究生的培养目标——既要掌握材料工程领域的基础理论、先进的材料制备技术、材料检测技术和手段等，又能够在该行业的某一具体方向具备良好的独立从事丁程设计、工程实施、工程研究、工程开发、工程管理等能力，特别是具有较强的解决工程实际问题的能力。

三、课程体系的构建

全日制丁程硕士课程体系设置不能完全“去学术化”。在课程设置方面，我们注重基础理论课程和工程应用类型课程并存，将材料工程硕士研究生课程分为公共基础课、专业基础课、专业限选课和选修课四类。公共基础课包括中国特色社会主义理论与实践、自然辩证法、知识产权法等政治理论课以及基础英语、专业英语等。政治理论课采取在国家规定的教学大纲范围内完成课程设置。外语作为工具学科，在制定教学大纲时就充分考虑工程硕士研究生的培养目标和要求，紧密结合专业工程实际的要求，使学生在具备一定的基础英语知识的基础上，通过工程外语类课程的学习熟练掌握工程实践类英语知识，具备查阅英文资料、了解行业发展方向的能力。

在专业基础课方面，我们设置了固体物理、固体化学、材料现代分析测试技术等材料学科的基础课程。固体物理着重研究固体的物理特性、微观结构、固体中各种粒子运动形态和规律及它们的相互关系；固体化学重在研究实际固体物质化学反应过程及特性、固体的合成方法、晶体生长过程、固体的化学组成和结构，特别是固体中存在的缺陷及其对物质的物理及化学性质的影响，探索固体物质作为材料实际应用的可能性：材料现代分析测试技术则可以使学生掌握材料常用的测试技术、测试手段等以及各种测试方法的基本原理。

专业限选课和必修课则根据学院主要的科研方向设置了一些应用性很强、紧密联系工程实际的课程。选修课的设置为学生自主选择课程类型提供了方便，学生可以和自己的导师协商，根据自己所从事的毕业论文选题以及将来自己想从事的行业选择适合自己发展的课程。

为了提高教学质量，我们选用资深的研究生导师作为授课教师，他们不仅具有深厚的理论知识，而且具备丰富的科学研究和工程实践经验。此外，为了使学生更早地接触企业发展现状、了解材料行业的发展前景，学院聘请优秀的企业导师或行业知名专家为学生开设学术讲座、特色专业选修课。

四、学位论文的选题

材料工程硕士的培养采用两年制，课程学习时间安排一年，学位论文安排一年。课程学习结束后，鼓励学生到企业去，由学校导师和企业导师联合培养。学校导师和企业导师根据学生所学专业的实际情况以及企业的实际条件，结合学生将来的就业前景，选取切合实际的应用性论文题目。论文选题可以是新技术、新工艺、新设备、新材料、新产品的研制和开发，工程设计与研究，技术研究或技术改造方案研究，工程软件或应用软件开发，工程管理等。论文内容应达到学校对工程硕士研究生论文工作量的要求，体现作者综和运用所学的科学知识解决工程实际技术问题的能力，理论联系实际，既具备一定的理论基础，又具有较强的实用性。

考虑到我们学院材料工程硕士研究生的学制较短，为了使学生更好地完成学位论文，在课程学习阶段，利用学生的空余时间让学生多掌握一些技能，提早为学位论文的完成奠定一定的基础。入学后，导师可以根据自身的科研情况，尽早为学生选好毕业课题，指导学生先查阅

参考文献，了解相关课题的发展动态、研究情况以及将来的发展方向，提前确定课题的实施方案。导师也可以带领研究生到相关的企业去调研，看看目前企业相关研究及技术的实施情况、运行过程中有没有遇到一定的技术难题、有没有改进的空间以及技术在行业的认可度如何。这样学生就可以在两年的时间内多学到一些东西，可以更好地完成毕业论文。

固体力学研究方向篇7

关键词：锚杆静压桩 设计 挤土沉降 研究

中图分类号：TU472.99 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）001-001-02

随着我国城市建设的不断发展，建设用地受到越来越大的制约。在软弱地基上修建建筑物或对原有建筑物进行加高、加固都需要对地基进行处理。锚杆静压桩技术是一种加固地基的新技术，自80年代在我国首次应用，经过二十多年的发展已经取得了很大的改进。本文将对锚杆静压桩的研究现状作简单的介绍。

1 锚杆静压桩工作机理

锚杆静压桩是借助锚杆与建筑物基础底板相固接提供的反力，再通过反力架作为传力系统，利用安装在桩顶的千斤顶把预制桩逐节挤压入土层中，达到设计深度和要求的承载力后，再把桩顶与基础底板用微膨胀早强混凝土进行封装，待混凝土凝固后便可和建筑物形成整体，与原有基础共同承受上部荷载，提高了原有建筑物基础的承载能力，满足建筑物加高或加固的需要。压桩反力由建筑物本身自重提供，同时也要求锚固结点满足一定的抗拔力，才能保证压桩的施工顺利进行。

2 锚杆埋设技术的研究

锚杆静压桩在施工过程中是依靠锚固于基础的锚杆和钢梁形成的反力架提供反力，因此，锚杆锚固于基础的牢固程度往往决定了压桩荷载的设计。若锚杆抗拔力过小，而压桩力又比较大，则锚杆容易发生滑脱，这是施工所不允许的，因此，必须对抗拔锚杆设计与埋设的质量足够重视。通常静力压桩的施工，是通过使用带有配重的静力压桩机完成的，而后压桩技术是在已有建筑物的基础上实施，大型压桩机械无法实施。使用锚杆静压桩很好地解决了场地受限的问题，但由于没有解决反力架的锚固问题，其使用受到了限制，为此，许多单位展开了对锚杆与基础锚固问题的研究。冶金部建筑研究总院同第一冶金建设公司等单位发明了环氧砂浆锚固地脚螺栓的新技术，奠定了锚杆静压桩的发展基础。施工时，先在基础中钻孔，然后放置锚杆，埋深为10倍锚杆直径，锚杆可采用直杆形式，端部镦粗或加焊钢盘箍。最后用环氧砂浆做粘结剂封填钻孔，在桩顶用混凝土封桩。经实践发现，少数锚杆会因设计压桩力超过锚杆的抗拉强度造成锚杆缩颈外，锚杆并未被拔出，从而可以证明用环氧砂浆粘结的锚杆具有较大的抗拔能力。此外，若能确保锚杆孔内干燥，也可用硫磺胶泥作粘结剂。

目前锚杆静压技术对于压桩深度较大的场地显得不足，为满足增加后压桩深度提高承载力的需要，上海市第二建筑有限公司发明了一种实用新型静压锚杆桩反力装置，它解决了传统的锚杆静压桩压桩深度小，压桩力小的缺陷，具有更合理的结构，反力架便于移位，施工工艺简单、工期短且造价低等优点，特别是当城市建筑物密集，打桩机械活动范围受到限制的施工环境时，更显示出其优越性。

3 锚杆静压桩的设计研究

1984年，周志道结合安徽芜湖少年宫事故工程《锚杆静压桩法》，标志此项技术的产生。在第七届全国地基处理学术讨论会上发表的论文中曾明确提出该项技术有待解决的课题：锚杆静压桩技术应用于新建压桩或已建工程补桩的设计计算理论研究和各种加固形式合理参数确定以及沉降计算。

现行针对锚杆静压桩技术的规范是1991年发行的《锚杆静压桩技术规程》，里面很多设计理论是参照桩基设计规范的，对锚杆静压桩工作机理，施工影响等还需要作深入的研究。近年来，许多学者和各种施工单位都对锚杆静压技术作了大量的研究，总结出了许多设计经验和理论研究成果。文献[1]从时间效应、深度效应、荷载分担以及工后沉降等问题对锚杆静压桩进行了较为系统的土力学阐述，并对设计提供较多的建议值。文献[2]探讨了压桩力系数取值问题，解决了相关规范和规程在对锚杆静压桩描述时的一些矛盾。文献[3-4]对桩身应力分布规律进行了研究。文献[5]系统地研究了桩身回弹问题。文献[6]用小孔扩张理论，分析了后压桩施工挤土的塑性半径范围。文献[7-12]结合工程实例扩展了锚杆静压桩的应用范围,并探讨了相关设计计算理论。从各种研究文献中还发现，其设计计算理论大多套用相关桩基规范，研究没有系统化，因而对施工造成了不必要的浪费。鉴于此，袁志斌等通过阐述复合地基理论,指出目前锚杆静压桩设计方法的不足，认为运用复合地基理论分析锚杆静压桩才是比较经济合理的，并通过实例验证了该设计理论的可靠性。锚杆静压桩不仅可以应用于基础加固，也可应用于新建工程，对于大型机械无法进入的场地其优越性得到充分显示。江声述对新建工程应用锚杆压桩法做了较为全面的研究，总结了许多设计理论：新建建筑物的基础需先施工承台，并预留压桩孔和预埋锚杆。接着施工上部结构且要保证自重足能满足压一根桩所需反力，这时就可以进行压桩施工，并封孔，使桩与基础牢固联接在一起。锚杆静压桩单桩的承载力要和上部结构可提供的压桩反力以及承台作为基础的承载力相互联系，设计时要有全局思想，通常遵循从布桩及承台设计开始，然后确定单桩承载力，再进行桩基础的设计和验算的步骤。

4 锚杆静压桩挤土沉降问题的研究

4.1 锚杆静压桩挤土效应分析

锚杆静压桩是一种后压桩技术，它能解决后期加固问题，但施工中产生的挤土效应和附加沉降不容忽视，处理不当反而增加了原有建筑物的沉降，因此对其应有深入的认识。锚杆静压桩在施工时必会挤土，由此引发土体的两种变形：一种是桩土摩擦产生的竖向位移，另一种是挤土成孔产生的土体侧向挤出。施工的桩数越多，速度越快，挤土产生的效应就越明显，过大的附加沉降和水平位移将会对建筑物产生危害。锚杆静压桩所挤压土层在上部荷载作用下，已完成压缩固结过程，相比新建工程静压桩挤土阻力较大，同时由于上部结构的限制，挤土时的侧向膨胀也更突出，过大的水平位移对周围建筑物和管线等设施的影响严重。而且原有桩基也会受土体水平挤压而发生偏移甚至断裂，所以，锚杆静压桩施工设计不当，不仅没能增加基础承载力，反而起到了破坏作用。因此，有学者对锚杆静压桩施工的挤土问题进行了较深入的研究。同济大学李永盛等认为锚杆静压桩的桩土作用机理与一般的挤土桩是不完全相同的，它是土层已有附加应力的基础上进行沉桩，空间效应明显，是三维问题。他们运用小孔扩张的理论，在考虑竖向荷载影响的情况下，给出了一种计算桩周塑性变形范围的计算方法。

4.2 锚杆静压桩附加沉降分析

锚杆静压桩施工是一个动态过程，受挤压土体的各种物理反应随着深度呈非线性变化，受力状态和附加沉降的产生变得非常复杂，通过研究发现，主要有4个方面的原因导致了锚杆静压桩挤土效应的复杂化。

(1)桩侧粘性土由于受到挤压而产生塑性变形，土体有向上隆起的趋势；也可能被挤密而发生沉降，两种结果都会使桩周土受到径向压缩，土体产生塑性流动并向地表挤出。对于非粘性土，受挤压后不仅产生弹塑性变形，而且还被挤密，其结果可能产生隆起也可能产生沉降，这和粘性土受挤压时竖向变形的情况不同。

(2)压桩过程中桩端阻力和桩侧摩阻力引起的附加沉降。沉桩时，由于桩的挤土效应，桩周土体受到扰动和重塑，桩侧摩阻力比桩端阻力小很多，可忽略不计。因而桩阻力引起的附加沉降主要是桩端引起的，它的大小可以根据Mindlin公式用分层总和法求解。

(3)压桩时桩周围土体产生塑性变形导致强度降低，在上部荷载不变的情况下引起附加沉降。由于沉桩时会对桩周围的土体产生挤土效应，在桩周一定区域内土体会发生塑性变形变成重塑土，土体的强度大幅度降低，在上部荷载一定的情况下，土体变形增大，即地基的压缩模量变小。锚杆静压桩的施工都是在一定的荷载作用下进行的，所以会引起一定的附加沉降。

(4)封桩引起桩体回弹产生的附加沉降。通常锚杆静压桩沉桩时，在压到最后一节桩时，所施加的压力能达到200多KN。而锚杆静压桩的桩径通常很小，其桩长则可以达到20m左右，所以在压桩的过程中桩体会产生相当大的弹性压缩变形，当作用于桩体上的荷载撤除后会产生很大的回弹变形。然后进行封桩，上部结构的荷载会逐渐转移到锚杆静压桩上，此时桩体会产生再压缩变形。这个过程可以归纳为加载-卸载-再加载的循环过程，再压缩弹性变形就是附加沉降。

在沉桩的过程中，前三种附加沉降是同时发生并相互作用的，因而在分析附加沉降产生的原因时，要把这三个方面联系起来考虑。同济大学刘万兴等根据前三种附加沉降的原因推导了沉降计算的公式，并运用该公式对一工程实例进行了计算与分析，所得计算结果与实际情况基本符合，具有一定的可操作性。

5 锚杆静压桩技术展望

锚杆静压桩加固地基技术是我国在土木工程领域自主研究开发成功的新技术，经过二十多年的发展，现在已成为技术可靠、经济合理的新型加固方法。锚杆静压桩技术也还有很多需要改进的方面，还有很多新技术要去创新，例如研制新的压桩设备，运用单板机对压桩力、桩长等参数实时显示，配置自控电脑，进行智能化施工。因此，许多新的课题需要广大技术人员去发掘和创新。

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固体力学研究方向篇8

[关键词]排水固结法 地基处理新技术 水利工程 教学模式改革

[中图分类号] TU41;G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）06-0132-03

地基处理（foundation treatment）一般是指用于改善支承建筑物的地基（土或岩石）的承载能力，改善其变形性能或抗渗能力所采取的工程技术措施。[1]随着我国各类建筑与高等级公路的高速发展，软弱地基处理成为工程界亟待解决的重大问题。[2]目前，重庆交通大学地基处理新技术课程是针对水利工程专业研究生开设的，也有很多高校的土木、交通、水利、铁路等专业都开设了本课程或教学内容相近的课程，旨在扩大土木工程及相关专业的学生的知识面，熟悉常用的较新的地基处理方法，提高解决工程实际问题的能力。[3]排水固结法作为地基处理技术中一种最基本的方法，主要用于解决地基的沉降和稳定问题，是本课程的重要内容之一。

课堂是教育教学的主阵地，它直接关系到培养什么样的人的问题。[4]课堂教学是教育教学中普遍使用的一种手段，它是教师给学生传授知识和技能的全过程，课堂教学模式直接影响教学效果。本文从排水固结法的教学特点及教学中存在的问题两方面出发提出课堂教学模式改革方法，以期达到诸多教育者和研究者所关心的如何提高该方法教学质量的问题。

一、排水固结法的教学特点

（一）授课对象

为了提高硕士研究生地基处理专业知识与专业技能，我校早在2007年就为水利工程专业研究生开设了地基处理新技术作为专业基础课，并作为其他专业的专业任选课供全校研究生选择学习。我校是重庆乃至中国西南地区较早开设地基处理相关研究生课程的高校之一，并且把作为基础本方法的排水固结法选为本门课程的教学重点和必须掌握的知识点。因此该方法的主要授课对象为研究生，且主要为水利工程专业硕士研究生。

（二）授课教学内容

排水固结法又称为预压法，适用于饱和软黏土、可压缩粉土、有机质黏土和泥炭土等，特别适用于在持续荷载作用下的地基土。它是一种在建筑物建造以前，在天然地基或者设置有竖向排水体的地基上进行加载预压，使地基中的自由水随着竖向排水体排出而使得固结沉降提前完成，地基土强度得到提高的方法。[5]排水固结法的教学内容安排如表1所示：

表1 排水固结法的教学内容安排

从教学内容上看，排水固结法的授课主要存在以下两个方面的特点：

1.涉及知识面广：排水固结法包括堆载预压法、真空预压法、真空堆载联合预压法、电渗法几种基本方法，包含加固机理、设计计算、施工工艺等方面的教学内容，体系庞大，涉及土力学、水力学、工程地质学等基础专业知识，涉及知识面广，要求学生有一定的专业基础;

2.工程实践性强：学习排水固结法的目的是使学生掌握其基本理论，了解本方法或技术最新的发展动态，分析存在问题的原因，掌握方案的选择和评价，培养学生应用本方法加固适用地基的实践能力。教学内容与工程设计规范密切相连，学习的最终是服务于工程设计，因此具有较强的工程实践性。

二、课堂教学模式存在的问题

目前针对教学内容主要存在的问题有：

（一）“灌输式”授课

研究生教育是我国教育结构中最高层次的教育，肩负着为国家现代化培养高质量创造性人才的重任。[6]研究生的硕士阶段教育，是本科毕业之后继续进行深造和学习的一种教育形式，在学生掌握专业所需基本技能后，在专业修养素质上有更大的提高，其目标是培养有一定理论基础的专业设计工作者即设计师。研究生毕业生在国家各项事业中发挥着重要的作用，他们中间有相当一批人将成为教学、科研和部门的主要骨干力量以及学术带头人，有的将获得国家发明奖和重大科技成果奖。排水固结法的授课对象为硕士研究生，他们有别于本科生，处于接近成熟的成长时期，求知欲望强，对未来有很高的期许，且有强烈的拓宽知识面及接触新鲜事物的要求，采用本科传统的“灌输式”授课方式是不能满足硕士培养的要求，这是针对授课对象存在的主要问题。

（二）底子薄

排水固结法的教学内容涉及知识面广，需要学生对土力学、水力学、工程地质学等基础专业知识有全面的了解，而我校的水利工程研究生招生来源于不同高校或相近专业，他们本科开设的课程有所不同，对专业基础知识的认知面单一，想要“消化”排水固结法中的相关知识点，有一定的难度。

（三）见闻少

排水固结法学习的目的是服务于工程实际，而绝大部分学生是本科毕业后直接攻读硕士研究生学位，毫无工程背景，听到见到的工程都比较少，学生仅靠书面教育，想象力的发挥存在很大的局限性，见闻少也使学生对该方法的掌握多了一道障碍。

（四）条理不佳

从表1可以看出，在教学中先对排水固结法进行了概述，后进行了加固机理、设计计算、施工方法等方面的介绍，其中分别讲述了几种基本方法，教学的侧重点在于基本原理，理论性很强也比较全面，但是这样的表述方式让学生难于对某一个方法形成系统性的认知。研究生毕业以后，大多就职于设计院、研究院以及高校，从毕业生毕业工作以后的反馈信息可知，多数毕业生对复合地基排水固结法的理解不透彻，概念模糊，缺乏具体排水固结法分类方法的认识，当遇到工程设计分析的时候，一片茫然，不知如何下手。

（五）缺乏支撑

理论来源于实际，又服务于实际。排水固结法学习的最终目的是解决实际问题，但在本教学内容的设计上，极少提及实际工程，有一定的缺陷性，单纯的理论教学容易让学生感觉疲惫，且不易理解。

三、课堂教学模式改革

（一）教学内容的改革

由于排水固结法教学内容条理性不佳，并且缺少工程实例，让学生对该部分的内容含糊不清，设计方法不明确，因此，对该部分教学内容进行了改革，改革后的教学内容如表2所示。

表2 排水固结法改革后的教学内容安排

从表2可以看出，改革后的教学内容与原教学内容相比，存在几点不同：

1.先简述排水固结法的原理，对几种方法中一致性的内容作了统一讲解后，按照小节的方式分别讲解每一种方法的原理、设计、施工，各个击破，也有利于学生进行对比分析理解，对每一种方法形成系统性的认识;

2.增加了工程案例小节，形成系统认识后，列举了我国几种应用排水固结法进行地基加固的工程实例，进一步加深了学生对排水固结法各种方法的认识;

3.针对研究生的培养目标，根据本行业目前的研究动态和国内的工程应用情况，增加了发展趋势一小节，让学生更好的分析了解排水固结法的发展动态，为他们的科研之路做好铺垫工作;

4.通过本章思考题，让学生巩固所学排水固结法知识点，便于日后应用。

（二）“图片+视频”式教学模式

排水固结法的教学内容决定了排水固结法教学工程实践性强的特点，规范规定的条例仅靠文字表述，会让课堂了无生气，学生的学习热情大幅度降低。图片是一种直观的简化的表述方式，在课堂教学中使用简单的文字配以形象的图片制作课件，让课堂教学五彩斑斓起来，能够合理规避学生的视觉疲劳，提高课堂学习效率。而随着电子科学技术的飞速发展以及信息化进程的加快，越来越多的工程制作宣传片，还有按照原理制作的一些教学短片，工程现场拍摄的视频等都可用作教学，使课堂更加活泼生动。因此，这种“图片+视频”式教学模式可以很好的提高学生的学习兴趣，传输大量的学习信息，加深学生对教学内容的记忆，加强对知识点的理解，能够有效的提高课堂教学质量。

（三）网络化学习方式

20世纪80年代以来，教育改革的总趋势是教育多元化、社会化、信息化和国际化。[7]对硕士研究生的培养，应采用课程学习和科学研究相结合的方式，因此既要注意知识的传授，更要加强能力的锻炼。硕士研究生毕业要在坚实的掌握本学科基础理论和系统的专门知识的基础上，具有从事科学研究工作或独立担负专门技术工作的能力。要达到这一要求，硕士研究生必须具备查找和阅读科技文献的能力，正确掌握学科的发展动态及发展趋势。在本课程中，针对教学对象为硕士研究生这一特殊授课对象和几乎每位学生都有电脑的特点，增加了排水固结法的发展趋势一节，这一节的增加也旨在培养学生查阅相关科技文献数据库或其他相关网络文章的能力，通过阅读文献，了解排水固结法的发展动向，总结其发展趋势，凝练其科学难题，学习解决这些科学难题的科学研究的方法。

三、结论

课堂教学是教育教学中使用最多最为普遍的一种教学方法，其教学模式的正确与否很大程度上决定了教育质量的高低。文章结合排水固结法的特点及教学中存在的问题，广泛吸取国内外其他高校同行的教学经验，参考毕业学生和用人单位反馈的信息，依据现代化的教育教学理念，在多年的教学经历中总结教学经验，重点探讨了通过调整课题教学内容、综合运用其他教学手段的课堂教学改革模式。与原来的教学模式相比，新模式能够结合课程内容自身特点，以学生为中心，采取多种手段，激发学生学习的兴趣，加深学生对工程概念的理解，充分调动学生学习的主观能动性，因此使教学真正达到培养工程师的目的，取得了较好的教学效果，并且为进一步的科学研究打下基础。

[ 注 释 ]

[1] 郑俊杰.地基处理技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.

[2] 李彰明，冯遗兴.动力排水固结法参数设计研究[J].武汉华工学院学报，1997（19）：41-44.

[3] 郑俊杰，龚文慧，刘尚蔚.《地基处理技术》课程教学方法探讨[C].土力学教育与教学――第一节全国土力学教学研讨会论文集，2006.

[4] 张晓华.当前课堂改革的困惑与对策[J].教育情报参考，2005（6）：37-38.

[5] 王俊杰，唐彤芝，彭.地基处理新技术[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[6] 赵军，唐祖爱.水文水资源学科联合培养研究生模式的探索与实践[J].河海大学学报（哲学社会科学版），2005（1）：75-77.

[7] 梁世宁.新课标下中学地理情境教学的理论与实践研究[D].福州：福建师范大学教育硕士学位论文.

[收稿时间]2014-12-18

[基金项目]重庆市研究生教育优质课程2013年（34号）基金项目。