固体力学原理范文

固体力学原理篇1

骨骼最基本的功能就是传递力学载荷，发挥支撑及运动功能. 脊柱是人体的中轴骨，是人体的脊梁，是一个具有多个复杂关节连接的系统，其功能发挥依赖于完整的骨性结构和正常的负重力线. 所以，任何创伤、退变、炎症、肿瘤及畸形等疾病所引起的脊柱骨质结构破坏或力线异常，都将会导致其正常生理功能丧失，从而产生相应的临床症状. 脊柱外科手术最根本的目的就是消除病因，重建脊柱稳定和恢复脊柱生理曲度. 随着脊柱重建理念的更新及内固定器械的不断改进，越来越多的工程力学原理和技术也被应用于脊柱外科，用以解决脊柱骨性结构破坏或力学异常所导致脊柱不稳定等方面的问题［1-3］. 因此，脊柱外科与工程力学的结合越来越紧密. 脊柱外科的核心手术技术包括减压、固定和融合三个方面. 每一个过程中都包含着大量的工程力学原理，与脊柱的稳定重建密切相关，尤其在脊柱固定、脊柱融合和椎体强化方面，借鉴了大量的工程学原理，目前已经发展到一个比较成熟的阶段，而脊柱的稳定重建离不开对构成脊柱的椎体、椎间盘和小关节突等结构的再处理.

1椎弓根螺钉固定技术-杠杆原理

1.1椎弓根螺钉固定技术根据“三柱”理论，脊柱可以分为前、中、后三柱，在脊柱的运动过程中，每一柱都承担相应的应力. 由于椎弓根螺钉能够从椎体后方，穿过椎弓根，直达椎体前方，将椎体的前、中、后三柱贯穿固定，获得立体三维空间的稳定，因此，椎弓根螺钉技术较椎板钩、前路钢板等其它固定方式有更强的力学稳定性. 椎弓根螺钉与金属棒及横向连接器的组合，其力学原理类似于建筑工程学中脚手架固定，它可以通过对螺钉施加不同方向的载荷而获得对椎体间撑开、加压及旋转等功能.

1.2椎弓根螺钉固定技术的临床应用椎弓根螺钉技术已经成为脊柱手术中最常用、最重要、最核心的技术，在稳定重建中具有不可缺少、不可替代的作用，是脊柱外科领域划时代的技术. 目前，每年有近20万例脊柱疾病患者在手术中需要使用椎弓根螺钉技术，螺钉年使用量近百万根，并且以每年30％的速度增加. 椎弓根螺钉技术力学优点体现最为突出并在临床上大量应用的就是在椎体滑脱复位和脊柱侧弯矫正的过程中. 治疗方法是通过手术复位，重建脊柱生物力线，恢复正常生理曲度. 手术方案是采用两组椎弓根螺钉或三组椎弓根螺钉进行复位. 表面上，两种方法都是通过螺钉提拉作用，完成椎体复位，但实质上，其应用的工程力学原理各有不同. 两组螺钉固定原理为悬臂梁结构，它是以一个支点对另外一个支点进行提拉，在工程学中最典型的应用是单臂起重机的工作原理；三组螺钉固定原理则是工字梁结构，它是通过两个支点对位于中央的力点进行提拉，工作原理与龙门吊车极为类似. 因此，在椎体严重的滑脱复位过程中，三组螺钉固定方法疗效优于两组螺钉固定方法的力学原理即在于此［1-2］.

除了提拉复位作用以外，椎弓根螺钉还可以完成加压、撑开、去旋转等功能，这在脊柱侧弯的矫形过程中极为重要. 脊柱侧弯在力学上主要表现为承载力线改变，同时存在矢状面、冠状面和水平面的力学平衡丧失，是一个三维立体畸形. 因此在畸形矫正过程中，需要同时应用加压、撑开、去旋转等方法，恢复脊柱力线，纠正力学失衡. 在现有的种类繁多的脊柱内固定器械中，仅有椎弓根螺钉能够提供这种三维空间矫正性能，因此，椎弓根螺钉技术已经成为脊柱侧弯畸形矫正中不可缺少的技术［3-4］.

1.3椎弓根螺钉固定技术存在问题在临床工作中，由于骨质疏松常引起椎弓根螺钉固定能力下降，螺钉松动脱出，进而导致手术失败. 随着脊柱内固定手术的广泛开展，多种原因导致的术后翻修病例也越来越多. 如何处理翻修时椎弓根螺钉固定强度下降的问题，也成为困扰脊柱外科医师的棘手问题. 因此，如何解决因脊柱骨质条件不佳和手术操作失误所导致的椎弓根钉固定强度下降，已成为脊柱内固定研究领域的当务之急. 椎弓根螺钉固定的关键取决于能否得足够的骨螺钉界面把持力，而且，这种把持力要持续到椎体间达到坚固的骨性融合为止. 影响螺钉固定稳定的因素不外乎两个，一个是螺钉本身，另一个是椎体. 在螺钉方面，影响因素包括螺钉外形、直径、长度以及螺钉的置入方向、位置等；在椎体方面，影响因素则包括骨质密度、骨质强度等，如骨质疏松. 任何引起椎体力学强度下降的病因均会导致拧入其中的螺钉把持力下降. 因而，螺钉固定稳定的核心因素就是钉道骨质螺钉螺纹的界面情况.

1.4膨胀式椎弓根螺钉的研发设计及临床应用工程学专家提出的方法是使用膨胀螺钉，同时强化处理墙面，从矛盾的双方面着手，解决螺钉松动的问题. 由此，我们也考虑能否将此理念用于解决脊柱内固定不稳的难题. 通过对椎弓根螺钉固定的关键因素进行了细致分析，西京医院骨科在国内外率先提出椎弓根螺钉稳定应着眼于螺钉早期机械性稳定，远期生物性稳定的原则，并研发出国内首个膨胀式椎弓根螺钉系列产品. 大量的实验研究证明，膨胀式椎弓根螺钉通过膨胀加压的作用，使螺钉周围骨质致密化，提高了螺钉的初始固定强度. 3 mo后，骨质长入膨胀螺钉的膨胀间隙内，达到了“钉中有骨，骨中有钉”的远期稳定效果，很好地解决了椎体骨质疏松所导致的内固定不稳或不能固定的难题. 从2006年8月开始临床使用膨胀式椎弓根螺钉治疗植钉条件不佳的患者300余例，结果螺钉植入体内后无松动、断裂迹象，螺钉-骨界面密合性好，疗效满意.

2椎体间融合与非融合技术-张力带原理与万向轴头结构

正常椎间盘承受抗压、弯曲、剪切三维空间载荷. 当椎间盘发生退变后，蠕变率与初始松弛率增加， 达到平衡所需时间缩短和平衡时的载荷减小，椎间盘缓冲和传递载荷的功能相应减弱，进一步加重椎间盘的退变、突出，压迫神经产生症状. 手术的目的就是将退变的椎间盘切除，解除脊髓、神经根受到的压迫. 术后重建椎间隙高度、恢复脊柱生理曲度的技术主要可以分为椎体间融合技术与非融合技术.

2.1椎体间融合技术椎间融合器传统的椎体间融合技术是采用自体或异体骨块，将其嵌入摘除椎间盘后的椎体间隙，从而获得椎体间融合. 其缺点在于增加了手术创伤和交叉感染的风险. 随着工业技术及材料学的发展，越来越多的脊柱外科医师在考虑，能否寻求一种能够替代自体骨或异体骨的材料. 20世纪70年代中期至80年代初期， 一种中空、带孔的金属圆柱体开始用于治疗赛马的颈椎病. 该内置物可产生一种支撑作用，维持了椎间隙的高度，接受该方法治疗后的马颈椎活动基本正常， 因而美国马外科中心将本术式定为马颈椎稳定的标准手术. 随后，许多学者考虑能否将这项技术应用于人类脊柱疾病的治疗，并对其进行了外形、材料等物理特性的改进，最后产生了目前的适用于人体的椎体间融合器. 椎体间融合器技术主要采用“牵张压缩”张力带效应和椎体间界面内固定的原理. 脊柱椎体间融合器置入椎间隙时可牵张残余的纤维环及周围软组织， 又可以对收缩的反作用力产生压缩作用加固融合器， 且融合器的固有螺纹与上下位椎体紧密嵌插， 如此形成一个自成一体的自动加压固定系统. 脊柱椎体间融合器技术特点在于完美地解决了脊柱手术节段所需要的早期制动和后期的骨性融合这一基本要求. 早期是通过嵌入椎节螺纹的抗剪力效应和上下两端拱石状结构的抗旋转作用， 而后期则由于中空内腔充满碎骨粒， 再通过周壁上空隙内外沟通， 而逐渐获得骨性融合，维持脊柱前中后三柱良好的稳定性. 早期临床上应用的椎体间融合器是不可吸收性的，多为金属和多聚碳纤维两种材料，融合后期产生应力遮挡， 在一定程度上影响骨融合后的强度等不良反应， 因此， 目前国内外致力于各种生物型椎间融合器的研究. 它具有更好的刚度和弹性系数， 对影像学评估干扰更小等诸多优势. 已有研究表明，在屈伸、轴向旋转及侧屈的生物力学特性及节段稳定性方面，可吸收性椎间融合器的临床效果等于或优于非可吸收性椎间融合器［1，3］.

2.2椎体间非融合技术人工椎间盘在医学上，只有生理性的重建解剖结构才是最为合理的. 尽管采用椎体间融合技术治疗椎间盘源性疾病获得良好的手术效果，但由于椎体间融合技术改变了脊柱的生物力学特性，使原本能够活动的脊柱节段丧失运动功能，因而导致其周围组织和邻近椎间盘应力增加，加重了邻近椎间盘的退化与病变. 近年来，国内外学者致力于探求合适的人工假体替代退变椎间盘的全部或其中一部分，以求恢复椎间盘的解剖和功能，随之诞生出人工椎间盘置换技术. 替换退变的全部椎间盘者，称为人工全椎间盘置换;只替换退变的髓核者，称作人工髓核置换［2-4］.

转贴于

Fernstrom等在上世纪50年代后期即提出人工腰椎间盘假体技术，其设计及种类不断创新发展. 人工腰椎间盘置换术作为腰椎融合之外治疗椎间盘源性疼痛的另一合理的选择，目的是使退变椎间盘引起的疼痛得到长期缓解， 重建椎间隙高度以保护神经组织， 保留脊柱运动以避免晚期关节突关节及邻近节段的病变. 随着人工椎间盘研究的不断深入，美国和欧洲的临床应用已经证实，人工腰椎间盘置换术短期内可以恢复脊柱的运动学和载荷特性， 恢复脊柱功能单位的稳定性和运动能力. 这项技术彻底改变了传统的“切除固定融合”的手术理念， 更符合人体的解剖学和运动生理学.

人工髓核置换可以分为原位成形髓核假体和预制成形髓核假体. 原位成形髓核假体的设计原理是向椎间盘间隙内注入可塑型的聚合物，并使其在椎间盘原位的间隙内塑型成为髓核假体. 所用材料主要有硅橡胶和聚氨基甲酸乙酯. 该技术的主要优点在于其操作通过纤维环上很小的切口即可进行，因此降低了植入物脱出的风险，并存在开展经皮微创手术的潜在可能. 而且，这种设计具有更好的应力分布和植入物稳定性. 预制成形假体是在体外用粘弹性材料制成一定形状的假体，假体在植入体内之前已经固定成形. 相对于原位成形髓核假体，预制成形髓核假体的优点是，更可靠的聚合物性能和更好控制的生物组织相容性.

3椎体成形术及后凸成形术-混凝土技术

经皮椎体成形术是近年来脊柱外科发展的一项新的微创技术. 它是通过椎弓根或直接向椎体内注入人工骨方法， 以达到增强椎体强度和稳定性、防止塌陷及缓解腰背部疼痛， 甚至部分恢复椎体高度的目的. 其原理就是模拟混凝土填塞技术，通过骨水泥固化，到达增强椎体力学强度及防止椎体进一步塌陷的目的. 自法国介入放射学家Galibert等（1984）首次应用经皮椎体成形术治疗椎体血管瘤以来，该项技术在欧美及我国迅速普及，主要治疗椎体转移瘤和骨质疏松症引起的椎体压缩骨折. 尽管十几年来经皮椎体成形术取得了比较满意的结果，但由于直接注入骨水泥不能抬升骨折椎体的终板，因此无法恢复椎体高度及改善后凸畸形残留，而且向椎体内直接注入骨水泥需要很高的压力，容易引起骨水泥漏出，造成神经受压等严重并发症. 针对这个问题，1999年美国骨科医生研制出一种可膨胀球囊，先经皮经椎弓根将球囊置入椎体，球囊膨胀使骨折椎体复位，放气退出球囊，再注入骨水泥，称之为椎体后凸成形术. 与经皮椎体成形术相比，经皮椎体后凸成形术能纠正病椎的后凸畸形，并在椎体内形成一个空腔，可在低压下注入粘稠度较高的骨水泥，明显降低了骨水泥渗漏率，提高了临床疗效.

椎体成形术及后凸成形术临床上最常用的填充物是聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥（PMMA），但PMMA有固化时大量放热，发生渗漏后有灼伤邻近组织(尤其是脊髓和神经)的可能，同时也烧伤骨细胞，不能与骨组织生物连接、不可生物降解等诸多问题. 理想的填充材料应具备［4-5］: ①可注射性; ②迅速凝固，并具有足够的力学强度; ③具有生物活性和骨传导性; ④凝固温度低; ⑤有良好的显影性; ⑥可缓慢的生物降解. 因此，目前临床又进一步发展出羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷、自固化磷酸钙骨水泥、硫酸钙骨水泥等，其中，又以硫酸钙骨水泥生物相容性最好，体内吸收快并能够诱导骨形成. 椎体成形术和后凸成形术均可迅速缓解疼痛，强化椎体力学强度，是一种安全、有效、简便的治疗方法. 但其作为一项新技术，尚有值得深入研究的问题. 椎体后凸成形术中骨水泥的灌注量和分布情况，选择适量的骨水泥并使其均匀充填空腔，既恢复了椎体刚度，又不至严重干扰脊柱正常的力学机制是今后的研究热点. 其次，寻找成骨效果更好，生物相容性更佳的注射材料，也将是未来研究的重点.

在脊柱外科临床中，工程学与医学结合的例子仍有很多，借助工程力学原理和技术，医学得到了迅猛地发展，解决了很多临床工作中遇到的难题，很好地提高了患者生活质量. 通过将工程学中膨胀螺钉用于脊柱外科获得成功这一事例，我们深刻地体会到：优秀的脊柱外科医生，应该将生物学和工程学有机结合，才能很好的解决脊柱稳定的难题；学者型的骨科医生，更应该具备敏锐的观察力和强劲的创新力，才能成为 一名与时俱进的临床专家.

参考文献

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固体力学原理篇2

关键字：膨胀土，加固治理，物理力学，化学治理

为减轻膨胀土所诱发的工程灾害和损失，各种加固改良膨胀土的技术方法逐渐被提出并在膨胀土地区得到推广应用。根据加固机理，目前对于膨胀土的治理方式主要可划分为以下几类[1]：

1、物理加固技术

“物理加固”的含义通常是指热力加固和电动加固方法，Winterkom通过将土体短期和长期的加热和冷冻，以探究温度效应对膨胀土性质进行改良作用，结果表明，通过加热可以显著提高土体的承载力，减小其水敏性，膨胀性和易压缩性，并且一定程度上减小了土体侧向压力和易崩解特征。

电力加固方法主要是驱除土体中的水分，通常采用发生电流使土颗粒发生运动。电动加固法可分为三种类型：电渗法，电固化，电化学法。尽管电力学方法目前更多的是应用于加固软土或非膨胀性土体，但从该加固方法的原理可以看出，其同样适用于膨胀性粘土的加固处理。

2、力学加固方法

Kota认为采用机械夯实方法加固膨胀土要求土体本身在击实过程中发生的位移变形量不能过大。 力学加固膨胀土中行之有效的一个方法是在土层中插入某种特殊材料，这些材料结构和膨胀土产生复合作用，提高膨胀土力学强度和抗变形能力。目前普遍采用的力学加固材料有：塑料或刚性板，复合纤维材料，土工格栅和土工薄膜等。实践表明，由于各种辅助力学结构物和加固材料的抗衰能力有限，且由于温度，气候等外界影响因素的综合作用下，力学加固长期效果往往并不稳定。

3、化学加固方法

化学方法通常从以下三个方面达到加固效果：1、促进土颗粒相互致密连接，从而阻止水分对于土体的侵害，2、降低土颗粒的亲水性，减小粘土颗粒表面吸附结合水层从而使土体始终处于较低的含水状态，3、生成复杂的无机化合胶结物质，提高土后期强度和长期耐久性。

3.1 石灰改良土

Rao讨论了石灰加固膨胀性黑棉土在循环干湿效应下的表现，结果表明，经历一定的水分干湿变化后，部分加固效果开始丧失，且灰土内粘粒含量随着循环次数逐渐增加，促使土体进一步发生崩解。George测试不同养护温度下石灰土的力学性质，认为适当提高养护温度可获得较好的加固效果，并提出该温度不宜小于50℃。

Muzahi在控制温度条件下，对不同添加剂量石灰与膨胀土内部作用机理进行了试验分析，结果表明，添加5%的石灰剂量时，阳离子交换作用在土体内短期就可充分发生，且该剂量下，室内测试灰土各项指标均得到很好的提高，当石灰剂量超过5%时，在膨胀土内将进一步发生火山灰反应，生成各种钙硅铝水化物，且随着养护时间的增加，土体强度得到进一步提高。

3.2水泥加固处理

水泥加固膨胀土存在如下弊端[2]：1、水泥在土体内水化作用要吸取大量水分，从而易引起土本身干燥收缩，当水泥添加量增大，土体出现明显的干缩裂隙，裂隙的存在损害了土结构和强度稳定性；2，水泥初凝和终凝时间都很短，对于土搅拌和加固施工带来很多很大的困难.

3.3 粉煤灰和工业废渣类加固剂

Cokca[3]比较了石灰和粉煤灰加固膨胀土的效果，认为掺加量20%的粉煤灰对于塑性指数和膨胀势的降低程度相对于石灰添加量在8%左右。

粉煤灰土的强度很大程度受养护时间，温度的影响，此外，土体内某些特殊成分含量可直接导致其加固效果丧失，Puppala[4]报道当膨胀土中硫元素含量过高时，将在粉煤灰土中，生成膨胀性的矿物组分，从而破坏了加固持久性和长期稳定强度。

国内，惠会清，冯美果，陈善雄[5-6]等对粉煤灰改性各地区膨胀土的工程力学性质做了较详细的研究，得到许多有价值的成果。

4 结语

膨胀土治理的总体原则是：掌握土体膨胀变形的根本原因，通过各种手段，阻止土体与水分的结合。基于这一原则，较之物理加固方法，通过添加有机或无机类化学成分，从根本上改变土体亲水性能，无疑是主要的发展趋势。

膨胀土治理的成效，除了加固方法的选用合理外，还要关注施工方法和技术的合理性。如何通过改进室内加固效果测试评价机制，以获得工程实际现场条件下的各项最优化参数，并且建立完善的标准工艺流程，是膨胀土治理的一个关键问题。

固体力学原理篇3

本书是由作者在大连理工大学给研究生开设固体量子理论课准备的讲义基础上写成的。在晶格动力学和电子能带论的内容上与初等固体物理学有一些重叠，作者指出其目的是为了提供关于固体中原子（或离子）与电子运动的一些基本知识，从而可以用来研究它们对于固体的各种物理性质的影响。实际上，起源于原子（或离子）的振动、电子以及电子与原子（或离子）的振动之间相互作用的激发，在决定很多固体的物理性质中起着极其关键的作用。

在本书撰写过程中，作者特别注重阐明物理概念和尽可能详细地给出物理结果的推导过程以及相关的代数运算步骤。但是，由于受到篇幅的限制，经常要忽略一些繁杂的细节。作者建议读者花费一定的努力补齐相关的细节。

为了帮助读者掌握本书的材料，作者在每一章后面都提供了不少习题。其中的一些利用课文中阐述的原理可以简单地求得结果。但有一些需要费些功夫，因为它们包含有对课文中的内容的一些扩充。做出这些习题无疑会促进对相关论题的理解。这些问题的详细求解被包含在作者编写的另一部“固体物理习题集及其解答”（“Problems in Solid State Physics with Solutions”）中。另外对于书中有些包含了数值计算的问题，建议读者尝试把问题转换成Fortran 或C语言的计算机代码，利用计算机求得相应的数值解。

本书共分9章：1.晶格动力学； 2.声子色散关系的确定； 3.能带的基本理论； 4.电子能带结构的确定； 5.电子-声子相互作用； 6.固体的输运性质；7.固体的磁性； 8.固体的光学性质； 9.超导。

本书作者非常注重教学技巧，对于固体的一些最基本的问题给出了繁简适当、深入浅出的叙述，读者很容易入门并按照作者的引导逐步深入，这使得本书非常适合作为相关学科的研究生甚至大学高年级学生作为固体理论的教材。对于从事与固体理论相关领域研究的专家、学者它也都是一部很好的参考书。

丁亦兵，教授

固体力学原理篇4

关键词：固体物理；课堂教学；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）17-0129-02

固体物理是研究固体的结构及其组成粒子（原子、离子、电子等）之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科。固体物理与凝聚态物理和新材料科学紧密相连，是现代科学技术的重要物理基础，是当今物理学领域中最重要的学科之一，因此它是物理学专业高年级的一门重要基础理论与应用的课程。该课程对固体的结构和性质的研究是从原子、电子和分子的角度进行的。它与金属物理、普通物理、材料科学、热力学与统计物理，尤其是量子力学等相关学科联系非常紧密。对于固体电子论、固体的磁性、晶格振动和晶体的热学性质、超导体、半导体等专题要着重研究。所以说，在物理学专业起到承前启后作用的专业课程是固体物理。如何较好地讲授该门课程，取得良好的教学效果，是一个值得深入研究的问题。就当前固体物理在教学实践中出现的问题，我们从其教学手段、教学内容和教学方法等三个方面进行探索性的实践与改革。

一、教学中存在的问题

1.教学内容方面的问题。首先固体物理课程所包含的知识面较为广泛，理论性和专业性较强，抽象难懂，大量运用比较复杂的数学处理方法，增加了学习强度，使学生的学习变得较为困难。其次，固体物理的较高要求，使得学生的空间想象能力变得更加丰富，尤其是在学习晶体结构这部分内容的时候，空间想象是必不可少的，这更进一步地增加了学习难度。再者，由于诸多方面的原因导致固体物理教学学时紧张，固体物理课程被不可避免的压缩删减。这样就使得教师在基本的讲授时间之外，选择用很少的课余时间进行专题讲解，这样非常不利于拓展学生的视野和知识层面。另外，在社会不断进步、科技发展迅猛的时代，激光、半导体、超导等一系列现代科学技术的研究均取得了很大的突破，固体物理学科发展也发生着日新月异的变化，层出不穷的高新技术，不断涌现出来的新概念，而现有的经典教材却少有前沿知识的更新，对固体物理前沿的新动态、新成果、新概念介绍得不够，这样就很容易导致学生缺乏学习的动力和兴趣，同时也给我们的固体物理教学带来了严峻的挑战。

2.教学手段方面的问题。传统的固体物理教学手段基本采用“黑板+粉笔”的传统模式，教师依然使用传统教具和较为抽象的语言来传授知识，没有具体的形象描述。而固体物理课程内容相对丰富，对于稍微复杂的三维晶体结构、倒易空间及其能带结构和特点等难以描述清楚，致使学生难以理解一维到三维的扩展，对该门课程没有形象深刻的认识，感觉很空洞，对固体物理的基本定理、公式、概念等没有较多的体会，这就让固体物理变得非常难学，学生越学越受挫，从而对固体物理失去学习的兴趣，最终导致学生对固体物理产生厌学情绪。

3.教学方法方面的问题。固体物理教学的传统形式比较单一，“填鸭式”教学模式让教师成为主体，教师唱独角戏。这种教学模式强调理论知识全面，公式推导严谨、精练，只能使学生被动地接受前人已经积累的知识，单纯靠机械记忆，从而降低了学生的理解程度。这种教学模式也没有对学生进行很好的引导，让学生积极主动地去思考和研究，去发现问题和提出问题，甚至解决问题，限制了学生的创造性。教学方法的单一也使学生缺少了对本门课程的整体认识，不知道各章节间的联系，脑中只有零散的知识点，学习效果大打折扣，觉得固体物理课程原理多、模型多、定律和概念多，这就更容易使学生对固体物理学习失去兴趣。在教学过程中大量讲授物理模型的推导过程，比如黄昆的《固体物理》中能带理论等章节含有大量涉及量子力学的理论推导，这使学生接受起来比较困难，学生对理论性相对较强的内容可能不太感兴趣，而对实用或未来就业价值更高的知识比较感兴趣。

二、课程教学改革和实践

针对我校的实际情况和固体物理课程教学中存在的诸多问题，我们相应改革了课堂教学方法、教学手段和教学内容，以期推动固体物理课程的建设。

1.优化教学内容。针对本校本专业学生的特点以及课程的学时安排，对固体物理课程内容进行优化和整合。第一章晶体结构，主要讲述晶格、周期对称性、几种基本的晶体结构和倒格子；第二章固体的结合，主要介绍晶体结合力的物理本质，并介绍基于不同结合力的几种基本晶体类型；第三章晶格振动和晶体的热学性质，重点讲述爱因斯坦模型、德拜模型以及一维单原子链和一维双原子链，其他内容让学生自学；第四章能带理论，主要讲述布洛赫定理，近自由电子近似，紧束缚近似，固体能带，能带结构计算，介绍费米面和态密度定义及其物理实质；第五章晶体中电子在电场和磁场中的运动，讲述特定电场、磁场下电子的运动规律；第六章缺陷，简要讲述缺陷产生机制，介绍点缺陷，其他内容安排学生自学。

另一方面，在教学内容中适当添加一些与本学科相关的现代技术和物理前沿，开阔学生眼界、提高学习兴趣和积极性。

2.教学手段多样化。以前课堂教学是单一的黑板教学，而固体物理对学生的空间想象能力要求高，因此，为提高课堂教学质量和讲课效率，引入具有生动、形象、直观、灵活、信息量大等突出优点的现代多媒体教学。根据教学内容在网络上选择合适的动画和图片，设计和建立一套完善的多媒体课件教学系统。比如，在讲晶体结构的时候，可以加入氯化钠、金刚石等晶体的三维结构图，让学生360度观看晶体结构；在讲布里渊区的时候，利用ppt动画效果，使学生深刻理解布里渊区的画法。但是，在实际教学过程中也暴露出仅用多媒体教学的不足之处。据学生反映，多媒体画面具有瞬息多变、一晃而过、翻页太快使学生来不及思考、概念印象模糊、记忆肤浅等弊端，因此必须恰当使用多媒体课件。笔者的体会是，使用多媒体但决不能依赖多媒体，而是将使用多媒体课件与传统讲课方法有机结合，实现优势互补，获得最佳授课效果。这就要求多媒体课件不能是书本的拷贝，更不能对着多媒体课件照本宣科，而是要求课件制作必须精良，使用要恰到好处。

将一些国内外优秀的记录片引入到固体物理的教学中。如，在课程的开始阶段介绍该教材的编著者――黄昆先生。我们可以以记录片的形式介绍黄昆先生的生平，让学生在了解编著者的同时，对这本教材也有更进一步的了解，这就很容易地调动起学生对本门课程的学习兴趣。又如，在讲解超导时，教师可以运用《绝对零度》这一纪录片，让学生对超导体的特殊性质和超导的研究历史有更加形象的认识。

3.教学方法灵活化。结合本校本专业学生的特点，灵活的运用教学方法，选择学生易于理解的方法进行讲授，尽量避免大量的数学推导过程。对于物理概念、物理原理和物理模型的描述是固体物理教学中具体问题阐述的着重点，同时，教师对于较为详细的固体器件技术问题和较为繁琐的教学推导都要尽量减少。在讲解推导过程较为复杂但结论却很重要的内容时，教师一般会直接给出结果，这是大多数学生都愿意接受的，相对于那些少数需要更深入学习研究的学生，我们就可以采取将具体的推导过程用别的课件给出的形式，尽量让学生自主学习探究，碰到问题再与老师进行探讨。

在教学中贯彻“教为主导，学为主体”的原则。采用启发式教学，让学生在教学过程中通过积极思考对问题进行发现和提问，促使学生对知识的学习由被动变为主动。在各章节的教学中也采用同样的方法，使学生对教学内容进行深入思考，并且经常联系前面学过的知识，找出知识点间的关系，使学生对教学内容有宏观的认识，避免知识学的零散杂乱。

三、结语

当今社会，科学技术的不断进步与发展，使得固体物理教学也面临着越来越多的改革和挑战，固体物理的教学诸方面也要进行相应的调整和转变。针对物理学专业固体物理课程特点，结合本学校本专业学生特点，开展该课程课堂教学内容、教学手段和教学方法的改革与实践，有效地调动了学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习，使学生学出了自信和成效，让老师和学生共同分享到课堂教学改革的乐趣和收获，为物理学专业课程的课堂教学改革进行了有益的探索。

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固体力学原理篇5

关键词:混凝土;处理;加固

中图分类号:TU746

文献标识码:B

文章编号:1008-0422(2009)03-0147-02

1引言

混凝土强度的不足将对结构的承载能力、裂缝以及耐久性等诸多方面产生不利影响,应根据其不足的程度,采取相应的处理措施。选用的加固方法有3大类:直接加固法、间接加固法、综合加固法。

2直接加固法

直接加固法即通过各种途径增加结构抗力。加固前最好能在原结构上卸载,经加固后再恢复使用荷载,但在原结构上往往很难实现。工程中,国内、外直接加固技术主要有如下几种:

2.1增大截面加固法

增大截面加固法即采取增大结构或构筑物的截面面积,以提高其承载力和刚度,满足正常使用的一种加固方法。可广泛应用于混凝土、砖混等结构的梁、板、柱、墙等构件和一般构筑物的加固。

⑴ 该方法优点:

① 传统加固方法,技术成熟,便于操作;

② 质量好,可靠性强;

③ 提高构件抗力R及刚度的幅度大,尤其对柱的稳定性提高较大。

⑵ 该方法缺点:

① 如果设计中未能从整体结构角度上分析,仅仅为局部加大而加大,这样会造成整体结构其它部分形成薄弱层而发生重大破坏。

② 加大构件截面,其质量和刚度将发生变化,结构的固有频率也随之改变,很有可能进入到地震或风震的频率中而产生共振现象。

③ 现场湿作业工作量大,养护时间长,对生产和生活有一定的影响。

④ 对原有结构的外形以及房屋使用空间上有一定的影响。

2.2外包钢加固法

外包钢加固法即在混凝土、砌体等构件四周包以型钢的加固方法(分干式、湿式两种形式)。适用于使用上不允许增大构件截面尺寸,而又需要大幅度地提高承载力和刚度的加固。此法主要适用于混凝土、砖混结构中的柱以及梁、桁架弦杆和腹杆的加固。这种加固方法的优点是施工方便,现场工作量少,工期短,受力可靠,对建筑物外观和净空影响小;缺点是用钢量较大,加固维修费用较高。当采用化学灌浆外包钢加固时,型钢表面温度不应超过60℃;当环境具有腐蚀性介质时,必须采取可靠防护措施,以提高其耐久性。

2.3改变结构传力途径加固法

改变结构传力途径加固法是以减小结构的计算跨度和改变传力路径、减少变形,提高其承载力的加固方法,适用于房屋净空不受限制的较大跨度的结构加固。

按支承的受力性能分为刚性支点和弹性支点两种:

⑴ 增设支点法

刚性支点法是通过支承构件的轴心受压将荷载直接传给基础或其他承重构件的一种加固方法。

⑵ 弹性支承法

是以增设支承结构改变上部结构受弯或桁架作用来间接传递荷载的一种加固方法。

2.4外加预应力加固法

外加预应力加固是采用外设预应力拉杆或撑杆对结构构件整体进行加固的方法。通过施加预应力拉杆(分水平拉杆,下撑式拉杆和组合式拉杆)或撑杆受力,影响并改变原结构内力分布,从而降低结构原有应力水平,能较好地消除一般加固方法中普遍存在的应力-应变滞后现象的影响,后加部分和原有结构能够较好地共同工作,结构承载力能够得到较大的提高。预应力加固法主要用于大跨度支撑结构加固,以及采用一般方法无法加固或加固效果不理想的较高应力-应变状态下的大型结构加固。

2.5粘钢加固法

粘钢加固法即在混凝土构件外部粘贴钢板,以提高其承载能力和满足正常使用的一种加固方法。此法适用于承受静力作用的一般受弯、受拉及受压构件的加固。优点是被加固构件基本不受损伤,可以充分发挥原构件的作用;加固后几乎不改变构件的外形且不影响建筑功能;施工工艺简单,施工工期短。但该方法的耐久性较差,且要求环境温度不大于60℃,相对湿度不大于70%,以及无化学腐蚀影响,否则应采取相应的措施。

2.6粘贴纤维复合材料加固法

纤维复合材料是由基体材料(环氧树脂)和增强材料(纤维)所组成复合材料。这种复合材料既可以保持原有材料的特性,又发挥组合后的新特性,它可以根据需要进行加固设计,从而最合理地达到使用要求的性能。工程中常见的纤维复合材料有:玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等。其中以碳纤维的抗拉强度和弹性模量最大,其价格较贵,碳纤维片材加固的构件在较高温度、湿度、化学腐蚀条件下能够保持良好的工作性能。玻璃纤维极限抗拉强度较低,其弹性模量一般为1.7×104MPa,与混凝土的弹性模量2.55×104MPa(C20)较接近,若能保证粘贴牢固,玻璃纤维复合材料在加固过程中能保证与混凝土的变形一致。

纤维复合材料加固法可广泛适用于梁、板、柱及墙体的加固。其操作简单,施工方便,加固效率高,是一种很有发展潜力的加固方法。

3间接加固法

间接加固法是通过各种途径减少作用效应,达到提高结构安全度。其主要方法有:

3.1改变用途法

将重负荷楼面改为轻负荷楼面。例如将楼面使用荷载4~8kN/m2,改为一般用房的2kN/m2,使用荷载降低至原有的0.5~0.25,结构安全度大大提高。

3.2隔震法

利用隔震技术来阻止和减少地震作用对结构的影响,从而保证结构的可靠度。如在高烈度大地震中,很难用提高结构抗力R的方法抵御巨大的地震力作用。如果采取在上部结构与基础间设置隔震层,当地面运动强度超过规定值,上部结构与基础之间将产生滑移,即地面运动不能或不能全部地传递至上部结构,这样就有效减少了上部结构所受到的地震作用,从而确保了建筑物在强烈地震作用下的可靠性。

还可采用改变结构动力特性的方法以降低结构动力反应,有如改变结构刚度分布,达到间接加固的目的。

4综合加固法

根据结构的受力特征、传力路径、结构状况等具体条件综合采用直接加固和间接加固的各种方法,称为综合加固法,是目前采用最多、效果和效益最好的方法。

⑴ 综合加固法十分重视结构检测的具体手段、原理、方法和过程,不同的检测手段对应不同的适用条件和不同的精度。

⑵ 鉴定中首先必须查明被鉴定结构的传力路线,并寻求新的传力路线,按照传力路线的计算分析、结构构造特点,采用相应优化的加固对策。

⑶ 为保证加固结构受力体系中的承载力和变形或刚度协调,尽可能采用预应力技术、植筋技术、碳纤维粘贴加固技术、钢板粘锚技术和加大截面外包加固技术等。这些技术均能够有效地减少应变滞后现象,保证新、旧结构共同工作。

⑷ 在传力路线转移上,宜采用增、减构件,或改变节点约束条件,改善自身结构的受力特点,通过荷载转移达到综合加固的目的。

⑸ 利用结构造型变化减缓风荷载效应,改善通风、采光、地震,这样既加固了结构本身,又改善了使用功能。

5受拉构件混凝土强度不足时的处理方法

混凝土强度不足对轴心受拉构件的承载能力不产生影响,故无需对受拉构件进行结构加固,但从耐久性的角度出发,应对开裂部分作表面密封修补处理。

6受压构件混凝土强度不足时的处理方法

一般的轴心受压构件承载能力随着混凝土强度的不足几乎成正比下降。若混凝土强度不足的幅度较小,以致受压构件的承载能力下降不超过5%,或者按实测强度等级对原结构进行承载能力复核仍能满足设计使用要求,可以不作结构加固处理。否则,应根据结构受力情况和使用环境,进行结构加固处理。主要采用增大截面法、外包钢法、预应力法、外粘钢板法、外粘玻璃钢法、碳纤维(CFRP)加固法等,共同的特点是:加固截面或构件的应变,滞后于原截面或构件的应变,形成二次受力。经加固的结构总体承载力不是原结构抗力与加固部分的简单叠加,不同的加固方法有不同的理论与方法。

7受弯构件混凝土强度不足时的处理方法

对于混凝土强度不足的受弯构件,通常可根据受弯构件在变形和裂缝方面的表现、混凝土的设计强度等级、配筋情况、混凝土强度不足的幅度(即前述的强度等级下降系数)及混凝土结构设计和使用的要求确定处理方案:

⑴ 当混凝土强度等级不足的幅度较小,构件控制截面的抗弯、抗剪承载能力下降的幅度均在5%以内时,可不进行结构加固处理。

⑵ 按实测混凝土强度等级对原结构进行承载能力和变形验算,若能满足设计及使用要求时,除了进行结构裂缝密封修补处理外,可以不作结构加固处理。

⑶ 若实测的混凝土强度等到级使得受弯构件的承载能力不满足上述1、2条的要求,则应进行相应的结构加固处理。常用的加固方法有:加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法、改变结构传力途径法、粘贴片材材料(钢板、碳纤维等)加固法等。

8结束语

⑴ 混凝土强度不足时,框架柱构件实际承载能力随着混凝土强度的下降几乎成正比地下降,表明实际工程中应特别注意对柱构件混凝土强度不足问题的检查及处理。

⑵ 影响钢筋混凝土结构性能的因素很多,以现行钢筋混凝土结构设计理论为基础,较为系统地分析了混凝土强度不足对不同类型结构构件的承载能力、截面裂缝宽度及结构耐久性的影响。分析结果表明:混凝土强度不足会对钢筋混凝土结构构件承载能力产生不同的影响,其影响的大小顺序为:受压构件截面承载能力受弯构件斜截面抗剪承载能力受弯构件正截面抗剪承载能力受拉构件截面承载能力;同时,混凝土强度的不足也会使构件截面裂缝宽度增大和构件的耐久性降低。

因此,在混凝土浇捣施工的过程中,应进行混凝土施工质量控制,确保混凝土强度达到设计强度;对混凝土强度达不到设计要求的已建结构,应及时根据不同的影响程度及结构构件的重要程度采取相应的处理方法,确保建筑物能够满足安全和正常的使用要求。

参考文献:

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[5] 王济川.建筑结构试验.第二版.北京:中国建筑工业出版社,1991,100-103.

固体力学原理篇6

关键词：地基处理；基础加固方法

引 言

随着新材料、新技术、新方法的出现，我国的建筑物改造技术已达到了较高的水平。目前我国对既有建筑地基基础加固技术的研究已取得了一些成果。全国各地需要进行地基基础加固的既有建筑迅速增加，而且已经完成了一批风险高、难度大的工程项目，取得了较好的经济和社会效益。

1 概 述

所谓地基处理，就是指为了提高地基承载力，改善其变形性质而采取的人工处理地基的方法。地基处理的目的是用以改善地基土的剪切性、压缩性、渗透性、振动性和特殊土地基的特性。处理的对象是软弱地基和特殊土地基。

地基处理是一项复杂的工程技术，涉及上部结构的体量、结构形式、设施用途、使用功能要求、场地土特点、土层分布等诸多因素，需要综合考虑以确定处理方案。研究既有地基基础加固处理技术，对于保证工程设施的正常使用、节约投资费用均具有十分重要的意义。

2 地基基础加固处理的一般原则

基础与地基的加固工程属于现有结构的地下加固工程，其难度、造价、施工持续时间等往往比新建筑物更多更大，若因设计、施工处理不当，或因其他原因造成地基沉降过大、差异沉降引起其上建筑物倾斜影响正常使用时，需进行处理。根据工程实际情况以及地基土质条件或组成的不同，处理的原则为：

2.1 确实计算地基荷载

现有建筑在进行加固时，原设计资料、计算书等未必齐全、地基的承载力也不一定用足，上部结构的加固或改建与扩建均使地基上的荷载变更，通常均会增加。如果增加后超出地基容许承载力的5～10%左右，则一般不考虑地基基础的加固，而考虑调整或加强上部结构的刚度来解决。

2.2 挖掘地基潜力

当现有建筑地基基础状态良好、地质条件较好时，应尽量发挥地基与基础的潜力。如考虑建筑物对地基的长期压密使原地基的承载力提高；考虑地基承载力的深宽修正。

2.3 尽量采用改善结构整体刚度的措施

如加强墙体刚度，加强纵横墙的连接等，可使结构的空间工作能力加强，从而有助于减轻不均匀沉降或减少绝对沉降，因在地基与基础的计算理论中未考虑上部结构空间工作。

3 常用地基加固方法

3.1 树根桩加固法

简要原理：树根桩加固顾名思义为以形状如同树根的网状布置桩体加固地基土，桩体通常为直径7～30cm的微型钻孔灌注桩。

适用条件：树根桩法适用于各种地基土上既有建筑物的维修和加固，由于所需施工场地较小，施工方便，对原结构损伤较小，因此对古建筑的修复尤为适用。

主要材料：水泥浆、水泥砂浆、细石混凝土。

施工要点：钻机成孔，问隔施工，钢筋笼应整根吊放，注浆应一次完成。

简化分析：该方法施工场地小，施工简单，若有相应的简单方便的小型钻孔机，可考虑应用于农村地区，由于村镇房屋荷载较小，可将桩长适当缩短，桩体的布置量适当减少。

3.2 锚杆静压桩加固法

锚杆静压桩是锚杆和静力压桩两项技术巧妙结合而形成的一种桩基施工新工艺，是一项地基加固处理新技术。其工艺是对需进行地基基础加固的既有建筑物基础上按设计开凿压桩孔和锚杆孔，用粘结剂埋好锚杆，然后安装压桩架与建筑物基础连为一体，并利用既有建筑物自重作反力，用千斤顶将预制桩段压人土中，桩段间用硫磺胶泥或焊接连接。当压桩力或压人深度达到设计要求后，将桩与基础用微膨胀混凝土浇注在一起，形成整体，从而将上部荷重通过桩传递到深部土中去，有效降低基础边缘压力，迅速制止建筑物沉降，从而达到提高地基承载力和控制沉降的目的。

锚杆静压桩主要应用于下述情况：①天然地基上的6～7层住宅建筑的基础托换加固；②建筑物沉降缝处的基础托换加固；③建筑物内部改造工程基础托换加固，如拆墙改造、抽柱改造等；④基坑周围相邻建筑的基础托换加固；⑤大型设备基础的托换加固；⑥电梯井基础补桩加固；⑦增层工程的基础托换加固。

3.3 渗入性灌浆法

具体方法是，首先将浆液注入土层中，通过填充和渗透方式，浆液将挤出颗粒间或裂隙中水分和空气并占据其位置，经过一定时间后，浆液便凝固，把松散土粒或裂隙胶结成一个整体，形成强大、防水防渗性能高、化学稳定性良好的一种新介质“人造石”。注浆液分为水泥浆、化学浆、碱液。水泥浆液，用标号不小于325号普通硅酸盐水泥最好，水灰比0.8/1.0。化学浆液包括水玻璃、丙稀酸胺、低浆废液等。适用于砂土，粘性土地基。

3.4 石灰桩法

石灰桩法适用于处理饱和劲性土、淤泥、淤泥质土、素填土和杂填土等地基。其特点是承载力提高有限，有粉尘污染。石灰桩就是先在地基中钻挖成孔，随后向桩孔内灌注以生石灰为主的材料，经夯压后形成一根桩体，且在桩身中加入少量掺合料，有利于桩身强度的提高。

具体操作为：在软弱地基中用机械成孔，填入作为固化剂的生石灰并压实形成桩体，利用生石灰的吸水、膨胀、放热作用以及土与石灰的物理化学作用，改善桩体周围土体的物理力学性质，同时桩与土形成复合地基，达到地基加固的目的。

3.5 高压喷射注浆加固法

高压喷射注浆是采用钻机先钻进至预定深度后，由钻杆一端安装的特别喷嘴，把水泥浆液高压喷出，以喷射流切割搅动土体，同时钻杆边旋转边提升，使土粒与水泥浆混合凝固，从而造成一个均匀的圆柱状水泥土固结体，以达到加固地基和止水防渗的目的。

高压喷射注浆适用于以下范围：①增加地基强度、提高地基承载力，减少土体压缩变形，因而用以加固新建筑物地基和既有建筑物地基的托换加固；②深基坑开挖工程作支挡、防渗和护底；③堤坝防渗，地下井巷防止管道漏气的账幕；④地下管道、涵洞、坑道、隧道的护拱；⑤增大土的摩擦力和粘聚力，防止滑坡；⑥减少设备基础振动，防止砂土液化；⑦降低土的含水量，整治路基翻浆，防止地基冻胀。

4 结 语

对于施工空间有限、安全性要求高的既有地基基础加固处理，需加强施工设备的研制，以满足各种特殊要求。随着科学技术的进步，地基处理技术也在不断发展。因此，在选择使用具体的地基处理技术时，应根据具体条件，既要考虑己成熟的方法，又要考虑新技术的应用，确保能够有效地加固地基，提高地基强度，使地基的承载力满足工程建筑物的设计要求，保证建筑物的安全使用。

参考文献

[1]朱连勇，任亚平，李延和等.房屋改造工程基础加固选型的研究[C].首届全国建筑结构技术交流会专辑.2006：886～888.

固体力学原理篇7

关键词：公路桥梁 加固 施工技术

Abstract: with the rapid development of urban and rural economy now, because of natural environment and the influence of various elements and construction quality and actual traffic composition change and the role of the overload vehicles, already built concrete bridge structure may be low bearing capacity, concrete surface crack. And the old bridge is part of the aging, damaged or by the original design standard restrictions, have already can not adapt to the requirements of the modern transportation. These concrete bridge, most of can through the reinforcement and reconstruction to improve or improve structural behavior, to put into use.

Keywords: highway bridge reinforcement technique

中图分类号：U448.14文献标识码：A文章编号：

提高混凝土桥梁耐久性的技术途径有两个，一是采用高性能混凝土，以提高混凝土的抗渗性、匀质性、抗冻性，从而提高混凝土抵抗碳化和冷冻侵袭的能力；另外一种是提高既有桥梁耐久性的有效途径即对缺陷桥梁进行加固改造，延长其使用寿命。

旧桥加固维修，其目的有以下几种：1、增加桥面宽度，提高交通运行能力;2、提高技术等级，增加桥梁的承载能力，满足现代化运输的要求，特别是大型重型车的与日俱增，对于提高技术标准和承载力，在旧桥加固与维修中、成为首位考虑的因素。

1 公路桥梁加固的原因和基本原则

1.1 公路桥梁加固的原因

（1）旧桥梁原有的设计标准低，不能满足发展了的车辆通行要求；（2）由于设计及施工的缺陷以及各种不利作用(如碳化、氯离子侵入、酸侵蚀、碱集料反应、冻融、盐害等)使得桥梁结构的混凝土及钢筋腐蚀严重；（3）桥梁的使用年限长，接近其使用寿命。我国在20世纪60～70年代修建的桥梁，大部分仍服役，由于年久失修、失养，已不适应交通量日益增长的需要；（4）外界不利荷载的影响使得桥梁结构安全性下降。在我国，造成此种情况的最大原因是在路上行驶的货车大多数超载、超限行驶，致使20%以上的桥梁出现安全隐患；（5）新建桥梁由于勘察、设计及施工的问题而无法满足使用要求以及新桥的使用功能发生改变，也是桥梁需要加固的重要原因。

但是，桥梁加固的难度大：首先，已通车的桥梁，有现实的交通需要，因为要在不中断交通的情况下进行加固，所以加固时有交通干扰；其次，结构形式的限制。加固的原则一般必须利用原有结构进行，只能在原有结构上做文章，所以受到局限；再次；新老结构的结合是一个难题：这里包含新老结构体系的变化和过渡，还包括新老桥体的结合面；最后，风险大。因为凡是要加固的桥梁，多半是危桥，结构已处在不利状态，有的还岌岌可危。对旧桥有的缺乏原有的设计资料和施工记录，结构内部情况不详；现有的受力情况不一样，很难确定其结构极限，这给旧桥的加固带来了风险。

1.2 桥粱加固的原则

（1）评估加固方法；（2）注意新老结合处正常工作；（3）尽量不影响交通；（4）加固过程中发现未预料的结构损伤时，应停止施工，会同设计方重新设计。

2 公路桥梁加固方法

桥梁加固一般是通过对构件的补强和结构性能的改善来恢复或提高现有桥梁的承载能力，以延长使用年限，适应现代交通运输的要求。其改造的主要技术途径有加强薄弱构件、增加辅助构件、改变结构体系、减轻恒载、加固墩台及基础等。

2.1 桥路面层补强加固法

桥面补强层加固法是通过在梁顶（桥面）上加铺一层钢筋混凝土层，使其与原有主梁形成整体，从而达到增大主梁有效高度和抗压截面，增加桥面整体刚度，提高桥梁承载能力的一种常用且有效的方法。为了减小补强层增加的恒载，常将原有桥面铺装层凿除，而且能使新老结合良好，共同受力。

2.2 粘贴钢板加固法

交通量增加，主梁出现承载力不足，或纵向主筋出现严重腐蚀的情况下，梁板桥的主梁会出现严重的横向裂缝。粘贴钢板加固是对粘贴部位砼和粘贴用钢板进行表面处理后，用环氧树脂胶浆将钢板粘贴在砼表面，并加压成型，使钢板密贴砼表面，以提高梁的抗弯、抗剪能力的一种加固方法。采用粘接及几锚栓，将钢板粘贴锚固在混凝土结构的受拉或薄弱部位，使其与结构形成整体，以钢板代替增设的补强钢筋，以达到提高梁的承载能力的目的。该方法还具有施工简便，快速，不影响结构外形，加固费用低，不减小桥梁净空以及增加荷载不多等优点。不足之处是粘贴钢板加工成型较困难，需要一定的支护设备，而且在长期使用过程中维修保养工作量大，粘结材料的耐久性能也值得重视。

2.3 碳纤维加固法

碳纤维布是一种新型建材，因其质轻、耐腐蚀，片材很薄，抗拉强度高而被广泛应用于土木工程的加固与补强上。碳纤维布加固法亦被视为梁式桥加固补强、提高承载能力，尤其是当桥下净空受限制时首选的加固方法。粘贴碳纤维加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构物表面，当结构荷载增加时，两者共同工作，提高构件承载力，从而达到加固补强的目的。纤维复合材料的力学特点是其应力应变量完全线弹性，不存在屈服点或塑性区。由于碳纤维具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等优异物理力学性能，以及施工速度快，施工工期短，粘贴质量容易得到保证等优点，因此是旧桥加固补强的理想材料。

2.4 增加主梁加固法

增加主梁加固法是在新增主梁位置将原桥面凿开，切断原横隔梁，利用原结构挂设模板，现浇钢筋砼主梁，并连通原横隔梁，保证新旧结构成为整体，共同受力。这种方法适用于主体结构基本完好、而承载力不能满足要求的情况。但是，在加固过程中必须中断交通，且工艺复杂，工程量大，对原结构的损伤较大。

2.5 锚喷混凝土加固法

借助高速喷射机械，将新混凝土混合料连续地喷射到以锚固好钢筋网的受喷面上，凝结硬化而成钢筋混凝土，从而增大桥梁的受力断面和补强钢筋，加强结构的整体性，使其能承受更大的外部荷载作用，提高桥梁承载能力。

2.6 预应力钢丝束法

沿梁腹侧面按抛物线形敷设预应力钢丝束，在梁底每隔一定距离(50～100 cm) 设置一根定位箍， 用以固定钢丝束的形状，钢丝束的两端穿过梁端翼缘板伸至梁顶锚固。张拉预应力钢丝束，通过定位箍使梁获得预应力;再通过喷射砼使预应力钢丝束及定位箍与梁体形成整体。这种加固方法的受力明确，效果明显，但箍圈的构造较复杂。

3 结束语

桥梁的加固维修技术是最近兴起的一门新技术，是二十一世纪公路桥梁施工领域发展速度最快、用途最广的一门科学技术，加速我国旧桥加固或改造技术的研究，不仅能更好地、及时地为现代交通运输服务，而且能为国家带来巨大的经济效益和社会效益。然而加固施工工艺相对较复杂，要求桥梁加固工程取长补短，不仅延长了原桥的使用寿命，同时还增强了原桥的承载能力。桥梁的加固维修问题已经成为世界普遍关注的课题，加固理论、加固方法也是多种多样，只有遵循一套科学的程序和方法，才能够达到技术可行、经济合理、结构安全的目的。

参考文献：

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固体力学原理篇8

【关键词】建筑结构；结构加固；方法措施

随着我国建筑施工的日益增多，对建筑结构的加固处理越来越多，需要对建筑结构加固工作进行探究。只有把握造成建筑结构需要加固的原因，并按照一定的原则、采取相应的方法，在保证加固效果的前提下确保施工方便、性价比高，对建筑结构进行加固处理，从而增强建筑结构的质量和建设效益。

一、建筑结构需要加固的原因及加固施工坚持的原则

1、建筑结构需要加固的影响因素

首先是人的因素，建筑是由人实施完成的，如果设计人员对建筑结构承受载荷估计不足或出现载荷漏项，会出现建筑物实际荷载大于设计荷载的情况，需要进行加固；施工人员技术水平低出现施工缺陷，或是建筑使用管理不当以及出现用途变更等，都会造成建筑物承载负荷大于设计值，需要进行加固。其次是环境因素，建筑物在长期使用中需要面对复杂的外部环境，导致建筑材料性能恶化：化工车间等工业建筑因内部腐蚀气体或液体对钢结构和混凝土结构造成侵蚀；微生物和细菌使建筑物木质部分腐朽；高温高湿环境或自然灾害、恶劣天气等对建筑造成破坏，影响建筑物使用的安全性和耐久性，需要进行加固处理。三是其他因素，包括建筑物结构使用要求、设计标准变更等，使原有建筑结构不能满足使用要求，需要进行加固处理。

2、建筑结构加固施工坚持的原则

一是整体性原则，加固施工虽只需对危险构件进行，但也要考虑对整体结构的影响，不能顾此失彼；二是先评价后加固的原则，建筑结构加固施工方案确定后，要对已有结构进行检查评价，并结合实际情况对方案进行修订完善，提高结构质量；三是科学选材原则，加固施工所需材料要符合规范要求，需要与原先结构材料的等级相同；四是优化设计原则，在充分考虑已有结构现状和加固结构受力特点的基础上，对建筑结构进行整体评估，确保加固处理后建筑使用安全，并考虑经济性、施工特点和技术水平等，尽量减少加固施工对建筑使用或周围环境的影响，综合各方面因素选择最优施工方案。

二、建筑结构加固的常用方法和技术措施

1、直接加固法

一是增大截面法，用与原建筑结构相同的材料加大构件截面积，提高结构承载力，具有操作简单、适应性强的特点，在加固构件承载力的同时，还可以增大截面刚度，改善结构使用性能，可以广泛应用于板、梁、柱、墙和一般建筑混凝土的加固，但是该项加固方法现场工作量大、施工周期长，还会加大建筑物的自身重量，并对周围环境造成一定影响。二是外包钢加固法，主要是针对建筑结构四个边角以钢材进行加固的方法，分为干式和湿式外包钢两种方法，能够在不增大构件截面尺寸的前提下提高结构承载力，增大结构的刚度和延伸性，适用于混凝土梁、柱、屋架和烟囱等构筑物加固，具有工作量小、施工周期短的优点，且性能可靠，但是需要耗费大量钢材，加固成本较高。三是预应力加固法，是指增加预应力钢拉杆或型钢撑杆，提高建筑结构的承载力和刚度，可用于加固砼梁、砼板等受弯构件和砼柱，具有独特的卸荷和改变结构受力情况功能，对大跨度结构和采用其他技术措施达不到理想加固效果的大型结构的加固。该方法具有在不改变使用空间的前提下改变建筑结构内力分布并降低结构预应力水平的特点，提高来结构承载力，但在施工中需要增加相应设备，施工技术要求高，特别是预应力杆与被加固构件连接处的处理比较复杂，施工难度较大。四是外粘钢加固法，将钢板或纤维复合材料用粘结剂粘帖到加固部位，提高了结构承载力，能约束混凝土裂缝，提高混凝土强度，通常用来加固砼等受静力影响的结构，但施工过程要求温度在60℃以下、湿度在70%以下，且不能有化学腐蚀物质影响。

2、间接加固法

不直接在建筑结构或构件上加固，而是通过采取其他措施达到加固目的。一是增设构件加固法，在原有建筑结构基础上增加新构件，改变构件刚度比，达到加固的目的，该方法便于施工，且不会损害原有建筑结构构件，但是需要增加新构件，可能会对原有构件的部分功能产生不利影响。二是增设支点加固法，通过在建筑结构上增加更多的荷载受力支撑点减小结构的支撑跨度，以此来减小结构内力，提高结构承载力，按照增加的支撑结构是否可以变形分为弹性支点加固和刚性支点加固两种，该加固方法操作简单，但会影响建筑物外观，有时还会影响建筑部分使用功能并占有一部分建筑使用空间，所以只适合于板、梁、桁架等水平建筑结构加固。三是增强建筑结构整体性加固，通过多点支撑、连接等措施使建筑结构构件形成整体，共同承受荷载，整体建筑结构承载力比单个构件承载力要高，所以可以达到加固的目的。

3、综合加固法

随着建筑物使用功能和内部结构的日益复杂，以及建筑结构加固需求的日益增加，单一的加固方法越来越不适用于建筑结构加固，通过综合采取多种加固措施，成为建筑结构加固的常用方法。综合加固法主要有两个目的，一个是充分利用各个单一加固方法的技术优点，整合优点提高加固成效，另一种就是弥补某一单一加固方法的缺陷，从而提高整体的加固成效，前者比如应用预应力加固法具有克服应力应变滞后以及减小挠度和裂缝宽度等优点，钢材加固法的抗腐蚀能力强，适应于腐蚀性环境下的加固施工；后者比如增设支点加固的方法会减少建筑使用空间，所以在使用时要考虑辅助其他方法弥补这一缺陷。

三、结论

综上所述，建筑结构加固施工成为建筑施工中面临的一个重要问题，在把握加固原因和原则的基础上，结合具体建筑物的实际情况，选择合适的加固方法进行施工，就可以达到提高建筑结构质量的目的，提高建筑物的使用质量。

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