《岩土力学》论文作者承诺书

第一篇：《岩土力学》论文作者承诺书

《岩土力学》论文作者承诺书

论文编号: 《岩土力学》编辑部:

我的稿件被贵刊录用并将出版,按照《中华人民共和国著作权法》的精神,本人同意该文在《岩土力学》上公开发表,同意与《岩土力学》编辑部有合法协议的数据库收录本文内容,同意编辑部一次性支付的发表和收录稿酬.出版前我愿意对该文作如下承诺:

(1)该文不涉及泄密问题;

(2)该文内容真实,此前未公开发表,并不涉及剽窃、抄袭和其它侵权问题，若编辑部发现该文有这些行为，可以直接退稿（包括已录用但尚未刊出的文章）。

(3)该文署名作者享有该文的完全著作权,署名作者的作者身份真实(无未参加该文研究挂名作者,没有不知情的挂名作者),(4)文责由署名作者自负.作者签名:1.3.4.

第二篇：岩土试验力学课程论文

岩土试验力学课程论文

题目：岩土试验力学发展现状和前景 专业：岩土工程

一、岩土力学试验

1.岩土力学试验概况

要很好的解决岩土工程问题、防灾、治灾，必须首先进行勘察与测试、试验与分析，并利用土力学、岩石力学、基础工程、工程地质学等的理论与方法，对各类工程进行系统研究。因此，岩土力学试验是岩土工程规划设计、防灾的前期工程，也是地基与基础设计，治理地质灾害的不可缺少的重要环节。

2.岩土力学试验目的（1）了解岩石本身的物理和力学性质；

（2）岩体质量分级、工程地质条件与问题评价；

（3）边坡、地基和隧道围岩变形及稳定性分析，地质灾害防治工程方案论证等；

（4）为岩土工程设计与施工提供参数和依据；

（5）揭示岩土的变形规律和强度特征及破裂机理，建立其数学力学模型，进行岩土工程结构的力学分析。

3.岩土力学试验内容

（1）岩石物理性质试验

含水率、颗粒密度、块体密度；

（2）岩石水理性质试验

吸水性、渗透性、膨胀性、耐崩解性和冻融性。

（3）岩石力学性质试验

单轴压缩强度和变形试验、三轴压缩强度和变形试验、抗拉强度

试验、直剪强度试验和点荷载强度。

二、岩土试验力学概况

岩土试验力学是土木工程岩土专业的一个分支，它是一门十分重要的技术基础课。它主要包括学习岩土实验力学的基本理论，知道岩土的物理力学性质、强度变形计算、稳定性分析、挡土墙及基坑围护的设计与计算、地基承载力等岩土力学基本理论与方法。结合有关交通土建、建筑工程、土木工程的理论和施工知识，分析和解决岩体工程及地基基础问题。

三、岩土试验力学的发展现状

1.计算方面

由于岩土材料比较特殊，那么在研究岩土试验力学方面就会比较复杂。岩土体本身就是一个复杂的系统，具有不确定性，不规则性和不明确性。目前，我国的岩土试验力学工作者倾向于采用理想数学模型和力学模型建立和描述岩土的各类特性，结果往往不是很理想，甚至出现很大的偏差。那么，为解决这一现状，为突破创新，新的方法和技术是必不可少的。在此，我国也已经找到解决方案，注入了新的研究岩土试验力学理论的思想。

分析几何就是研究岩土试验力学需要用的一种新技术，新方法。它的工作原理是研究一个复杂系统的形态、功能等。紧密联系它们之间的关系，用维数表展现系统的复杂性。系统与维数值成正比例关系，值越大，系统越复杂。

分形几何在计算岩土试验力学中的应用主要包括“定量的对岩土

材料结构进行描述，研究调查水如何在岩土中流动，测量岩土材料的强度和分析岩土力学特征”四方面的内容。分形几何又被概括为两个方面，分形图形和维数计算。常用的分形模型有KOCH曲线，CANTOR集合，Sierpinski地毯和menger海绵等，如下图。它们都属于数学分形，它们之间有一定的相似性。同时，分形维数分为6种，相似维数，容量维数，信息维数，关联维数和广义分形维数。对于不同的分形维数的测量各有不同的方法，如其中的关联维数是利用关联函数来取得的。

2.模型应用方面

从岩土试验力学的发展史来看，岩土试验力学的力学模型主要有：弹性模型（胡克体）、粘弹性模型（麦克斯韦体）、内含时间弹塑性模型和损伤模型。其中弹性模型又分为线性弹性和非线性弹性两方面。由于岩土试验力学特性是不一样的，根据介质力学理论，建立的模型应有非线性弹性、弹塑性、粘弹塑性和塑性內时模型等。

当前最常用的力学模型有两种，非线性弹性模型和南水模型-南京水利科学院非线性模型。非线性弹性模型是DUNCAN和CHANG采用KONDNER的建议和三轴压缩实验结果，采用变切线弹性模量和变切线体积模量对粘土和砂土进行了模拟，建立了DUANCAN-CHANG模型，其预测结果温和于试验结果。而南水模型将DOMASCHUK模型加以推广，把剪切曲线变成推广曲线，不仅适用于硬化的岩土，还可以适用于超固结土和岩石等软化岩土。它不但考虑了软硬方面还考虑了膨胀与压缩方面，适用范围非常广泛。

四、目前岩土试验力学发展存在的问题和解决措施

1.在计算方面的不足和解决措施

我国岩土试验力学水平，还不能达到使计算误差小于10%的愿望，这还有待努力，但我国正在努力向这个目标靠近。在排除施工因素后，误差控制在50%以内是完全有可能的。计算岩土试验力学工程还不完善，因为当前的研究只是刚开始，只涉及到很小的一部分，只取的很小的研究成果，我们还当深入到岩土试验力学的各个领域里。我们要将分形几何理论完全引入岩土力学宏图中，还要加大分维数的探讨和研究，理解岩土试验力学系统的基本原理和分清明了各空间的关系。只有对岩土材料有深入认识和了解我们才能选取合适的计算方法和计算模型，减小计算误差，避免错误发生，并能促进岩土工程各方面力学的综合发展。

2.模型应用方面的不足和解决方案

线弹性模型不能考虑剪胀变形，它只考虑受荷载作用的变形状况，忽略了不能恢复的塑形变形。塑形变形往往在荷载作用下，荷载不断变化中产生的，通常容易被忽略。它不适用于应力路径复杂时，会受弹性恢复的影响，产生误差。DUNCAN-CHANG模型就没考虑到这方面的内容，它只适用于粘性土、砂土，其他土就不会产生作用，它不能考虑岩土的性质和特征。我们可以只在分析岩土稳定性时使用它。

南水模型建立在DOMASCHUK模型中并推广，考虑了剪切膨胀和压缩方面，并考虑了应力方面的影响，但是不能考虑静水压力作用的影响。当模型采用非关联流动理论，也不能避免剪切膨胀现象的发生，对岩土体缩减也考虑不到。所以在建立南水模型时，我们要综合考虑多方面因素，建立一个完善的模型。

剑桥模型也有一定的缺陷，只建立了3个参数。在构建上没有充分考虑剪切变形，只利用塑形体积做参量，不考虑应力作用，当应力产生时，它是不能反应和突出的。

五、我国岩石试验力学发展动向规划

岩土试验力学理论和本构模型已经过三十年的发展，但它们还不成熟，那么今后研究“岩土材料稳定性和变形分析”是我们关注的对象，可以通过建立神经网络模型，损伤模型和粘弹模型来研究和探讨它们。它还是一个比较新的研究课题，在研究过程中，我们要建立多种模型和充分利用试验数据。

六、结论

虽然我国在计算岩土试验力学方面存在些缺陷，但我们正在尽快完善，以达到控制误差在百分之十以内的目标。岩土试验力学在建立本构模型上，各自材料特点和试验方法采取上，会在构建模型上造成一定的局限性。那么我们在计算和建立模型时要考虑多方面因素，不能循规蹈矩，生搬硬套，要突破创新，不受各种现有理论的影响。那么我们在今后的几十年内，在计算和建立岩土力学模型一定会去取得令人瞩目的发展，并得到广泛认可和应用。

第三篇：岩土力学教案第3章

第三章

土中水的运动规律

土中水并非处于静止不变的状态，而是在不停的运动着。土中水的运动原因和形式很多，主要有：

（1）在重力作用下，地下水的渗流-----土的渗透性问题。（2）土在附加应力作用下孔隙水的挤出-----土的固结问题。（3）由于表面张力作用产生的水份移动-----土的毛细现象。（4）在电分子引力作用下，结合水的移动-----冻结时土中水的迁移。（5）由于孔隙水溶液中离子浓度的差别产生的渗附现象等。地下水的运动影响工程的设计方案、施工方法、施工工期、工程投资以及工程长期使用，而且，若对地下水处理不当，还可能产生工程事故。因此，在工程建设中，必须对地下水进行研究。本章重点研究土中水的运动规律及其对土性质的影响。

§3.1 土的毛细性

一、土的毛细现象

1．定义：是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上或其它方向移动的现象。这种细微孔隙中的水被称为毛细水，对工程产生一定的影响。

2.影响

（1）毛细水上升引起路基冻害。

（2）对于房屋建筑，毛细水上升会引起地下室过分潮湿，需解决防潮问题。

（3）毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对工程建设及农

业生产都产生影响。

下面主要介绍毛细现象中的几个概念。

二、毛细水带 土层是由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带，可分如下三种（见P31图2－1）。

1、正常毛细水带（又称毛细饱和带）

它位于毛细水带的下部，与地下潜水相连通。这部分毛细水主要是由潜水面直接上升而形成的，毛细水几乎充满了全部孔隙。该水带会随着地下水位的升降而作相应的移动。

2、毛细网状水带

它位于毛细水带的中部。当地下水位急剧下降时，它也随着急速下降，这时在较细的毛细孔隙中有一部分毛细水来不及移动，仍残留在孔隙中。而在较粗的孔隙中因毛细水下降，孔隙中留下气泡，这样使毛细水呈网状分布。

3、毛细悬挂水带

它位于毛细水带的上部。这一带的毛细水是由地表水渗入而形成的，水悬挂在土颗粒之间。当地表有水补给时，毛细悬挂水在重力作用下向下移动。

上述三个毛细带不一定同时存在，这取决于当地的水文地质条件。网状水带；反之，当地下水位较低时，则可能同时出现3个毛细水带。

三、毛细水上升高度

1、理论计算公式

假设一根直径为d的毛细管插入水中，可以看到水会沿毛细管上升。其上升最大高度为：

hmax2T4T rwdw式中：T水的表面张力（见P32表2—1）；

d----毛细管直径，m；

m-----水的重度，取10kN/m。

3从上式可以看出，毛细水上升高度与毛细管直径成反比，毛细管直径越细时，毛细水上升高度越大。

2、经验公式

在天然土层中，毛细水的上升高度是不能简单地直接采用上面的公式的。这是因为土中的孔隙是不规则的，与园柱状的毛细管根本不同，使得天然土层中的毛细现象比毛细管的情况要复杂得多。例如，假定粘土颗粒直径为d=0.0005mm的圆球、那么这种均粒土堆积起来的孔隙直径d1105cm，代入上式可得毛细水上升高度为hmax=300m，这是根本不可能的。实际上毛细水上升不过数米而已。

海森（A.Hazen）提出了下面的经验公式：

h0c ed10式中：h0----毛细水实际上升高度，m；

e----土的孔隙比；

d10-----土的有效粒径；

C----系数，一般C=（1～5）105m2。

无粘性土毛细水上升高度的大致范围见P32表2-2。

由表2-2可见，砾类与粗砂，毛细水上升高度很小；细砂和粉土，不仅毛细水高度大，而且上升速度也快，即毛细现象严重。但对于粘性土，由于结合水膜的存在，将减小土中孔隙的有效直径，使毛细水在上升时受到很大阻力，故上升速度很慢。

四、毛细压力（自学）

§3.2 土的渗透性

土孔隙中的自由水在位势差作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。

渗透性是土的重要工程性质之一。与土的强度、变形问题一样，也是土力学中主要研究课题之一。

一、渗流的基本规律

（一）层流渗透定律（达西定律）

1．基本概念

（1）流线：水点的运动轨迹称为流线；

（2）层流：如果流线互不相交，则水的运动称为层流；（3）紊流：如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊流。一般土（粘性土及砂土等）的孔隙较小，水在土体流动过程中流速十分缓慢，因此多数情况下其流动状态属于层流。

2．达西定律

法国学者达西（H·Darcy）于1856年通过砂土的渗透试验，发现了

地下水的运动规律，称为达西定律。试验装置下图所示。

L----试样长（砂土）； A----截面积； h----水位差； t-----时间（s）；

Q----试验开始t秒钟后盛水容器所接水量（cm3）。

则每秒钟渗透量

qQ t达西发现，q与A、h成正比，与L成反比，则写成：

qkAhkAi L则渗透速度vqki（单位时间通过单位面积的水量）A式中：v渗透速度，m/s；

i------水力坡降（水头梯度）； K-----渗透系数（见P32表2-3）。

由于达西定律只适用于层流的情况，故一般只适用于中砂、细砂、粉砂等。

在粘土中，土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到电分子引力的作

用而呈现粘滞性。因此，粘土中自由水的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大的阻力，只有克服结合水的抗拉强度后才能开始渗流。我们将克服此抗拉强度所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度ib。这样在粘土中，达西定律为：

vk(iib)

式中: ib---起始水头梯度（起始水力坡降）。

在砾类土和巨粒土中，只有在小的水力坡降下，渗透速度与水力坡降才呈线性关系，而在较大的水力坡降下，水在土中的流动进入紊流状态，呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如上图（c）所示，需建立紊流情况下的公式关系。

3．渗透系数（自学）4．影响水渗透性的因素（1）土的粒度成份及矿物成份

土颗粒越大、越浑园、越均匀、级配越差时，渗透性越大。反之，渗透性越小，例如，砂土中含有较多粘土及粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。

（2）土的矿物成份

关于土的矿物成份对无粘性土的渗透性影响不大，但对于粘性土的渗

透性影响较大。粘性土中含有亲水性较大的粘土矿物（如蒙脱石）或有机质时，由于它们具有很大的膨胀性，就大大降低了土的渗透性，含有大量有机质的淤泥几乎是不透水的。

（3）结合水膜厚度

粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。

（4）土的结构构造

天然土层通常是各向异性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。

（5）水的粘滞度

水在土中的渗透速度与水的重度及粘滞度有关，而这两个数值又与温度有关。一般水的重度随温度变化很小，可略去不计，但水的粘滞系数随温度的升高而降低，从而增加了水的渗透性。

（6）土中气体

当土中存在封闭气泡时，会阻塞水的渗透，从而降低了土的渗透性。

二、动水力及渗流破坏 1．动水力

水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力T的作用，这个力的作用方向与水流方向相反。根据作用力与反作用力相等的原理，水流也必须有一个相等的力作用在土的颗粒上，我们把水在土中渗流时，对单位体积土骨架所

产生的作用力称为动水力GD（KN/m3）。

GDiw

*总结：动水力是一个渗透力，也是一个体积力，是地下水在渗流过程中对单位体积土骨架所产生的作用力，其大小与水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。2．流砂

当水流向下流动时，动水力方向与重力方向一致，使土颗粒压得更加紧密，对工程有利。反之，当水流向上渗流时，动水力的方向与重力方向相反。当动水力GD的数值等于或大于土的浮重度r'时，土体颗粒间的压力就等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象称为流砂。即流砂产生的条件为：

GD

或

i w令icr,称为临界水力坡降（临界水头梯度），只要实际水力坡降iicr，w则会产生流砂。

容许水力坡降[i]icr（取安全系数K＝2.0～2.5），设计时渗流逸出处K的水力坡降应满足如下要求：

i[i]icr K流砂现象主要发生在细砂、粉砂及粉土等土层中。对于饱和的低塑性粘性土，当受到扰动时，也会发生流砂现象，而在粗颗粒及粘土中则不易

发生。

流砂现象一般发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部。基坑开挖排水时，常采用排水沟明排地下水的方法。此时地下水流动的方向向着基槽，由于基槽中土体已挖除，形成临空面，在动水力的作用下可能产生流砂现象。这时，坑底土一面挖一面会随水涌出，无法清除，站在坑底的人和放置的施工设备也会陷下去。由于坑底土随水涌入基坑，使坑底土的结构破坏，强度降低，将来会使建筑物产生附加沉降。

一般情况下，施工前应做好周密地勘测工作，当基坑底面的土层属于容易引起流砂现象的土质时，应避免采用排水沟明排地下水，而应采用人工降低地下水位（井点降水）的方法进行施工。

3．管涌：当水力坡降i很大时，引起紊流，水流会将土体中细颗粒土带走，破坏土的结构，这种现象称为管涌。

长期管涌的结果会形成地下水洞，土洞由小逐渐扩大，可导致地表塌陷，如美国的伯明翰市。

河滩路堤两侧有水位差时，在路堤内或基底土内发生渗流，当水头梯度较大时，可能产生管涌现象，导致路堤坍塌破坏。为了防止管涌现象发生，一般可在渗流逸出部位铺设反滤层，或做防渗铺盖或施工防渗墙等。

流砂和管涌的区别是：流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部，而管涌既可发生在渗流逸出处，也可发生于土体内部。

§3.3 流网及其应用（自学）

§3.4 土在冻结过程中的水分迁移与集聚

一、冻土现象及其危害

在寒冷季节因大气负温影响，土中水冻结成冰，此时土称为冻土。1．冻土分类

（1）季节性冻土：是指冬季冻结，夏季全部融化的冻土；（2）隔年冻土：若冬季冻结，一两年不融化的土层；（3）多年冻土：凡冻结状态持续三年或三年以上的土层。多年冻土的表层常覆盖有季节性冻土，故又称融冻层。

我国的多年冻土分布，基本上集中在纬度较高和海拔较高的严寒地区，如东北的大兴安岭北部的小兴安岭北部，青藏高原以及西部天山，阿尔泰山等地区，总面积约占我国领土的20％左右，而季节性冻土分布范围更广。

2．冻土现象

在冻土地区，随着土中水的冻结和融化，会发生一些独特的现象，称为冻土现象。冻土现象包括冻胀现象和融陷现象。

（1）冻胀现象：某些细粒土层随着土中水的冻结，土体产生体积膨胀，这种现象称为冻胀现象。

土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成水时其体积要增大9％的缘故，而主要是由于土层冻结时，周围未冻结区中的水分会向表层冻结区迁移集聚，使冻结区土层中的水分增加，冻结的水分逐渐增多，土体积也随之发生膨胀隆起。

（2）融陷现象：当土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷，这种现象称为融陷现象。3．冻土现象对工程的危害

50（1）冻胀时，路基被隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝或折断；

（2）修建在冻土上的建筑物，冻胀引起建筑物的开裂、倾斜甚至轻型构筑物倒塌；

（3）发生融陷后，路基土在车辆反复碾压下，轻者路面变得松软，重者路面翻浆。

（4）季节性冻土地区，当土层解冻融化后，土层软化，强度大大降低，使得房屋、桥梁和涵管等发生过量沉降和不均匀沉降，引起建筑物的开裂破坏。

因此，冻土现象必须引起注意，并采取必要的防治措施。

二、冻胀机理与影响因素 1．冻胀的原因

其主要原因是：冻结时土中水分向冻结区迁移和集聚的结果。解释水分迁移的学说很多，其中以“结合水迁移学说”较为普遍。大家知道，土中水区分为结合水和自由水两大类，结合水又根据其所受电分子引力的大小分为强结合水与弱结合水；自由水分为重力水和毛细水。其中重力水在00C时冻结，毛细水的冰点稍低于00C；结合水的冰点则随着其受到的引力增加而降低，弱结合水的外层在-0.50C时冻结，越靠近土粒表面其冰点越低，弱结合水要在-200C～300C时才全部冻结，而强结合水在-780C仍不冻结。所以，在冬季气温下，参与冻结的是重力水、毛细水和部分弱结合水。

当大气温度降至负温时，土层中的温度也随之降低，土孔隙中的自由

水首先在00C时冻结成水晶体。随着气温的继续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大。这样，冰晶体周围土粒的结合水膜减薄，土粒产生剩余的分子引力。另外，由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加。这样便产生渗附压力（即当两种溶液的浓度不同时，会在它们之间产生一种压力差，使浓度较小溶液中有水向浓度较大的溶液渗流。）在两种引力作用下，附近未冻结区水膜较厚处的结合水被吸引到冻结区的水膜较薄处。一旦水分被吸引到冻结区后，因为负温作用，水即结冰，使水晶体增大，而不平衡引力继续存在，则未冻结区的水分就会不断地向冻结区迁移集聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体积发生急剧膨胀。这种冰晶体的不断扩大，一直到水源的补给断绝后才停止。

2.影响膨胀的因素（1）土的因素

冻胀现象通常发生在细粒土中，特别是粉砂、粉土、粉质亚粘土和粉质粘土等。这是因为这类土具有较显著的毛细现象，毛细上升高度大，上升速度快，具有较通畅的水源补给通道。同时，这类土颗粒较细，能持有较多的结合水，从而能使大量的结合水迁移和积聚。

粘土的冻胀性较上述粉质土为小，这是因为粘土虽有较厚的结合水膜，但毛细孔隙很小，水分在迁移过程中受到的阻力很大，没有畅通的水源补给通道，所以其冻胀性反而小。

对于砂砾等粗颗粒土，没有或具有很少量的结合水，其毛细现象也不显著，不会发生水分的迁移和积聚，因而不会发生冻胀。所以，在工程实践中常在地基或路基中换填砂土，以防治冻胀。

（2）水的因素

从前面的分析可以看出，土层发生冻胀的原因是水分的迁移和集聚，因此，当冻结区附近地下水位较高，毛细水上升高度能够达到冻结线，使冻结区能得到外部水源充分补给时将发生较强烈的冻胀现象。反之，冻胀将轻微。

（3）温度的因素

如气温骤降，冻结速度较快时，土中弱结合水及毛细水来不及向冻结区迁移就在原地冻结成冰，毛细通道也被冰晶体所堵塞。这样，水分迁移和集聚不会发生，在土层中看不到冰夹层，只有散布于土孔隙中的冰晶体，这时形成的冻土一般无明显的冻胀。

如气温缓慢下降，负温持续时间又较长，就能促使未冻区水分不断地向冻结区迁移集聚，在土层中形成冰夹层，出现明显的冻胀现象。

上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件。通常在持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、粉质粘土等土层才具有较大的冻胀危害。因此，我们可以根据影响冻胀的三个因素，采取相应的防治冻胀的工程措施，如可将构筑物基础底面置于当地冻结深度以下，以防止冻害的影响。

三、标准冻结深度 由于土的冻胀和冻融将危害建筑物的安全和正常使用，因此一般设计中均要求将基础底面置于当地冻结深度以下，以防止冻害的影响。

土的冻结深度与许多因素有关，如当地气候、土的类别、湿度以及地面覆盖情况等。

下面介绍一个概念，即：

标准冻结深度Z0：在地表无积雪和草皮等覆盖条件下，多年实测最大冻结深度的平均值称为标准冻结深度，在《公路与桥涵地基与基础设计规范》和《建筑地基基础设计规范》中，绘制了东北和华北地区标准冻深线图。

第四篇：弹性力学论文

弹性力学论文

钢2混凝土组合扁梁受力性能的有限

元分析

西安工业大学 建筑工程系 050705124 周博超

钢2混凝土组合扁梁受力性能的有限元分析

周博超

摘要: 钢2混凝土组合扁梁是将钢梁内嵌于混凝土之中的新型组合梁, 它能最大限度地降低结构的高度, 形成类似“无梁楼盖”的结构体系, 已在住宅钢结构中推广应用, 其承载性能和设计方法研究引起了结构工程界的关注.本文采用通用有限元程序AN SYS 研究了组合扁梁的承载力问题, 通过建模计算了简支组合扁梁、悬臂组合扁梁和框架组合扁梁的承载力和变形特征, 得到了相应的荷载2位移过程曲线, 并与组合扁梁的试验结果进行了比较, 验证了计算结果的正确性.关键词: 组合扁梁;极限承载力;有限元在多层钢结构建筑, 特别是住宅钢结构中, 钢2 混凝土组合扁梁楼盖已成为深受欢迎的楼盖体系,实现了“无梁楼盖”建筑效果.组合扁梁是一种新型结构体系, 受力性能比较特殊, 目前尚无成熟的分析和设计方法, 本文采用有限元方法对这种新型组合梁的受力性能和破坏过程进行了模拟, 并与试验结果进行了比较, 得到了对设计和应用组合扁梁具有重要参考意义的结论.1 组合扁梁结构

普通钢2混凝土组合梁充分利用了材料的特性, 混凝土楼板搁置在钢梁的上翼缘, 通过栓钉将钢梁和混凝土楼板连成整体而共同工作, 混凝土受压, 钢梁受拉, 如图1.为了进一步减小梁高, 组合扁梁将混凝土楼板放在了钢梁的下翼缘, 看上去类似“无梁楼盖”, 它充分考虑了楼盖对梁刚度的加强作用, 如图2.组合扁梁楼盖可由钢梁与预制混凝土空心楼板或深肋压型钢板楼板组成, 横向钢筋和钢丝网是为了保证在扁梁达到强度极限状态之前不发生混凝土板纵向剪切破坏, 剪力连接件保证混凝土板与钢梁共同工作[ 1 ].图1 普通组合梁

图2 组合扁梁

与其它组合梁相比, 组合扁梁楼盖的下表面平整, 一般不需要做吊顶, 便于房间的灵活布置及自由分隔, 同时降低了结构高度, 提高了结构的抗火能力.这种新型组合梁在工程上已开始应用, 需要对其分析和设计方法进行深入研究[ 223 ].2 有限元模型和计算参数 2.1 混凝土开裂的模拟

AN SYS 可以处理混凝土结构的配筋、开裂和压溃等复杂问题, 本文分析主要用到AN SYS 提供的线单元和块单元两种类型: L IN K8, SOL ID45和SOL ID65.L IN K8 单元模拟钢筋的受力情况;SOL ID45单元模拟钢梁的受力情况;SOL ID65单元用于模拟混凝土模型.建模时, 忽略钢梁与混凝土之间的滑移, 钢梁与混凝土之间连接采用共用节点以使其变形协调.试验结果也表明对于组合扁梁,钢与混凝土之间的滑移对其刚度和承载力影响很小, 可以忽略[ 4 ].混凝土的抗拉强度低, 在加载初期就要开裂,能否正确地模拟混凝土的开裂是计算结果是否准确的关键.本文采用单元的“死活”概念来模拟混凝土的开裂, 其基本思想是如果混凝土开裂, 假设其对结构的刚度和承载力的贡献可以忽略, 在建模计算时, 将这些单元“杀死”.由于事先不知道哪些单元应该“杀死”, 所以结构分析的有限元模型的单元是不确定的, 是动态的, 随其受力状态而改变.在计算分析中, 根据AN SYS 计算出来的应力和应变, 把满足开裂条件的单元“杀死”, 让其退出工作, 然后按新的模型重新计算, 如此反复迭代, 直到相邻两次迭代结果相差在可接受的范围内即可停止计算.2.2 网格的划分 本模型所有的实体单元均为8节点的长方块,便于分层, 这样模拟混凝土开裂的效果比较自由网格的三角形单元要好的多, 也更接近混凝土开裂的实际情况, 采用“M erge”或“Glue”等命令把模型各部分连成空间的一个整体, 保证单元之间的位移协调.2.3 边界条件的处理

边界条件一般有三种: 简支端、自由端和固支端.简支端约束边界上节点所有的平动自由度;固支端约束住边界上节点所有的平动自由度和转动自由度;对于自由端, 让边界截面上所有节点的变形满足平截面假定, 采用约束方程实现, 这样符合实际情况.2.4 分析中应注意的问题

对于某个节点, 与其连接的所有活单元被“杀死”后, 该节点变成一个漂移的节点, 具有浮动的自由度数值.在一些情况下, 需要约束住这些不被激活的自由度以减少求解方程的数目, 并防止出现位置错误.但是, 在重新激活与其相连的单元时要根据情况删除这些人为施加的约束.另外, 在查看结果时, 尽管其对刚度矩阵的贡献被忽略了, 但由于“杀死”的单元仍在模型中, 在单元显示和其它的后处理操作之前, 需用选择功能排除这些没有被激活的单元以方便查询处理.2.5 计算参数取值

本文采用上述有限元模型分析3个组合扁梁:简支梁BL 1, 框架梁BL 2和悬臂梁BL 3.三根梁的截面尺寸、配筋率、栓钉间距以及混凝土板做法完全相同, 其截面和加载方式见示意图3～ 5, 钢筋、钢材和混凝土的强度指标通过材料试验测得.图3 组合扁梁截面示意图

图4 BL 1梁加载示意图

钢材各向同性, 采用目前非线性分析中常用的Von M ises 等向强化准则, 本构关系为双直线模型, 实测弹性模量189 GPa, 塑性强化段切线模量750M Pa, 钢材屈服强度为397.75M Pa;钢筋取理想弹塑性模型, 初始弹性模量200 GPa, 混凝土的实测压溃强度分别为37.7, 47.2和41.3M Pa[ 3 ].图5 BL 2和BL 3梁加载示意图 2.6 有限元模型

本文对上述3根组合扁梁建立了AN SYS 模型, 进行了计算分析.组合扁梁沿高度方向共分17层, 钢梁上下翼缘各分2层, 长度方向每100 mm 分1段.截面的单元划分见图6.加载采用位移加载方式, 即在加载点施加足够大的位移, 直到构件完全破坏.计算过程中对所施加的外荷载和特征点挠度进行跟踪.图6 截面网格划分 有限元数值模拟结果及与试验结果的对 比分析

为了验证有限元分析结果的正确性, 本文参考3个组合扁梁的试验研究数据[ 4 ] , 与有限元分析结果进行了比较.3.1 扁梁BL1的分析结果

混凝土的抗拉强度很低, 简支组合扁梁全跨承受正弯矩, 在加载初期, 处于中和轴以下的混凝土要开裂, 退出工作, 在进行有限元分析时是将这些不参与工作的混凝土单元“杀死”, 经过反复迭代计算, 最后剩下只有参与工作的混凝土单元(图7).图7 扁梁BL 1开裂后剩余混凝土单元

1)简支组合扁梁跨中弯矩较大, 开裂的混凝土也较多, 跨中等弯矩段的开裂程度是一样的, 随着向支座处弯矩的降低, 开裂的混凝土逐渐减少,开裂后剩余的混凝土呈拱形, 沿__________着梁长度方向中和轴是一条曲线, 而不是一条直线.2)荷载2挠度曲线是最重要的数据, 常常是设计的依据, 扁梁BL 1的荷载2挠度曲线见图8, 为了便于比较, 同时给出了试验的荷载2挠度曲线[ 3 ].图8 扁梁BL 1荷载2挠度曲线比较

3)从图8可见, 整个加载过程, 有限元分析和试验曲线的结果吻合良好, 在弹性阶段, 有限元分析刚度和试验所测的刚度也比较接近.这说明对于简支组合扁梁, 在进行有限元分析时忽略一些次要因素, 如钢梁与混凝土板之间的滑移, 正弯矩区混凝土板中钢筋的作用等, 而只考虑主要因素的影响, 如开裂的混凝土退出工作, 分析结果足够精确.表1列出了有限元计算结果和试验结果的定量比较, 有限元分析的结果与试验结果的误差在6% 以内, 有限元分析方法是可靠的.表1 BL1有限元结果与试验结果的比较

3.2 扁梁BL2的分析结果

两端刚接梁在杆端负弯矩最大, 跨中正弯矩最大, 在整个梁跨度范围内弯矩发生变号.在加载初期, 靠近支座处中和轴以上和跨中处中和轴以上的混凝土都要开裂, 退出工作.AN SYS 模拟的结果与实验现象十分接近[ 4 ] , 多次迭代计算后剩下参与工作的混凝土, 见图9, 从中可清楚的看到反弯点的位置, 但与简支梁一样, 受单元数目的限制, 数值模拟结果在某些区段没有完全反映出弯矩变化的影响, 使得没有退出工作的混凝土单元在轴向没有呈连续的曲线.扁梁BL 2的荷载2挠度曲线比较见图 10.图9 扁梁BL 2没有退出工作的混凝土单元

图10 扁梁BL 2荷载2挠度曲线比较 3.3 扁梁BL3的分析结果

悬臂梁由于单元较少, 共迭代计算5次, 最终剩余的混凝土单元见图11, 荷载2挠度曲线见图12.图11 悬臂梁没有退出工作的混凝土单元 图12 扁梁BL 3荷载2挠度曲线比较 从扁梁BL 3的荷载2挠度曲线可以看出:

1)在加载初期, 试验实测刚度比有限元分析的结果要大, 这是由于混凝土在这时还没有开裂,而有限元计算是按照最终该开裂的混凝土都完全开裂之后计算的刚度, 故偏小.2)在后期, 有限元计算刚度要比试验刚度大,这是由于在试验中, 焊在柱子翼缘板上的钢筋能够与钢梁共同工作, 而焊在肋板上的钢筋由于肋板刚度较小, 并没有与钢梁完全共同工作, 试验时也观察到肋板发生了明显的扭曲, 直接影响组合扁梁的加载后期的刚度值, 但对于扁梁的极限承载力几乎没有影响, 因为这时候扁梁的变形足够大, 使肋板发生了明显的扭曲, 负弯矩区的钢筋仍然屈服了.3)在实际工程设计时, 要想依靠负弯矩钢筋来加强负弯矩区扁梁的刚度则须妥善处理好钢筋与柱子之间的连接问题, 否则是不安全的.另外, 图11也表明并非所有的混凝土都退出工作, 靠近钢梁下翼缘仍有一定量的混凝土参与工作.为了定量比较, 表2列出了有限元计算结果和试验结果, 有限元分析的结果与试验结果的误差在5% 以内.表2 BL3有限元结果与试验结果的比较 主要结论

本文应用有限元分析软件AN SYS, 以3根不同形式的组合扁梁为对象, 对正负弯矩区组合扁梁的受力性能进行了计算和模拟.分析结果表明:

1)有限元计算结果与试验结果吻合较好, 表明数值模型和方法是正确有效的, 为深入研究组合扁梁的受力性能奠定了基础.2)正弯矩区, 受拉区混凝土的开裂、构件的几何尺寸是影响组合扁梁受力的主要因素, 忽略钢梁与混凝土板之间的滑移及混凝土板中的钢筋作用,分析结果误差很小.3)负弯矩区, 混凝土板中钢筋对组合扁梁的弹性刚度和极限承载力有着明显的影响, 钢筋与柱子之间良好的连接是保证其共同作用的关键.而中和轴以下混凝土对组合扁梁受力也有相当的影响,实际工程设计时忽略它是偏于安全的.参考文献: [ 1 ] M ullett D L.Slim floor design and construction [M ].The Steel Construction Institute, 1997.[2 ] 陈 全, 石永久, 王元清, 等.带组合扁梁多层轻型钢框架结构体系分析[J ].建筑结构, 2002, 32(2): 17220.Chen Q , Sh i Y J , W ang Y Q , et al.Structura lanalysis on ligh t steel frame w ith steel2concrete composite slim beam [J ].Building Structures, 2002,32(2): 17220.[ 3 ] 陈 全.组合扁梁受力性能分析[D ].北京: 清华大学 土木工程系, 2002.[ 4 ] Chen Q , Sh i Y J , W ang Y Q , et al.Loading capacity of steel2concrete composite slim beam [ J ].P roc.Of 7th International Symposium on Structural Engineering for Young Experts, 2002, 1(2): 9252929.

第五篇：创新能力学论文

找碴儿有奖

——舒肯连锁超市创意行销新法

摘要：爱尔兰企业家菲哥﹒肯恩以巧智与“大胆关爱”建立了与顾客之间的长久友好关系。最不寻常的发明之一，就是“找碴儿计划”。“找碴儿有奖”这个新方法在思维上利用了发散思维与收敛思维，创新技法上运用的是缺点逆用法。此方法的利用为舒肯超市的经营带来了极大的效益。

关键词：找碴儿；创新；行销；发散思维；收敛思维；缺点逆用

一、舒肯连锁超市行销新法介绍

爱尔兰企业家菲哥﹒肯恩以巧智与“大胆关爱”建立了与顾客之间的长久友好关系。最不寻常的发明之一，就是“找碴儿计划”。实施初期，顾客一进门，就会拿到一张列有15条违反“舒肯超市品质标准天条”的卡片，让顾客来找碴儿，比如：超市购物车的车轮摇摆不定；打包不当的购物袋，如软的东西放到了底下；温度计显示出肉品冰箱的温度不够冷等等。顾客每次发现其中一项失误，就会得到舒肯会员俱乐部奖励积分200点。积分积累到一定数量可以领取奖品。对于兑奖程序，会员们一年有两次会收到64页的兑奖型录，含有礼品，玩具，家庭及运动用品还有机票与旅馆住宿券等可供选择。兑奖地点也是可以再任何一家舒肯超市兑换奖品或以电话兑奖，或者去特设的兑奖中心对换，目前，每周被领走的奖品超过5000个。舒肯超市设有24小时全天候的语音电话系统，答复会员积分兑奖信息。

现在，舒肯已经不用这张卡了，取代的是更严格的政策:消费者在店内发现任何不能接受的事情，就可得到奖励积分，即使像肉嫩不嫩这种个人化倾向化很强的意见也算数。

“我们已经让顾客变成品质监察员了。”舒肯俱乐部主任如是说。

二、“找碴儿有奖”创新点分析

此新法与其他超市的最大不同就是大力以物质的形式鼓励消费者提出意见和建议，一般的超市或者其他行业顶多就是设置一个意见箱或者投诉部门等等，都是以消极的态度去面对客户投诉，没有以物质的形式去鼓励消费者去提意见，更没有设置这么完备的兑奖系统。但是，对于服务性行业来说，他们销售的不仅仅是商品，更是服务，舒肯超市的“产品”，事实上是他们与顾客间关系的品质，而不仅是卖出的食物。让消费者提出意见和建议一方面可以更好的提供自己的服务，改善超市经营和管理；另一方面这个措施还让顾客切实地感受到了“顾客是上帝”，满足了顾客被重视的心理。另外，由于这些优惠措施大部分是针对会员的，因此会吸引更多人加入会员行列，同时也算是做了一定的宣传。

三、创新思路分析

1、思维方法分析

1.1、所用思维方法概述

这个行销手段的创新思路主要是先运用发散思维进行广泛收集，多方搜索，再运用收敛思维进行认真整理和精心加工，从而完成一个创新过程，得出有意义的创新结果。

1．11、发散思维

发散思维又称“辐射思维”、“放射思维”、“多向思维”、“扩散思维”或“求异思维”，是指从一个目标出发，沿着各种不同的途径去思考，探求多种答案的思维。发散思维是创造性思维的最主要的特点，是测定创造力的主要标志之一。这种思维具有核心性作用、基础性作用和保障性作用，发散思维可以为随后的收敛思维提供尽可能多的解题方案。这些方案不可能每一个都十分正确、有价值，但是一定要在数量上有足够的。

1．12收敛思维

收敛思维是收敛思维也叫做“聚合思维”、“求同思维”、“辐集思维”或“集中思维”，是指在解决问题的过程中，尽可能利用已有的知识和经验，把众多的信息和解题的可能性逐步引导到条理化的逻辑序列中去，最终得出一个合乎逻辑规范的结论。

收敛思维也是创新思维的一种形式，与发散思维不同，发散思维是为了解决某个问题，从这一问题出发，想的办法、途径越多越好，总是追求还有没有更多的办法。而收敛思维也是为了解决某一问题，在众多的现象、线索、信息中，向着问题一个方向思考，根据已有的经验、知识或发散思维中针对问题的最好办法去得出最好的结论和最好的解决办法。发散思维起的是一种筛选作用，被选择出来的设想或方案是按照实用的标准来决定的，应当是切实可行的。这样，收敛思维就表现了很强的求实性。

1.2、思维方法在本案例中的应用

对于本案例来说，因为超市经营的最终目的是为了扩大市场，增进收益。而如何才能增加收益呢？作为超市，特别是连锁超市，一般都是薄利多销，因此，客户的数量是增加收益的一个重要的方法。要吸引客户，一方面要加大宣传，另一方面就是要加强经营管理，提高服务质量和工作效益，让顾客满意，才能吸引顾客回头。

在以上发散思维的结果下，有三条可以增加收益的途径，分别是首先对内促进经营管理，加大监管力度；其次对外给顾客提供更多更好的服务，让顾客有“上帝”的感觉，留住老顾客；其次，加大宣传，吸引新顾客流。在这些途径的基础上要制定出一个措施，能够最好是同时实现这三个目标，即是收敛思维的过程。“找碴儿有奖”这个方案基本可以比较好的同时实现以上三个目标，最终可以提高超市的收益。首先通过顾客“找碴儿”，发现了超市经营管理的问题，这些问题很多都是管理者本身很难发现的，由顾客提出，一方面可以促进超市更好的经营，减小质量监管的成本；另一方面，顾客的意见被采纳，会让顾客有心理上的满意，即被尊重的感觉，这样有助于留住老客源；最后，由于找碴儿有奖是针对会员的奖励，因此，可以吸引更多的人成为超市的会员。同时，由于这个方案的施行，高调的让顾客“找碴儿”,也显现出了超市对自己经营管理的自信，顾客

在这种乐意让消费者发现问题的超市买东西会觉得更加放心，这样也会吸引更多的顾客成为固定的会员。

另外，“找碴儿有奖”在某种程度上运用了逆向思维的思维方法，被消费者公开指出错误本来是一种很有风险的事情，因为这样企业很有可能失去顾客，但是舒肯连锁超市“反其道而思之”，从相反的方面进行探索，发现了找碴儿能够带来的潜在的利益。

2、创新技法分析

由于这个技法不是本人创造的，因此，只能理论上推断这个方法的创新技法，通过理论学习，知道创新技法有很多种，包括设问检查型技法，组合型技法，逆向转换型技法等。这个创意行销方法运用了逆向转换型技法中的缺点逆用法。

2.1、缺点逆用法概述

由于世界上的事物无不具有两重性，在技术创新中，利用事物的缺点，“以毒攻毒”化弊为利的方法。缺点逆用巧妙的利用事物的缺点，化腐朽为神奇，寻找新的技术创造。

实施的时候要：1.探寻事物可以利用的缺点，此乃缺点逆用法的前提； 2.透过现象认清缺点的本质，抽象出被视为缺点的现象背后所隐藏的可以利用的基本原理或表现为缺点的现象本身的特性、行为、作用过程等。这一步是判断缺点是否具有可利用性，为下一步寻找利用的途径和方法提供科学依据的重要环节；

3.根据所揭示的现象背后的基本原理或对现象本身特性等的认识，研究利用或驾驭缺点的方法。在此要综合运用各种提出设想和形成发明构思的创造技法，以尽可能多地获取锦囊妙计。

2．2、缺点逆用法应用

第一步：对于超市特别是连锁超市来说，由于客户量大，必定会有顾客投诉，一般的超市会有投诉部或者意见箱，但是这些做法都是消极的，潜在的是为了避免大家投诉。由于它有可能会损害企业名声，减少顾客，因此客户投诉成为了一个缺点。

第二步：客户投诉有利于监管超市的经营和管理，有利于发现问题，有利于超市向更好的方向发展，因此可以利用这一个缺点进行构思，充分发挥它的潜在作用。

第三步：提出“找碴儿有奖”这个新方法，是以积极的态度去对待“顾客投诉”这个缺点，更好的利用了它的优点，同时，由于是积极的主动要求顾客“找碴儿”，它的性质已经不再是简单的投诉这么简单了，说出不满已经不是以前令超市感到头疼的事情，并且还有物质来鼓励大家说，这个方法让顾客的心理得到了满足，感受到了被人尊重，就更会积极的提出问题，促进改善。同时，由于这个特殊的方法，还会吸引更多的人成为会员。

四、由行销新法看创新

从蒸汽机火车到现在的高铁，从莱特兄弟的飞机到人类登月，创新融入到了我们生活的每一个角落，给我们的生活带来了翻天覆地的变化，毫不夸张地说，人类进步的动力就是创新，那创新的动力呢？——是人类需求。

需要是发明之母，是一切发明创新的出发点和着眼点，也是创新的最终归宿。

从“找碴儿有奖”这个行销新法来看，也是充分的体现出了创新的需要——可能原理。人的需要分很多层次，而这个新法主要就是满足了马斯洛需要层次论中的尊重需要，是其中受人尊重的满足感。创新出了要有需求之外，还要有方法与技巧及我们人类大胆突破和质疑的精神，巴尔扎克有句名言：“打开一切科学的钥匙都毫无异议的是问号；我们大部分伟大的发现都应归功于‘如何？’。

人人能创新，时时能创新，关键在于我们自己，作为一名大学生，我们不能被现有的书本及所谓权威禁锢住了思想，应该敢于质疑，多思考，扩展自己的视角，做一个具有创新精神的人。

参考文献：

[1]【美】斯坦·瑞谱 托马斯 著，胡罄如 译，网络时代行销经典《创意行销67招》，2009，世界图书出版公司北京公司，104-106.[2] 赵卿敏，创新能力的形成与培养，华中科技大学出版社，2003,129-157.[3] 孙洪敏，创新思维，中国上海科学技术文献出版社，2004，171-172.