弹性体系（精选十篇）
弹性体系 篇1
1计算分析模型的建立
1.1基本假定
根据铺装层与桥面系统的完整性, 沥青混合料铺装层开裂破坏主要与钢桥面板局部受力变形有关。本文采用有限元软件ABAQUS进行计算[1], 计算中取沥青混合料与正交异性钢桥面局部梁段作为对象, 根据黏弹性有限元理论, 结合沥青混合料钢桥面铺装的实际情况, 本文在建立分析模型基本假定如下:
(1) 组成钢桥面铺装体系的钢板是线性弹性的, 位移和应变都很小, 而作为直接承受车轮荷载的钢桥面沥青混合料铺装层为黏弹性材料;
(2) 钢板与铺装层之间为完全连续状态, 不考虑相对滑移;
(3) 正交异性钢板自重对铺装层的受力无影响, 边界条件采用铺装层和钢板无水平位移而允许竖向位移, 横隔板在底部固结。
1.2模型参数及施加荷载
本文以珠江黄埔大桥悬索桥的局部梁段模型为例, 模型结构如图1所示。本文计算时所施加荷载采用《公路工程技术标准》 (JTJ 001—97) 汽车-超20级重车后轴 (轴载为140kN) 的一侧轮胎加载[2], 荷载作用面积为0.084m 2, 将其换算成双轮轮压力0.83MPa, 考虑30%的冲击系数后双轮轮压力为1.08MPa。经荷载3种布置方式 (如图1所示) 比较后, 荷载在铺装层顶面的横向布置采用层间横向剪应力最大的荷位2, 纵向布置于两横隔板的跨中位置。模型参数表如表1所示。
1.3 分析步及增量步的设定
本文分析材料局部构件静载情况, 建立一个准静态分析步, 设定荷载作用时间为600 s;分析过程中初始增量为0.1 s, 即荷载在0.1 s内达到车轮荷载最大值1.08 MPa;分析步的最小时间增量取默认值;最大时间增量的设定考虑材料后期变化率较小, 不会有大变形, 故最大时间增量设为100 s;因在局部模型黏弹性分析中, 铺装应变均较小, 应变控制参数CETOL为0.001 0。
2 铺装层黏弹性材料模型及参数的选择
在沥青混合料黏弹性分析中, 得到广泛应用的黏弹性力学模型有广义Maxwell模型和Voigt模型[3,4], 由于广义的Maxwell模型能较好地描述黏弹性材料的应力松弛特征, 特别是可通过调整Ei、τi改变松弛曲线的形态以适应不同材料的特点, 为此, 本文采用四阶广义Maxwell模型对目前常用钢桥面铺装层材料环氧沥青混合料黏弹性性能进行描述。
大量的试验证明, 沥青混合料在一个相当宽的温度范围内均具有热流变简单材料的特性。对于简单热流变材料, 可通过移位因子进行时温转化, 即通过较高温度下较短时间的试验得到较低温度下较长时间的应力松弛特性。按照时温等效的基本原理, 以20℃下的松弛试验曲线为基础, 采用Arrhenius公式推算其他温度下的试验曲线, 以环氧沥青混合料铺装材料为例, 绘制出松弛模量主曲线族如图2所示。
3 静荷载作用下的铺装层的黏弹性响应
由于钢桥面铺装外界的温度变化频繁且变化范围大, 确定的铺筑材料的试验设计温度一般为-15℃～60℃, 温度升高时, 材料的黏性将增强, 为了对钢桥面沥青混合料铺装体系在荷载作用下的黏弹性力学进行全面的分析研究, 根据沥青混合料铺装层的黏弹性力学特性, 选择低温、常温、高温具有代表性的三个温度点-15℃、20℃、60℃, 采用“准弹性法”进行钢桥面铺装层在荷载作用下黏弹性力学响应分析。60℃下AC10、SMA10、环氧沥青混合料三种铺装材料[5]最大横向拉应变变化规律如图3所示。最大横向拉应变、最大横向拉应力及最大挠度变化规律如下:
(1) 低温情况下, 三种铺装体系在荷载作用下, 铺装层顶面的最大横向拉应变随时间几乎没有变化, 随着温度的升高, 三种铺装体系铺装层顶面的最大横向拉应变随时间延长而不断增大;这表明沥青混合料铺装层在低温情况下表现出明显的弹性性质, 而随着温度的升高, 逐渐体现出黏弹性, 并且在常温下, 铺装层材料的延迟变形时间较长, 高温延迟变形的时间较短, 表明高温情况下, 沥青混合料抵抗变形的能力较弱。同一时刻, 温度较低的情况下最大横向拉应变较小, 随着温度的升高最大横向拉应变逐渐的增大。各种温度条件下, 不同铺装材料构成的铺装体系铺装层顶面最大横向拉应变的大小依次为:εEA<εAC10<εSMA10, 这表明环氧沥青混合料较SMA10改性沥青混合料和AC10重交沥青混合料具有较良好的力学性能。
(2) 低温情况下, 三种铺装体系在荷载作用下, 铺装层顶面的最大横向拉应力随时间几乎没有变化, 随着温度的升高, 三种铺装体系铺装层顶面的最大横向拉应力随时间延长而不断减少, 体现为钢桥面铺装层的沥青混合料的应力松弛特性。同一时刻, 温度较低的情况下其最大横向拉应力较大, 随着温度的升高最大横向拉应力逐渐的减少。
(3) 低温情况下, 三种铺装体系在荷载作用下, 铺装层顶面的最大挠度随时间几乎没有变化, 随着温度的升高, 三种铺装体系铺装层顶面的最大挠度随时间延长而不断增大;这表明沥青混合料铺装层在低温情况下表现出明显的弹性性质, 而随着温度的升高, 逐渐体现出黏弹性, 并且在常温下, 铺装层材料的延迟变形时间较长, 高温延迟变形的时间较短, 表明高温情况下, 沥青混合料抵抗变形的能力较弱。同一时刻, 温度较低的情况下其最大挠度较小, 随着温度的升高最大挠度逐渐的增大。各种温度下, 不同铺装材料构成的铺装体系铺装层顶面最大挠度的大小依次为:fEA
4 加卸载条件下钢桥面铺装层的黏弹性分析
确定了钢桥面铺装层在恒定荷载作用下的黏弹性响应, 利用叠加原理, 则可以得到在加载、卸载条件下的钢桥面铺装层黏弹性响应。本研究中分析在温度为60℃情况下, 荷载作用时间为5s后卸载情况下环氧沥青混合料铺装层顶面各力学指标的变化情况。该种荷载模式可以看成两个反方向的恒定荷载的合成, 两恒定荷载的作用时间相距5s, 如图4所示。
环氧沥青混合料铺装层表面最大横向拉应变的变化规律如图5所示, 经历加卸载后的力学响应规律为:
(1) 荷载作用下, 最大横向拉应变逐渐增大, 当加载时间在5 s时, 其最大值为191 με, 随后随着荷载的移去, 最大横向拉应变迅速逐减少, 但并没有立刻消失, 大约再经历10s后, 最大横向拉应变才趋向于0。
(2) 荷载作用下, 最大横向拉应力逐渐减少, 当加载时间在5 s时, 铺装层顶面的最大横向拉应力为0.16 MPa, 随着荷载的移去, 最大横向拉应力迅速改变, 变为受压的0.42 MPa, 随后荷载值逐渐的减少, 最终趋向于0, 铺装层顶面横向应力的交替变化是铺装层疲劳破坏的主要原因之一。
(3) 荷载作用下, 最大挠度逐渐增大, 当加载时间在5 s时, 其最大值为0.8 mm, 随后随着荷载的移去, 最大挠度迅速逐减少, 但并没有立刻消失, 大约再经历10 s后, 最大横向拉应变才趋向于0。
5 结语
不同温度条件下沥青混合料铺装材料弹性及黏性特性的表征呈现不同的规律:低温情况下材料黏性状不明显, 具有较明显的弹性性能, 并且在常温下具有较强的延迟变形能力;随着温度升高, 铺装材料黏性性质逐渐增强, 表现出明显的黏弹性, 延迟变形能力较弱。随着温度升高, 荷载作用下最大横向拉应变指标有明显的变化:随时间增长而持续增大, 铺装材料的黏弹性造成的拉应变指标的增长不容忽略。
由于考虑了钢桥面环氧沥青混凝土的黏弹性力学特性, 钢桥面铺装体系在荷载作用下随着加载时间的延长, 各响应均经历着较复杂的变化:卸载前, 各响应值的变化规律与静力荷载作用下相同, 表现为最大横向拉应变和最大挠度随加载时间的延长而逐渐增大, 而最大横向拉应力随加载时间的延长而逐渐的减少;卸载后, 各响应值均发生迅速的变化, 并没有立刻恢复为0, 其中最大横向拉应变和最大挠度迅速减少, 最后逐渐趋于0, 而最大横向拉应力则由加载前的拉应力变为压应力, 应力出现了交替的变化, 这一定程度上加速了钢桥面铺装材料的疲劳破坏。
三种铺装材料的力学性能分析中可以看出, 环氧沥青混合料较SMA10改性沥青混合料和AC10重交沥青混合料具有较良好结构变形的能力。
参考文献
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[2] 顾兴宇, 邓学均, 周世忠, 等.车辆荷载作用下沥青混合料铺装受力分析.东南大学学报, 2001
[3] 杨挺青, 罗文波, 徐平, 等.黏弹性理论与应用.北京:科学出版社, 2004
[4] 张肖宁.沥青与沥青混合料的黏弹力学原理及应用, 北京:人民交通出版社, 2006
弹性体系 篇2
6、弹性板
3、弹性膜。
1、刚性板：平面内刚度无穷大，平面外刚度为0。
其主要用于大部分有梁体系的板，一般的非特别厚的板，平面内刚度无穷大和平面外刚度为0，相对的都是梁的刚度。
2、弹性板6：真实计算板平面内外的刚度（这里的真实计算是素砼的刚度，不包括钢筋）。其主要用于“板柱结构”以及“板柱－剪力墙结构”，这种结构没有梁，不考虑板的平面外刚度就不合理了，所以需要考虑板平面外的刚度。
从理论上说，弹性板6假定是最符合楼板的实际情况，可应用于任何工程。但是实际上，采用弹性板6假定时，部分竖向楼面荷载将通过楼板的面外刚度直接传递给竖向构件，从而导致梁的弯距减小，相应的配筋也比刚性楼板假定减少。而过去所有关于梁的工程经验都是与刚性楼板假定前提下配筋安全储备相对应的。所以，建议不要轻易采用弹性楼板6假定。弹性板6假定是针对“板柱结构”以及“板柱－剪力墙结构”提出的，因为对于这类结构，采用弹性楼板6假定既可以较真实地模拟楼板的刚度和变形，又不存在梁配筋安全储备减小的问题。
3、弹性板3：平面内刚度无穷大，真实计算平面外刚度。
它的应用范围和弹性板6是一样的，主要用于“板柱结构”以及“板柱－剪力墙结构”，尤其是楼板特别厚的时候，这种模型更复合实际结构受力特点。
弹性楼板3假定主要是针对厚板转换层结构的转换厚板提出的。因为这类结构楼板平面内刚度都很大，其平面外刚度是这类结构传力的关键。通过厚板的平面外刚度，改变传力路径，将厚板以上部分结构承受的荷载安全地传递下去。当板柱结构的楼板平面外刚度足够大时，也可采用弹性楼板3来计算。
4、弹性膜：真实计算楼板平面内刚度，平面外为0。
该假定是采用平面应力膜单元真实计算楼板的平面内刚度，同时忽略楼板的平面外刚度，即假定楼板平面外刚度为0。该假定适用于“空旷的工业厂房和体育场馆结构”、“楼板局部开大洞结构”、“楼板平面较长或有较大凹入以及平面弱连接结构”。
最大层间位移、位移比是在刚性楼板假设下的控制参数。构件设计与位移信息不是在同一条件下的结果（即构件设计可以采用弹性楼板计算，而位移计算必须在刚性楼板假设下获得），故可先采用刚性楼板算出位移，而后采用弹性楼板进行构件分析。如果没有勾选刚性楼板假定这一项，意味着当该房间定义了板厚为零或全房间洞时,楼层就会产生“弹性节点”，普通楼面只要不开洞的楼板还是按刚性假定计算内力，即平面内无限刚，平面外为零。在特殊构件里定义不同类型的弹性楼板和不勾选刚性楼板假定的区别是后者会自动对有楼板的房间默认为刚性楼板。
由于“刚性楼板假定”和弹性膜没有考虑楼板的面外刚度，所以才通过“梁刚度放大系数”来提高梁面外弯曲刚度，以弥补面外刚度的不足，同样，也可通过“梁扭矩折减系数”来适当折减梁的设计扭矩。而弹性板6与弹性板3都是真实的考虑了楼板的面外刚度，所以是不需要调整两个系数的，都取1就可以了。
弹性体系 篇3
关键词:煤炭企业;弹性标准成本;考核体系
所谓弹性标准成本,就煤矿而言,是指在某一煤田开采区域(矿务局或矿业集团)选择具有典型地质、生产、装备、技术等条件的正常生产的矿井,运用科学的测定手段,以标准消耗量和标准价格计算的各生产过程的单位工作量成本;以此为标准,以生产、地质、装备、技术等经济技术条件为变量建立成本计算模型,测算出各个条件变量不同变化值对单位工作量成本影响的比率,来换算出不同矿井、不同条件的单位产品成本。弹性标准成本除具有标准成本的科学性、尺度性和目标性外,增加了对各种生产条件的“适应性”这一特点。
根据煤炭企业现行成本核算与管理现状,结合煤矿生产的特点,煤炭企业弹性标准成本考核体系的建立,大致应分为以下几个步骤:
一、建立健全区队成本核算体系
煤矿的区队成本核算,不仅是测定和建立弹性标准成本的需要,而且是归集煤炭产品中各生产过程成本核算的基础核算单位,也是运用弹性标准成本进行差额对比和分析的基本单位。根据目前区队核算的状况,一方面要选好配齐区队成本核算员,并要保证成为专职人员(有的单位让成本核算员从事办事员、记工员、领料员等工作)。另一方面,要把区队成本核算纳入矿井会计核算,真正形成三级核算体系,设计能够正确、全面反映各生产过程成本的专门报表,以提高成本核算的准确和及时性。
二、建立健全原始记录和计量管理制度
因弹性标准成本的核算资料是以各生产过程的工作量和各种消耗的原始记录为基础的,所以,要在各个生产过程对水、风、电、油、气等安装测量仪表、对重量、体积、长度、数量等计量以及质量化验,都要设置专人或专门机构进行计量和化验,健全企业的计量管理制度。同时,要针对各生产过程的实际情况,制定严密的多联式原始记录表格、传递程序和汇总方法,以确保原始记录的准确性和可靠性。
三、建立健全企业内部价格管理制度
在消耗量测定后,决定弹性成本的另一决定因素是“标准价格”。就一个企业来讲,也就是结合市场采购供应价格的内部计划价格,它包括企业的材料、燃料、动力等价格和企业内部的劳务供应价格。内部价格一经制定,要在一定时期内保持相对稳定,并建立健全内部价格管理制度,防止内部计价混乱,以免影响弹性成本最终价差分析的正确性。
四、组建测定小组,加强测定领导
要选矿井计划、技术、生产、财务、工资、供应、计量、化验等业务部门的骨干人员,组成测定小组,进行选择性测定。为保证测定工作的顺利进行,企业领导(总经理、矿长)要亲自挂帅,做协调工作。要定期进行测定工作的总结、交流,提高工作质量。
五、弹性标准成本计算模型的建立
弹性标准成本模型应以煤矿的生产过程为对象建立,即掘进、回采、井下运输、巷道修复、设备装修、通风、排水、提升等。如对掘井工作面的测定,要有以下基本条件变量:巷道性质(岩、煤或半煤岩);岩煤硬度系数;断面规格;巷道坡度;掘进方式(综掘、炮掘、光爆等);支护方式(混凝土,木、U型钢支架等);各种材料用量;人员配备;机械化程度;劳动组织形式等。有条件的单位,输入电子计算机,建立弹性标准成本数据库和系统模型,将会得到更好的应用。
六、弹性标准成本计算模型的测定方法
计量模型建立后,主要工作就是组织选点测定。测定工作是一项繁杂而细致的系统工程。根据确定的每一生产过程的成本计算模型,要求在测算出常用变量组合模型的单位成本的基础上,测量出不同的各个变量组合模型的单位成本。其计算方法一般有:写实式,即对生产过程进行观察统计和调查了解,如生产环境、人员配备、劳动组织形式、支护方式、工时利用情况等;测量式,即对生产过程应用一定的仪器进行计量,如对水、电、油、气、风等进行跟班抄表,对工作面长、宽、高、坡度等跟班计量;化验式,如对煤岩硬度系数、工作面煤质等的化验;计算式,即根据班组及车间核算资料,剔除人为因素(如已领未用的材料、补发其它月份工资等)后的实际消耗情况;查阅分析式,对个别当前不具备测定的生产条件、大型材料及专用设备的消耗等,也可根据历史资料进行分析测定,但要注意可比性。
七、弹性标准成本各条件变量系数的确定
弹性标准成本的适用性就在于弹性,能否“弹”得准,关键在于各个条件变量修正系数的确定。在上述各生产过程、各种条件变化组合模型大量测定的基础上,对所获数据进行加工整理、归类分析,找出各生产过程计算模型中各条件变量对其单位成本的影响系数。如在掘进工作面确定某种支护方式对掘进成本的影响系数,作为该条件变量对掘进成本的修正系数。这样,根据各生产过程的基本成本计算模型和各条件变量的修正系数进行整理汇编,形成弹性标准成本核算手册初稿。
八、弹性标准成本的检验和修订
测定的标准成本,通过在各矿井的不同地区、不同地质生产条件下的验证,对脱离实际的要进行修订。通过反复验证和修订,最后形成弹性标准成本考核手册。
九、弹性标准成本考核体系的运用
主要应用于以下两方面:第一,编制主要生产过程标准成本预算。即根据各种生产、技术、地质、装备条件的变量系数编制出工作面或某生产环节的成本预算,作为对车间、班组的考核指标或费用控制指标。如果实际生产过程中发生大的条件变化,可经有关部门审核后,根据该条件变量的修正系数进行调整(追加或追减)成本预算。第二,作为制订矿井主要经营指标的依据。在制订某一时期矿井经营指标时,可根据该矿井的主要生产过程的标准成本,测定出矿井的弹性标准成本,进而确定矿井的主要经营指标。
十、弹性标准成本的分析与考核
弹性体增韧聚丙烯共混体系的研究 篇4
1 实验部分
1.1 原料
聚丙烯(PP):上海金山石化生产;聚乙烯(PE):HDPE 5000S,扬子石化生产;乙丙橡胶(EPDM):荷兰DSM公司;POE橡胶:美国陶氏公司。
1.2 设备与仪器
双螺杆挤出机:SHJ-35,上海化机四厂;注射成型机:CJ80NC,广东顺德市震德塑料机械有限公司;拉伸实验机:AGS-5KND,美国;弯曲实验机:AG-20KNE,美国;冲击实验机:TOYOSEIKI,日本;扫描电镜:Cambridge Stereo-250MK3,英国。
1.3 样品制备
PP、PE、EPDM和POE橡胶以及抗氧剂等助剂按配比计量后于高速混合机中混合后经双螺杆挤出机熔融挤出后,再经冷却、切粒、干燥得共混粒料。将所得挤出后的粒料置于CJ80NC型注塑成型机中制样,按ASTM标准制得样条,供力学性能测试。
2 结果与讨论
2.1 组成对弯曲强度、弯曲模量的影响
从试样1、3、4与试样Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ对应相比,其他组分比例均相同,只是前系列用的是POE橡胶,后系列用的是EPDM,由表可见,POE橡胶的增韧比EPDM的增韧有更高的弯曲强度和弯曲模量。
试样1与2、3与4、试样Ⅲ与Ⅳ相比又可以看到,随橡胶相的增加PP量的相应减少,材料的弯曲强度、弯曲模量下降。如试样1的弯曲强度为比试样2的弯曲强度大3.58MPa,试样1的弯曲模量比试样2的弯曲模量大131.7MPa,这与橡胶本身弯曲模量、弯曲强度低相符合。
如将试样1与3、试样2与4、试样Ⅰ与Ⅲ相比可以看出,随着PE含量的下降,PP量的相应增加,弯曲强度上升,弯曲模量也上升。比如1的弯曲强度比试样3的弯曲强度小1.06MPa,试样1的弯曲模量比试样3的弯曲模量小95.2MPa,这与PP的弯曲模量、弯曲强度较PE的高也是相对应的。
2.2 组成对拉伸强度的影响
再将试样1、3、4与试样Ⅰ、Ⅲ与Ⅳ对应相比来看,与上述弯曲强度及弯曲模量相似,POE橡胶增韧后拉伸强度比EPDM增韧的高,但差距不大,试样1和试样Ⅰ相近,试样4的拉伸强度较试样Ⅳ的拉伸强度大2.87MPa,差值较大。
此外,将试样1与2、试样3与4、试样Ⅲ与Ⅳ相比可以看到,随着橡胶含量的增加,对应的PP量的减少,试样拉伸强度降低。如试样1的拉伸强度为大于试样2的拉伸强度。
从试样1与3、试样2与4、试样Ⅰ与Ⅲ相比还可以看出,随着PE含量的增加,对应PP量的减少,拉伸强度降低。如试样1的拉伸强度低于试样3的拉伸强度。这与PE处于分散相是有关的。
2.3 组成对冲击强度的影响
从试样1与2、试样3与4、试样Ⅲ与Ⅳ低温冲击可以看到,随着橡胶含量的增加,低温冲击强度提高。如试样1的低温冲击强度小于试样2的低温冲击强度。
再从试样1与3、试样2与4、试样Ⅰ与Ⅲ相比还可以看出,在橡胶含量相同时,随着PE含量的增加,低温冲击强度有所提高。如试样1的低温冲击强度大于试样3的低温冲击强度,因为PE的加入,相当于加入了增韧剂,甚至也可以使PP球晶细化,从而使冲击强度提高。
综合比较试样1、2、3、4可以看到,试样3有着优异的拉伸、弯曲性能,明显优于其他几个配方,然而其冲击强度却有点反常的低,为此对上述几个样品作了SEM的分析。
2.4 微观结构的探讨
图1为部分试样的SEM照片。
从图1可以看到,试样3的橡胶相区最大。试样3与试样1的橡胶含量相同,但在试样1的SEM照片中很少看到橡胶相区,而且橡胶相区的直径很小,表明试样1中PP/PE/POE橡胶的三相相容性要大大优于试样3。另一方面,试样4的橡胶含量要高于试样3,这与SEM照片中试样4的橡胶相区密度很高是相一致的。然而试样4的相区的直径却相当小。虽然不能认为在试样4中PP/PE/POE橡胶三相的相容性比试样3更好,但至少可以表明在试样4的体系中,三相的黏度分配有利于橡胶的分散。与微观结构相对应的材料的宏观性能也表现出相应的关系来,如试样3的冲击强度最差,试样1的相容性最好,因而也没有表现出突出的冲击强度。只有在试样4中,既存在大量的分散的橡胶相区,但相区的直径又很小的情况下,体系才表现出尤为卓越的抗冲击性能来。
从试样Ⅲ与试样3相比可以看到,在EPDM增韧体系中,橡胶相区更大,这在材料的宏观力学性能上总体都比相应采用POE橡胶体系的试样差,但在抗冲击性方面,这种差距并不十分明显,这也许又同EPDM体系相容性不太好,但EPDM本身粘性较强有些关系。
3 结论
(1)在相同配比的PP/PE/橡胶共混体系中,用POE橡胶来增韧和用EPDM增韧相比,前者使材料有更好的弯曲强度和弯曲模量;两者对拉伸强度的影响不大;后者使材料的冲击强度较大。
(2)试样3的冲击强度偏离较大,从SEM中可以看出,其橡胶相区较大,橡胶与塑料在该比例共混时其相容性不佳,导致其冲击强度偏低,橡胶相区分散好的试样其力学性能相应会好一些。
(3)本研究的制备的PP/ PE/ 弹性体共混体系在一般综合性能的指标上均可达到汽车装饰件用材料的性能,且制造工艺简单,作为高冲击韧性PP成型材料,有较好的应用前景。
参考文献
[1]谢锋.PP/弹性体/无机粒子三元复合材料的研究[J].上海塑料,2007,04:23-26.
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弹性力学期中试题 篇5
一、单选题（共 30 道试题，共 60 分。）V
1. 弹性力学研究由于受外力作用、边界约束或温度改变等原因而发生的应力、形变和位移
A. 弹性体
B. 刚体
C. 粘性体
D. 塑性体
满分：2 分
2. 在弹性力学中规定，切应变以直角（），与切应力的正负号规定相适应。
A. 变小时为正，变大时为正
B. 变小时为负，变大时为负
C. 变小时为负，变大时为正
D. 变小时为正，变大时为负
满分：2 分
3. 具体步骤分为单元分析和整体分析两部分的方法是（）
A. 有限差分法
B. 边界元法
C. 有限单元法的
D. 数值法
满分：2 分
4. 平面问题的平衡微分方程表述的是（）之间的关系。
A. 应力与体力
B. 应力与应变
C. 应力与面力
D. 应力与位移
满分：2 分
5. 用应变分量表示的相容方程等价于（）
A.平衡微分方程
B. 几何方程
C. 物理方程
D. 几何方程和物理方程
满分：2 分
6. 平面应力问题的外力特征是（）
A. 只作用在板边且平行于板中面
B. 垂直作用在板面
C.平行中面作用在板边和板面上
D. 作用在板面且平行于板中面
满分：2 分
7. 下面不属于边界条件的是（）。
A. 位移边界条件
B. 流量边界条件
C. 应力边界条件
D. 混合边界条件
满分：2 分
8. 利用有限单元法求解弹性力学问题时，不包括哪个步骤（）
A. 结构离散化
B. 单元分析
C. 整体分析
D. 应力分析
满分：2 分
9. 在弹性力学中规定，线应变（），与正应力的正负号规定相适应。
A. 伸长时为负，缩短时为负
B. 伸长时为正，缩短时为正
C. 伸长时为正，缩短时为负
D. 伸长时为负，缩短时为正
满分：2 分
10. 在弹性力学里分析问题，要建立（）套方程。
A. 一
B. 二
C. 三
D. 四
满分：2 分
11. 关于弹性力学的正确认识是（）
A. 计算力学在工程结构设计中的作用日益重要
B. 弹性力学从微分单元体入手分析弹性体,因此与材料力学不同,不需要对问题作假设
C. 任何弹性变形材料都是弹性力学的研究对象
D. 弹性力学理论像材料力学一样，可以没有困难的应用于工程结构分析
满分：2 分
12. 每个单元的位移一般总是包含着（）部分
A. 一
B. 二
C. 三
D. 四
满分：2 分
13. 平面问题分为平面（）问题和平面（）问题。
A. 应力，应变
B. 切变.应力
C. 内力.应变
D. 外力，内力
满分：2 分
14. 所谓“完全弹性体”是指（）
A. 材料应力应变关系满足虎克定律
B. 材料的应力应变关系与加载时间.历史无关
C. 本构关系为非线性弹性关系
D. 应力应变关系满足线性弹性关系
满分：2 分
15. 物体受外力以后，其内部将发生内力，它的集度称为（）
A. 应变
B. 应力
C. 变形
D. 切变力
满分：2 分
16. 应力状态分析是建立在静力学基础上的，这是因为（）
A. 没有考虑面力边界条件
B. 没有讨论多连域的变形
C. 没有涉及材料本构关系
D. 没有考虑材料的变形对于应力状态的影响
满分：2 分
17. 设有平面应力状态，σx=ax+by，σy=cx+dy，τxy=?dx?ay?γx，其中a,b,c,d均为常数，γ为容重。该应力状态满足平衡微分方程，其体力是（）
A. fx=0，fy=0
B. fx≠0，fy=0
C. fx≠0，fy≠0
D. fx=0，fy≠0
满分：2 分
18. 下列材料中，（）属于各向同性材料。
A. 竹材
B. 纤维增强复合材料
C. 玻璃钢
D. 沥青
满分：2 分
19. 应力函数必须是（）
A. 多项式函数
B. 三角函数
C. 重调和函数
D. 二元函数
满分：2 分
20. 关于应力状态分析，（）是正确的。
A. 应力状态特征方程的根是确定的，因此任意截面的应力分量相同
B. 应力不变量表示主应力不变
C. 主应力的大小是可以确定的，但是方向不是确定的
D. 应力分量随着截面方位改变而变化，但是应力状态是不变的
满分：2 分
21. 所谓“应力状态”是指（）
A. 斜截面应力矢量与横截面应力矢量不同
B. 一点不同截面的应力随着截面方位变化而改变
C. 3个主应力作用平面相互垂直
D. 不同截面的应力不同，因此应力矢量是不可确定的
满分：2 分
22. 对于承受均布荷载的简支梁来说，弹性力学解答与材料力学解答的关系是（）
A. σx的表达式相同
B. σy的表达式相同
C. τxy的表达式相同
D. 都满足平截面假定
满分：2 分
23. 每个单元的应变包括（）部分应变。
A. 二
B. 三
C. 四
D. 五
满分：2 分
24. 物体的均匀性假定是指物体的（）相同
A. 各点密度
B. 各点强度
C. 各点弹性常数
D. 各点位移
满分：2 分
25. 弹性力学对杆件分析（）
A. 无法分析
B. 得出近似的结果
C. 得出精确的结果
D. 需采用一些关于变形的近似假定
满分：2 分
26. 下面哪个不是弹性力学研究物体的内容（）
A. 应力
B. 应变
C. 位移
D. 距离
满分：2 分
27. 应力不变量说明（）
A. 应力状态特征方程的根是不确定的
B. 一点的`应力分量不变
C. 主应力的方向不变
D. 应力随着截面方位改变，但是应力状态不变
满分：2 分
28. 在平面应变问题中（取纵向作z轴）（）
A. σz=0，w=0，εz=0
B. σz≠0，w≠0，εz≠0
C. σz=0，w≠0，εz=0
D. σz≠0，w=0，εz=0
满分：2 分
29. 下列对象不属于弹性力学研究对象的是（）
A. 杆件
B. 块体
C. 板壳
D. 质点
满分：2 分
30. 按应力求解（）时常采用逆解法和半逆解法。
A. 应变问题
B. 边界问题
C. 空间问题
D.平面问题
满分：2 分
二、多选题（共 10 道试题，共 20 分。）V 1. 下列问题不能简化为平面应变问题的是（）
A. 墙梁
B. 高压管道
C. 楼板
D. 高速旋转的薄圆盘
满分：2 分
2. 弹性力学与材料力学的主要相同之处在于（）
A. 任务
B. 研究对象
C. 研究方法
D. 基本假设
满分：2 分
3. 有限单元法的具体步骤分为（）两部分
A. 边界条件分析
B. 单元分析
C. 整体分析
D. 节点分析
满分：2 分
4. 对“完全弹性体”描述不正确的是（）
A. 材料应力应变关系满足胡克定律
B. 材料的应力应变关系与加载时间历史无关
C. 物理关系为非线性弹性关系
D. 应力应变关系满足线性弹性关系
满分：2 分
5. 下列材料中，（）不属于各向同性材料。
A. 竹材
B. 纤维增强复合材料
C. 玻璃钢
D. 沥青
满分：2 分
6. 关于弹性力学的不正确认识是（）
A. 计算力学在工程结构设计的中作用日益重要
B. 弹性力学从微分单元体入手分析弹性体，因此与材料力学不同，不需对问题作假设
C. 任何弹性变形材料都是弹性力学的研究对象
D. 弹性力学理论像材料力学一样，可以没有困难的应用于工程结构分析。
满分：2 分
7. 下面不属于平面应力问题的外力特征是（）
A. 只作用在板边且平行于板中面
B. 垂直作用在板面
C.平行中面作用在板边和板面上
D. 作用在板面且平行于板中面
满分：2 分
8. 不论Φ是什么形式的函数，分量在不计体力的情况下无法满足（）
A.平衡微分方程
B. 几何方程
C. 物理关系
D. 相容方程
满分：2 分
9. 下列哪种材料不能视为各向同性材料（）
A. 木材
B. 竹材
C. 混凝土
D. 夹层板
满分：2 分
10. 下列力是体力的是：（）
A. 重力
B. 惯性力
C. 电磁力
D. 静水压力
满分：2 分
三、判断题（共 10 道试题，共 20 分。）V 1. 表示应力分量与面力（体力）分量之间关系的方程为平衡微分方程。（）
A. 错误
B. 正确
满分：2 分
2. 按应力求解平面问题时常采用位移法和应力法。（）
A. 错误
B. 正确
满分：2 分
3. 位移轴对称时，其对应的应力分量一定也是轴对称的；反之，应力轴对称时，其对应的位移分量一定也是轴对称的（）
A. 错误
B. 正确
满分：2 分
4. 当物体的位移分量完全确定时，形变分量即完全确定。（）
A. 错误
B. 正确
满分：2 分
5. 对于应力边界问题，满足平衡微分方程和应力边界条件的应力，必为正确的应力分布（）
A. 错误
B. 正确
满分：2 分
6. 物体变形连续的充分和必要条件是几何方程(或应变相容方程)（）
A. 错误
B. 正确
满分：2 分
7. 在弹性力学和材料力学里关于应力的正负规定是一样的。（）
A. 错误
B. 正确
满分：2 分
8. 孔边应力集中是由于受力面减小了一些，而应力有所增大（）
A. 错误
B. 正确
满分：2 分
9. 体力作用在物体内部的各个质点上，所以它属于内力（）
A. 错误
B. 正确
满分：2 分
10. 在轴对称问题中，应力分量和位移分量一般都与极角θ无关（）
A. 错误
B. 正确
弹性体系 篇6
自从Kneller 等[1]提出采用软磁/硬磁(H/S)交换耦合的纳米双相交换弹性磁体(Exchange-spring magnets)体系可得到120 MGOe(≈955 kJ/m3)(大约是普通永磁体磁能积的3倍)的磁能积[2]以来,由软磁/硬磁组成的双层、多层铁磁或反铁磁结构体系已成为磁性与磁性材料领域的前沿课题之一[3,4]。
近年来,由于这种双层、多层结构体系比纳米混合物更易于控制结构参数以及其磁特性的可裁剪性,在实验上双层、多层膜体系更易于实现理论所预言的超高磁能积,这种结构已成为实现“理想”各向异性交换弹性磁体的最佳方式[5]。已有多个研究团队对纳米双层或多层膜体系的反磁化机理、矫顽力性质进行了研究[6,7,8,9,10]。研究表明,在铁磁或反铁磁交换耦合软/硬磁双层、多层膜体系中,存在一个软磁层的临界厚度tc[11,12],当软磁层厚度小于tc时,软磁层严格耦合于硬磁层,软、硬磁层在同一形核场反转,形成一矩形的磁滞回线;软磁层厚度大于tc的交换弹性体系,反磁化过程通过两步完成,当外磁场达到软磁层的形核场时,软磁层首先发生偏转,由于界面处磁矩被来自于硬磁层的交换耦合所钉轧,在软磁层中沿着膜厚度方向形成螺旋式的磁结构,这个过程即所谓的交换弹性反磁化过程(Exchange-spring process),当外磁场进一步增大到硬磁层的反转场时,硬磁层发生不可逆的磁反转。人们普遍认为软磁层中发生的交换弹性反磁化过程是一个可逆过程,且在强交换耦合作用下,软磁层的形核场Hb与软磁层厚度的平方成反比[13,14]。
本课题组基于一维原子链模型研究了软磁/硬磁反铁磁交换耦合双层结构体系的交换弹性反磁化过程。结果表明,软磁层存在一个临界厚度tc,软磁层厚度小于tc时,其反磁化过程呈现典型的可逆交换弹性反磁化过程,而软磁层厚度大于tc时,软磁层中的交换弹性反磁化过程转变为不可逆过程。
1 理论分析及数值模拟
对于纳米尺度软/硬磁反铁磁交换耦合双层膜结构,薄膜厚度远小于薄膜大小,薄膜面内的退磁场可以忽略不计(可认为薄膜平面无穷大),绝大部分磁矩的运动将被限制在磁层面内。因此可以假设磁矩在面内转动,无垂直于膜面的分量,磁矩方向平行于膜面且沿薄膜厚度方向一维连续变化,θ为磁矩与易磁化轴间的夹角。软磁层、硬磁层厚度分别为ts和th,软硬磁层沿z轴增长,并且软硬磁层具有相同的易磁化方向,都沿+x方向,界面处为坐标轴z轴原点中心。外磁场方向与易磁化方向相同。根据微磁学理论,总自由能为:
其中Ms(Mh),As (Ah) 和ks(kh)分别是软磁层(硬磁层)的饱和磁化强度、交换常数和磁各向异性常数,H为沿易磁化方向的外场。Ash是在软硬磁层相邻界面之间的交换耦合常数Ash>0。θ0s与θ0h分别为软磁和硬磁层在界面处磁化矢量与易磁化轴间的夹角。根据能量最小原理,平衡态时总自由能的一阶变分为零δE=0。因此平衡条件为:当0 ≤z ≤ts时,-2As(d2θ/dz2)+2kssinθcosθ+HMssinθ=0;而当-th≤z≤0时,-2Ah(d2θ/dz2)+2khsinθcosθ+HMhsinθ=0。由于软/硬磁层间强烈的反铁磁耦合,在软磁层边界z=ts与硬磁层的边界z=-th处, dθ/dz=0,而在软磁层表面,dθ/dz=-Ashsin(θ0s-θ0h)/2As, 硬磁层表面dθ/dz=-Ashsin(θ0s-θ0h)/2Ah。因此,磁层厚度与磁矩变化角度θ将存在如下积分关系。
式(2)、式(3)能很好地描述磁矩变化与磁层厚度间的关系,却很难得到Hb和θ的解析表达式。考虑软磁层界面被硬磁层完全钉轧,且ks=0的特殊情况,则θ0s =π,θ0h=0,解上述方程可得θ=2arccos[cos(θs/2)sn[-(zπ/2ts)·(H/Hb)1/2],其中sn[-(zπ/2ts)·(H/Hb)1/2]为Jacobi椭圆正弦函数,其模数为cos(θs/2),θs为软磁层表面磁矩与易轴间的夹角。因此,当H>Hb时,磁矩才开始发生偏转,在越靠近软磁层表面处, 磁矩偏转越大。Hb即是形核场,Hb=Asπ2/(2Msts2), 与软磁层的厚度成平方反比关系,这与Guslienko等[15]的研究一致。
对于ks≠0情况,软/硬磁双层结构的反磁化特性很难进行解析描述,但可通过数值模拟进行诠释。为此,基于一维原子链模型对这种结构的反磁化过程进行了数值模拟。一维原子链模型是假设磁性层由一系列的原子层沿一维方向叠加而成,每一原子层内的磁化矢量是一致的,可用一个磁矩来表示。这一模型已被广泛地用于研究磁性多层膜体系,且取得了与实验符合很好的结果[10,12,14]。根据一维原子链模型假设,体系总能量可表示为:
式中:mi为第i个原子磁化强度与饱和磁化强度的比值,ei为易磁化轴方向单位矢量,d是相邻两个原子层之间的距离,Ns和N分别是软磁层和体系的原子层数。根据能量最小原理,可求得任意外场所对应的平衡态磁矩分布,以及所需的退磁曲线。数值计算参数为:Ms=557 emu/cm3、As=1.46×106 erg/cm、ks=1×106 erg/cm3、Mh=1085 emu/cm3、Ah=1.46×106 erg/cm、kh=1×108 erg/cm3、d=2.5×10-8 cm(这些参数值都是来自于YFe2和DyFe2实验参数[16])。Ash=1.46×106 erg/cm。在计算过程中硬磁层的厚度固定为30个原子层;外场方向沿易磁化方向,最大偏离易磁化轴为1°。双层结构的初始磁化状态是软、硬磁磁矩严格反平行排列,而各磁层内磁矩为一致排列。
2 结果与讨论
利用一维原子链模型首先模拟了软磁层厚度(Ns)分别为25和 60个原子层的软磁/硬磁双层结构体系的反磁化过程。当软磁层厚度较薄(Ns=25)时,体系退磁过程是典型的可逆交换弹性反磁化过程。当外磁场反向增大到Hb1时,磁化强度均匀分布的初始磁化开始不稳定,随后各原子层的磁矩开始发生偏转,由于界面反铁磁交换耦合能和塞曼能间的相互竞争,导致软磁层界面处的磁矩处偏转小,而表面原子层磁矩角度偏转较大,软磁原子层内磁矩连续偏离易磁化轴方向,而形成螺旋旋转结构或称为布洛赫畴壁(如图1(a)所示)。随着外场增大,磁矩的偏转角度也逐渐增大,畴壁逐渐向硬磁层方向压缩。图2(a)为软磁层厚度为25个原子层体系相应的退磁曲线,可以看出在Hb1处,磁矩开始发生偏转,总的磁化强度呈现连续下降趋势,最后达到极值。当外场逐渐减小返回零时,系统的磁化矢量沿着原路径返回初始状态,是一个完全可逆的过程。图3(a)给出了软磁层界面第1个原子和表面第Ns个原子磁矩与易磁化方向的夹角θ1和θNs随外场的变化曲线,可以看出,外场超过形核场Hb1后,随外场的增大偏转角逐渐增大,表明螺旋式畴壁结构的逐渐形成和压缩过程。这些都充分证明,在软磁场较薄时,体系的这种交换弹性反磁化过程是一可逆过程。图1(b)展示了软磁层厚度为Ns=60体系内各原子层磁矩在Hb1处与易磁化轴间的夹角。在软磁层界面附近少数原子磁矩由于来自于硬磁层的反铁磁耦合的钉轧作用,磁矩仅偏转一个非常小的角度,而别的大多数的原子磁矩发生了大的偏转,表面处的磁矩与易磁化轴间的夹角接近180°。从图2(b)相应的退磁曲线也可以明显看出在形核场Hb1处磁化强度的突然减小,表明这是个一级磁相变过程。此外这一反磁化过程是不可逆的,减小外场,Hb1后形成的螺旋结构在另一较小的偏转场Hb2处才回到初始的均匀分布磁结构状态。这种不可逆的交换弹性反磁化过程也可以从图3(b)θ1和θNs随外场的变化曲线中获得。在Hb1处,θ1和θNs突然发生大的偏转,表明Hb1处突然形成一个大角度的螺旋结构,导致出现不可逆交换弹性反磁化过程。
从能量的角度来分析,根据一维原子链模型,体系的能量主要由塞曼能Eze、交换能Eex、界面交换耦合能EAex以及磁晶各向异性能Ean决定。交换弹性反磁化过程是可逆还是不可逆过程主要取决于在形核场Hb1前后,软磁层中交换能和磁晶各向异性能的变化ΔEex+ΔEan和塞曼能变化ΔEze间的竞争。在Hb1处,软磁层内磁矩开始发生偏转,若此时塞曼能减小能弥补形成大角度畴壁所需畴壁能(交换能和磁晶各向异性能)的增加,则畴壁即可形成,交换弹性反磁化为不可逆过程;反之,反磁化是可逆过程;但通常这种临界条件很难得到解析表达式,需进行数值计算。但可确定的是存在一个利于大角度畴形成的临界软磁层厚度tc。软磁层厚度大于tc,体系更易形成一大角度畴壁,形成磁滞现象,导致不可逆交换反磁化过程发生。若软磁层厚度接近或超过180°畴壁厚度时,外场在Hb1处,一个180°畴壁立即形成,导致不可逆的交换弹性过程。因为界面处软磁层磁矩更接近与初始态反方向的易磁化方向,软磁层的磁晶各向异性将对这些磁矩形成钉轧作用,从而形成磁滞现象,产生不可逆的交换弹性反磁化过程。
为了更深入地理解随着软磁层厚度增大,可逆交换弹性反磁化过程向不可逆转变。图4给出了当Ash=1.46×106 erg/cm时,在形核场Hb1处软磁层表面和界面磁矩与易磁化轴间夹角随软磁层厚度的变化曲线。由图4可以看出,软磁层存在一个临界软磁层厚度(数值计算tc=8.75 nm),当ts<tc时,θ1(Hb1) 和θNs(Hb1)都为零,表明交换弹性反磁化过程是可逆过程,当ts>tc时,θ1(Hb1) 和θNs(Hb1) 突然增大,表明不可逆交换弹性反磁化过程出现,这一可逆过程伴随着一个大角度畴壁的突然形成。值得注意的是,软磁层的临界厚度tc远小于180°布洛赫畴壁厚度(δs=π(As/ks)1/2 =37.9 nm)。当软磁层厚度满足tc<ts<δs时,在形核场Hb1处,软磁层中立即形成一个大角畴壁,且随着软磁层厚度的增大,θ1增大得越快。当软磁层的厚度接近δs时,θ1在Hb1处立即达到180°,软磁层磁矩形成一个完整的180°布洛赫畴壁。模拟也发现,软磁层的临界厚度随着ks的减小而增大。当ks→0时,δs→∞,因此不可能发生不可逆交换弹性反磁化过程。
导致磁结构不稳定的形核场Hb是软磁/硬磁反铁磁耦合双层膜体系的反磁化特性的另一个重要参量,只有在某些特殊情况下,才可获得Hb的解析表达式。当软磁层界面磁矩完全被硬磁层所钉轧,ks=0情况下,形核场Hb=π2As/(2Mst
3 结论
基于微磁学理论对反铁磁耦合软磁/硬磁双层结构的反磁化过程进行了研究,当界面交换耦合强度非常强以至于界面软磁磁矩完全被硬磁层所钉轧,ks=0的情况下,形核场Hb=π2As/(2Mst
摘要：基于微磁学理论研究了软磁/硬磁反铁磁交换耦合双层结构体系的反磁化特性,利用一维原子链模型模拟了其反磁化过程。研究表明:当考虑了软磁层的磁晶各向异性能后,随着软磁层厚度的增大,交换弹性反磁化过程从可逆过程转变为不可逆过程。存在一个临界的软磁层厚度tc,当软磁层厚度ts<tc时,交换弹性反磁化过程为可逆过程;而当ts>tc时,交换弹性反磁化过程为不可逆过程。形核场Hb随软磁层厚度的变化仅当体系的反磁化过程为可逆的交换弹性反磁化过程时才满足经验公式Hb=Hb0/tsn。
弹性体系 篇7
预计到2050年,世界人口将超过90亿,其中75%的人口将住在城市。随着世界人口的增长,城市化发展的速度也不断加快。很显然,土地上的建设将对生态系统以及我们社区的健康、安全和福祉产生深刻的影响。然而,通常的景观、基础设施和建筑设计并没有考虑到它们对社区稀缺资源、潜在生态系统和生活质量的有害影响。管理水资源和改善基础设施对许多城市及其周边区域来说是极为重要的前提。水缺乏、洪水、干旱、水污染、基础设施的老化,以及处理这些问题所付出的代价可能会影响到一个城市或者区域的长期弹性和活力。
饮用水供给和污水处理是一个昂贵、高能耗的事业,因为水首先被收集、处理、用泵传送到家庭和企业,然后流到废水处理设施被再次处理。根据美国环境保护机构估计,每年全国3%~4%的电力消耗,约等于560亿k W,或者4亿USD,是被用于提供饮用水和污水处理。[1]给水排水设施通常是政府当局最大的能源开销,往往占到整个能源开销的30%~40%。[2]令人吃惊的是,据估算美国所有居民用水的1/3,约90亿gal(超过340亿L),归于景观灌溉。[3]在干旱的气候下,一个家庭的户外用水可多达其全部用水量的60%。同时,在全国的很多老城镇,雨水被间接当作废物处理,经由屋顶排水沟和铺装表面直接流向下水道,污染下游水体,并导致雨水基础设施和管理的费用增加。
世界各地的政府、水务部门、社区、商企都在寻找策略,以有效地管理供水和解决诸如雨污合流系统(CSOs)以满足居住和工业发展不断增长的需求问题。同样重要的是,城市和地区还在着手于如何有效地管理风险,并提供持久的解决方案以缓解气候变化带来的影响。
扭转这一趋势并提供解决方案的策略是为土地的设计和开发提供工具和动机,该策略应该拥抱自然系统和它们所提供的生态服务。可持续场地倡议TM(SITESTM)已经被建立并测试了其综合性导则和标准,以创造健康的景观。SITES的基本思想是:土地是建设环境的一个重要组成部分,它可以通过设计和维护来避免、减轻、甚至逆转由于发展和气候变化通常所产生的有害影响。通过为可能维持和再生自然系统的项目提供工具、知识和认可,SITES正在帮助社区寻找综合的解决方案来规划设计和管理土地,如保护水资源和管理雨水。SITES的做法已被美国联邦机构使用,受到白宫环境质量委员会的支持与鼓励[4],并正被美国和国际上的景观设计师、城市和区域规划师、建筑师、工程师、建筑商所采用。
2 可持续场地倡议:背景与沿革
10年前,可持续设计、土地利用规划、景观建筑、水文、植物等专业领域的国内先驱开始讨论大规模采用尊重生态原则的有地域针对性的景观设计的潜在好处和必要性。在德克萨斯州大学奥斯汀分校约翰逊夫人野生花卉中心、美国国家植物园、以及美国景观设计师协会(ASLA)的联合带领下的组织,认识到了美国绿色建筑协会(LEED®)在推进绿色建筑上的巨大影响。该组织认为,虽然一些与场地相关的策略,如采用原生植物和节水的措施已被LEED纳入,但是该组织更倾向于建立一套可持续的体系,专注于各种类型可持续景观的营造,包括城市景观在内。
2006年,“可持续场地倡议”作为一个跨学科行动被正式创立,通过为可持续的土地设计、建造和维护各阶段制定全面、严格的指导方针和执行标准,来提升景观的价值。SITES将成为一个独立的工具,同时影响现有绿色建筑系统和规范。就像LEED是建立在上世纪70年代发展而来的建筑效能相关知识的基础上一样,SITES也基于系列理论发展而来——最初是在伊恩·麦克哈(Ian Mc Harg)1969年出版的《设计结合自然》(Design with Nature)著作中被提出,景观应该以自然作为指导原则进行设计。[5]SITES还基于再生设计理论,由加州理工大学波莫纳分校的景观设计学教授约翰·莱尔(John Lyle)率先在20世纪70年代和80年代提出,并体现在他1994年出版的《可持续发展的再生设计》(Regenerative Design for Sustainable Development)著作中。[6]麦克哈格和莱尔都主张设计系统应效法自然系统的生态性能。
从这段丰富的设计和环境理论历史中吸取经验,2007年SITES组织制定了以下系列原则,以指导决策,使其在涉及领域的不确定性时能在科学和哲学上保持可靠性和统一性。
·无害原则
不作任何降低周围环境质量的场地改变。通过可持续设计促进遭受干扰或开发场地的生态系统再生的可能。
·预防原则
作决策时,对人类和环境的健康可能产生的风险保持谨慎。谨防某些做法导致的不可逆的损害。考察所有可能的替代方案,包括保持原址的方案,并对所有受影响的第三方意见持开放态度。
·设计结合自然与文化的原则
创造并实施符合经济、环境和文化条件的设计。并尊重当地、区域、以及全球化背景。
·保存—保护—再生的决策层级原则
通过保留现有的环境特征、以可持续的方式保护资源和使已丧失或损坏的生态系统服务功能再生,以达到生态系统服务的效益最大化。
表1 生态系统服务
来源:《SITES v2评估体系:可持续土地设计与开发》,可持续场地倡议,2014.
·提供再生系统作为代际公平原则
为后代提供具有再生系统和可再生资源的可持续环境。
·支持动态过程原则
不断地重新评估相关假设和价值标准,并适应人口和环境的变化。
·使用系统思维方法的原则
理解和评估生态系统的关系,并使用反映和维持生态系统服务的贡献方法;重新建立自然过程和人类活动之间完整并重要的关系。
·使用协作和伦理学方法的原则
鼓励同事、客户、厂商、和用户之间的直接和公开的交流,把长久可持续性的观念和道德责任关联起来
·在领导和研究中保持正直的原则
实施透明化、倾听式的领导方式,技术严谨地开展研究,并以清晰、一致和及时的原则沟通新的发现。
·促进环境管理工作的道德规范原则
在土地开发和管理的各个方面,促进环境管理者的道德规范——关于负责任地管理健康的生态系统能够提高当前和未来几代人生活质量的理解。
为了将这些原则转化为设计和开发的指导方针,SITES团队采纳生态系统服务的概念。生态系统服务是由健康的生态系统(或者是设计时考虑到生态系统服务的建成景观)提供的效益。资源经济学家们采用该术语来描述环境向人类免费提供这些效益,一旦环境停止提供服务,人类就必要去寻找其他方法。[7]事实上,对2011年全球生态系统服务的价值估计约为125万亿USD/a(7762500亿RMB/a),约两倍于全球GDP。[8]虽然是估计,生态系统服务功能的流动和自然资本存量的概念已被用越来越显著的方式,来强调、衡量和评价人类和自然的其余部分之间相互依存的程度。
这些服务包含新鲜空气,可捕鱼、可游泳和可饮用的水,调节气候,养分和废物的循环,以及对旅游娱乐等经济活动的支撑。准确评估一个重要项目的经济成本和收益应该包含对该项目的这些服务功能增损的核算。例如,湿地能够过滤污染物,及抵御风暴潮和洪水。当湿地消失进化功能时,就需要一些新的价格昂贵的防洪堤、管道和防污技术,来弥补这些天然湿地先前所提供的功能。建成的景观和绿色基础设施具有保护甚至更新自然系统的能力,从而丰富他们所提供的生态系统服务功能。这些功能对环境、业主、以及地方、区域社区和经济都有着极大益处。可持续景观的营造有助于创造具有生态弹性的社区,使其能更好地抵御突发性洪水、干旱、野火和其他灾难事件,并从中快速恢复。
SITES的指南和执行标准中明确的具体生态系统服务包括:全球与地区性的气候调节、空气和水的净化、水的供给和调节、水土保持、减灾、授粉、栖息地功能、废物分解和处理、人类健康和福祉、食品和可再生非食物类产品,以及文化利益(表1)。这些服务与SITES评估体系的具体内容相关联。每个评分项旨在直接或间接促进生态系统服务的保护或恢复。
一般来说,弹性可以定义为一个系统面对急剧变化时继续存在,并适应和蓬勃发展的能力。自然的系统往往是天生具有弹性,而设计不当的人类系统往往脆弱且容易受到各种干扰。弹性的概念被引入SITES系统,因为该系统需要至关重要的自然功能特性的保护(如湿地,冲击平原),对土地退化或破坏进行生态恢复的能力。此外,它在保持生态完整性的同时,维护自然和文化之间的平衡,并促进管理工作和灵感。
3 可持续场地评估体系的发展
从2006年起,SITES团队与多组跨领域的专家合作展开广泛研究,并进行了多年的试点项目,以创造可适用于世界范围内各种场地类型的可持续土地设计和开发的标准。[9]SITES的核心思想是任何开发项目,比如商业和公共场地、居住景观、公园、学校,都有生态系统服务保护和再生的能力。最初,评级和认证系统的范围是基于国内受众(美国)充分考虑地区差异。由于在美国之外的地区对SITES兴趣的增加,最新的评估系统“SITES评估体系第二版”(见后文)现已适用其他国家。
SITES体系的运行过程是透明的、有包容性的和跨学科的。专门成立了SITES委员会,以指导项目工作者开展项目和评估系统工作。基于LEED体系和其他绿色建筑工具的成功经验,SITES试图在制定绩效标准上采取同样严格的开发方法。SITES委员会包括各种代表不同利益群体的人员,比如美国环境保护署、国家休闲娱乐和公园协会、美国绿色建筑委员会、美国土木工程师协会,以及包括Andropogon和Mithun在内的顶尖景观公司等很多其他组织。由项目工作人员协助,该委员会的主要目标是监督建立严格的、易被理解的、基于绩效的衡量标准和指导方针的进展状况。
通过促进研究人员、从业人员和公共机构之间的对话,SITES委员会寻求:(1)制定用于定义可持续景观的标准;(2)建立一个清晰的在一开始就强调设定绩效目标的流程,来设计和开发可持续的景观;(3)联合现有的最佳技术和实践,形成一个连贯且可理解识别的系统,以提高土地设计和开发的标准。
技术小组委员会也由多元化的知名专家组成(学者、科学家、从业者和决策者),委员会涉及土壤、植被、水、材料、人类健康和福祉五个关键领域。这些小组委员会负责审查并综合各自领域的知识,运用其现有的最佳学科知识和实践方法。委员会主要的四个目标如下:
(1)为与可持续场地相关的规划、设计、建设、运行和维护,制定明确的、可量化的基本标准,来实现场地的可持续。
(2)努力定义和衡量可持续场地的开发,以增强自然和建设系统之间的关系。
(3)联系研究和实践,使知识得到拓展并支持二者。
(4)发展和推动最佳实践,来加快市场的转变。
该评估体系的改进,主要是在最新的科学技术和性能基础上确定了清晰且实用的基准,而非常规性措施。其基本任务是制定出标准,以尽量全面地对景观设计的成就和作用进行评估,而不是像过去仅用以评出优秀项目的条目。对于遵循SITES的项目,最终目标是对建成景观提出自主评价和认证系统的方法,能持续地提高土地设计和开发标准,同时鼓励广泛参与的景观。SITES评估体系适用于任何场地,无论是否有需要被保护的建筑存在的场地,还是将被作为公共或私人用途而开发的场地。SITES将场地定义为正在进行开发和管理的项目整体区域,包括保护和修复区域。其原则和评级系统旨在整合建筑与景观设计,而不是让景观在后或减值。SITES评估体系适用于大学校园、城市广场和商业园区项目,以及缺少明显构造物且未被LEED涵盖的场地项目类型,比如公园、植物园和树木园。SITES评估体系最初是仿照LEED绿色建筑评估体系,意图是为了加强对土地设计和开发的重视,并避免任何过度开发和市场混乱。
在体系发展的进程中,SITES团队提供了大量的机会,让有兴趣的公众对升级中的评级系统发表评论和意见。每一个关于评级系统草案公众审查和评论的不同机会都吸引了数以百计的评论者和数以千计的支持性意见和改进建议。这些公众意见征询期非常之宝贵,因为这些意见使得该团队明确了每个阶段需要去进一步考虑、研究、扩展和提炼的问题。所有的评论都将被SITES团队在伯德约翰逊夫人野花中心的工作人员,包括SITES技术顾问和主要合作者,进行仔细地审查,并被酌情考虑纳入评级体系。
例如,早期的初步报告《可持续场地的指导方针和执行标准》[10]在2007年11月发布,以征求公众意见。该报告向观众介绍了SITES体系,明确了可持续景观的关键目标、战略和方法,并概述了体系的下一步计划。报告还强调了景观对环境的积极影响和积极的环境效应,同时欢迎有意义的支持和建设性的批评意见。
2007年的公众意见征询期的反馈信息,以及对成功指标的研究,被纳入了第二份报告《2008年版指导方针和执行标准草案》[11]。2008年版推出了评级系统的框架,同样进行了公众意见征询。第二个公众意见征询期的反馈信息推动了《2009年版指导方针和执行标准报告》(即2009年版可持续场地评估体系)报告的进展。该报告将权重与评分项相关联,发布于2009年11月。《2009年版可持续场地评估体系》包含一组必选项(强制要求),将作为一个景观工程需要实现的基准。一旦必选项得到满足,项目小组将进行等级评分,与场地的内容、项目和绩效目标保持一致。这些评分项涉及一个场地是如何进行规划、设计、建造和维护以实现可持续性。第三份报告之后进行了第一次现场评估测验。
4 SITES试点计划
《2009年版指导方针和执行标准报告》(即《2009年版SITES评估体系》)包含了来自景观设计、施工、维护相关的行业专家和专业人员的共同决策和广泛研究,尚缺少实际项目的检验。试点项目的主要目标包括:
表2 SITES v2记分卡:SITES v2评估体系(2014)中的必选项和评分项列表(关联的分数级)
通过将其应用到多样化项目上来测试和完善《2009年版指导方针和执行标准》。具体而言,要了解以下信息:
(1)必选项和评分项的难易等级,无论是在成效方面和所需提交的文件方面
(2)各种气候带和地理区适用的必选项和评分项
(3)各种项目类型和规模(例如,公共的、私人的、绿地、棕地、灰地、市区的、郊区的、农村的、商业的、住宅的、文化/历史的)适用的必选项和评分项
(4)各必选项和评分项分配权重(值)的公平性和适宜性
通过案例研究来说明SITES的指导方针和评分项执行情况
向公众讲解关于可持续土地管理的好处和继而为场地可持续发展建立经济、社会和生态上的论据
给试点项目提供机会进行《2009年版指导方针和执行标准报告》测试,最终获取认证
《2009版SITES评估体系》发布后不久,从350个申请项目中选出了162个试点项目进行实地评估测试。大多数申请项目位于美国境内,其他还包括阿根廷、澳大利亚、巴西、加拿大、冰岛、墨西哥、菲律宾、西班牙各国的项目。参与试点计划的162个项目被最终选中作为试点,以确保SITES可以被应用到不同的气候、地区、环境以及一系列的项目类型、大小和预算的多种开发项目中(表2~7)。SITES试点计划是在美国和国外的第一批展示可持续场地实践的项目,按照《2009版SITES评估体系》大纲完成绩效基准。
在满足所有15个必选项要求,并从51个可选评分项中累积至少100分后,试点项目方能获得SITES认证。这些包括项目实施的可持续方法和使用SITES评分项作为指导进行绩效测验。项目通过整合图像、地图和其他文件来证明其合规性。试点项目根据其绩效和累积得分数获得一星至四星的等级认证。在美国各地总共有46个试点项目通过2009年的评估体系取得了认证证书(图1)。
图1获得2009年版SITES评估体系认证的46个美国试点项目分布图
表8 获得认证的试点项目的项目类型
表9 获得认证的试点项目的认证等级
表3 参与试点计划的地点分布
表4 参与试点计划的项目类型
表5 参与试点计划的用地现状
表6 参与试点计划的项目面积
表7 参与试点计划的项目预算
4.1 通过认证的试点项目
位于美国20个州:加利福尼亚(7),纽约(5),德克萨斯州(5),华盛顿特区(4),宾夕法尼亚州(3),华盛顿(3),科罗拉多州(3),马里兰州(2),伊利诺斯(2),密苏里州(2),亚利桑那州(1),佛罗里达州(1),乔治亚州(1),路易斯安那州(1),新墨西哥(1),北卡罗莱纳州(1),密歇根州(1),俄亥俄州(1),田纳西州(1),犹他州(1)
约57%的认证项目都位于市区,证明了在城市中可以创造可持续的景观。37%的项目均位于郊区,而其余项目均处在乡村环境中。
综合来看,这46个项目涵盖了675 acres(273hm2)。大约有项目63%位于5acres(2 hm2)以内的场地,而最大的项目达到126acres(51 hm2)。
85%的项目是对已退化或受污染场地(即棕地)的重建,从而恢复和再生了这些场地和周围社区的生态系统服务。
除了测试《2009年版SITES评估体系》如何对各种类型、大小和位置的项目进行运作(表8),同时还利于了解不同的SITES认证资金来源。出人意料的是,项目平均分布于以下三类:私人出资、公共出资、公共和私人共同出资。在46个获得认证的试点项目中,只有一个项目,菲普斯温室的可持续景观中心取得了最高四星级认证(表9)。虽然试点计划正式结束于2012年6月,剩余的试点项目被给予在2014年继续进行认证的选择机会。试点阶段现已正式关闭,当前的项目认证将只能使用《“SITES评估体系版本2》和未来版本。通过试点计划获得的信息和知识非常可贵,帮助完善了《2009年版评估体系》(或“版本1”)的指导方针、指标和评分权重系统,并且促进了《可持续场地评估体系版本2》和《参考指南》的发展。
4.2《SITES评估体系版本2》:评估体系及其运作
发布于2014年6月的《SITES评估系统版本2:可持续土地设计与开发》(简称SITE v2)是第一个供公众使用以进行可持续景观认证的评估体系。同时发布了详细的相关手册《SITES版本2参考指南》,它包含《SITES评估系统版本2》所需的计算和文件资料,额外的物质和规定,有关证明项目已符合认证评分项的文件资料,以及包含评分项之间联系的说明和解说如何使场地绩效最大化的相关导则内容。
SITES v2是由土壤、水、植物、材料、人类健康和福祉多个领域专家们组成的团队共同研究7年的成果。它包括景观设计、生态工程、土地规划、生态修复以及相关领域的最佳实践和从同行评审的文献、先前案例研究、各种试点计划注册的项目中获得的信息。SITES v2反映了每个评级分对提高场地的可持续性、保护和恢复生态系统服务的影响。项目通过实现最低要求(即必选项)和不同级别效能对应的分数来获取SITES的认证。分配给每个评分项的权重值取决于达到如下四个目标的潜在有效性。
4.2.1 创建再生系统和培育弹性能力
保护和恢复自然资源,如土壤、水和植被;
鼓励生物多样性;
增强景观提供多种生态系统服务功能,如清洁空气和水、提供栖息地和碳汇;
降低潜在危害和自然灾害;
监测和适应性管理策略。
4.2.2 确保未来的资源供给和减缓气候变化
尽量减少能源消耗,并鼓励使用低碳能源和可再生能源;
减少或消除温室气体的排放、重金属、化学品和其他污染物;
材料和资源的减量、再利用、再循环和升级改造;
节约用水;
通过恢复植被增强碳汇的能力。
4.2.3 通过设计、开发、维护实践转变市场
树立在行业和专业实践中的领导地位;
使用系统思考、综合与协同的设计方法;
使用生命周期的分析方法指导设计过程;
支持地方经济和可持续发展的政策;
4.2.4 提高人类福祉和加强社区建设
重新建立人类与自然的联系;
改善人类的健康(身体、心理、精神);
通过促进人们对自然生态系统和景观价值的认识与理解相关教育提升管理工作;
鼓励文化的完整性,促进区域认同感;
提供社区参与和宣传的机会。
SITES v2是面向新建项目或对原有场地的重大修建。它包括18个必选项和48个评分项,涵盖了设计和开发过程的各个阶段10个方面。成为通过认证的合格可持续场地,从开始阶段的合适的选址和场地评估,到场地设计和施工,还包括有效且恰当的运作和维护。其中有5个场地设计部分详细说明了在给定的项目场地中如何处理土壤、植被、水、材质和人体健康。SITES v2最后还强调教育和过程监测。还授予了体系中200分之外对奖励创新和示范性的奖励加分。
为了创建一个更理想和更具功能性的项目,这个过程必须为实现这一点而有所改变。那么,在SITES设计过程中一个综合性的设计过程和前期设计进行全面的现场评估非常重要,并需要一定的步骤(即必选项)。从一开始,可衡量的绩效目标应被确定,将在设计过程和决策中引导项目团队。此外,与当地社区的早期联系不仅将增强对项目场地及周边地区的基本认识,同时也将确保项目符合社区的需求。为了缩小设计和施工之间的差距,SITES要求项目考虑承包商,并与其沟通项目的可持续发展目标。最后,评估系统强调适应性管理办法和绩效监测,以确保长远的可持续性和适应力。
尽管SITES v2可以全世界适用,但是一些参考标准是特定于美国。那么,在其他国家的项目团队有责任引用和记录类似的本地资源。总体而言,SITES v2适应于区域差异和不同类型的场地(如城市、郊区或农村地区;已开发或未开发的场地)。对于具有建筑物的场地,SITES v2关注于建筑物表皮之外的区域。它侧重于景观属性和场地基础设施,并酌情将建筑与景观进行整合。例如,现有的屋顶、院子、街景或建成住宅、办公楼的停车场可以被看作是项目场地的一部分。同时鼓励有策略地将植物配置在建筑物周边,以抵消建筑物加热和制冷系统的能源负荷。此外,由于它多重效益,同时鼓励在建筑内的公共空间(例如:办公空间、教室、等候室、生活区、用餐室)使用不遮挡视线的植被。SITES计划支持和鼓励项目同时申请LEED认证。在适用的情况下,许多评分项有意与LEED评分项相关联,以避免使用者混淆,甚至实际基准可能会有所不同。
与LEED认证相似,SITES v2被赋予四个等级的认证系统(认证级、白银级、黄金级、铂金级)(注:一至四星的评级是专门用于试点项目)。SITES v2评估体系的结构保持与2009年版评估体系基本类似,由其在一个项目的设计和开发阶段大体上相对应。其中评分项会根据需要进行调整,主要依据试点项目获得的宝贵反馈信息、SITES工作人员和技术顾问的进一步研究、2012年秋季第三次公开征求意见期间提出的建议。一些必选项和评分项已经被确定(如促进场地食品生产的评分项),而一些具有相似意图的评分项则被合并。主要的变化包括改进评分项要求、精简文件资料、明确术语、提供更多的指导和资源。特别考虑对评分项的赋值和加权重的重新评估。确保广泛参与的同时,提高场地可持续性的门槛,对入门点(即必选项)和四个认证等级进行严密的再评估,必要时进行改进。SITES v2的目标是做一个可以适用于各种类型、大小、位置项目的系统,并试图成为一个有动态型产品,将随着研究和经验积累产生更多知识而不断进化。
图2 SITES v2评估体系中考虑水循环的详细评分项
4.3 SITES v2:如何在项目中保护、恢复和彰显水资源
水资源是一种有限的资源,是所有生命的基础。可持续性的景观具有节约用水、增强过滤、促进河流、湖泊和海洋健康以及其他的优点。
传统土地开发模式经常无视河岸、湿地、海岸线区域的生态功能,随意改造水体边缘或破坏生态系统的健康和功能。完整的河岸、湿地和海岸线缓冲区通常包含相对较高的生物多样性和发挥大量的生态功能,如:
净化雨水径流中的污染物;
保护和恢复野生动物栖息地,包括通过分散的景观为野生动物提供路径;
通过提供遮阴来调节水温和降低城市热岛效应;
缓解洪涝;
回灌地下水;
减缓水土流失。
自然生态系统在储存、净化、水资源供给方面具有非常重要的作用,这种内在价值在任何项目规划中都必须被重视,尤其是那些影响到流域或水系的项目。除保护场地现有健康水体和水系统之外,SITES还鼓励项目设计中考虑节约用水、最大化利用降水,保护水质。雨洪管理的内涵意义随着时间进程不断发展进步。多年来,雨洪管理被认为是收集不透水表面如屋顶、道路、停车场的雨水,并这些雨水引导至小溪、河流或水体处理设施。随着城镇化的发展,不透水表面也随之增加,还有大量的雨水管道基础设施,以及相应的雨洪控制设施。环保人士、规划师和工程师开始注意到建设雨洪管理专用管道基础设施的意外后果。今天,雨洪管理已不仅仅是排走雨水,还需考虑一系列生物和生态因素引导下管理方案的重要性。更聪明的策略在于创建模拟自然有效管理水能力的系统,而不是通过排水沟和下水道的方法尽快排除雨水。
水体也是很多景观设计中试图为场地使用者创造活力和快乐的一种媒介。景观中水体能够提供舒适的美丽空间来改善人类健康和福祉,同时还具有传达教育和文化价值的作用。SITES鼓励项目联系当地气候和水文,管理场地内雨水的同时整合视觉上或者物理上可被利用的令人赏心悦目的雨水景观。
保护水质、水生系统健康和涵养水源是SITES评估体系至关重要的目标。一个项目通过降低或消除灌溉和水景观中饮用水的使用,就可以同时减少项目中的水和能源足迹。通过堆肥或添加其他有机土壤改良剂从而增加土壤的有机物质,可以增强项目场地土壤滞留雨水的能力,从而起到涵养水源作用。其他节水策略还包括使用合适场地生长或乡土的植物,因为这些植物已经适应了当地的气候。SITES的最终目标是将策略和技术结合,实现恢复或模拟自然生态系统(图2)。
在SITES v2中,直接对水进行较全面地描述是在第一节:场地环境和第三节:场地设计——水(表2)。关于水设计的必选项和评分项目的通常在于保护关键性水敏感特性,恢复已退化或被破坏的水体,最后灵活管理水资源,尽量利用它创建一个舒适游赏并具有教学功能的场地。下面是对于SITES致力于提高场地弹性的评分项中有关可持续方法和原则的总结:
·保护和恢复现有水文功能
避免对溪流和湿地附近场地的开发和干扰,以及雨洪高风险区。通过种植原生植被或适生但非本土的植被,对退化土壤、洪泛平原、河岸和湿地缓冲区的功能修复,创建具有生态弹性的景观。
·管理和净化场地中的水
场地设计时通过减少不透水表面、雨水收集、引导剩余径流向土壤植被覆盖的处理区的方法,来滞留、减缓和处理雨水径流。利用植被生物滞留设施,如雨水花园,人工湿地,绿色屋顶和生态洼地,来滞留雨水并慢慢渗透至土壤或地下水。
·减少户外用水
场地设计意在最小化或消除饮用水在景观灌溉中的使用,首要应选择使用本土或适应场地条件、气候和设计意图的植被。通过雨水、中水、空调冷凝水或暴雨收集池等途径收集非饮用水用来灌溉,并安装气候调节式灌溉系统来降低用水量。将有相似水量灌溉需求的植物进行组团配置,以实现灌溉效率最大化。
设计结合雨洪特性与场地使用者需求场地设计时结合多功能的雨水管理特征,以改善水质同时提升景观美学。雨水管理特性可以提供静态观赏、水质恢复的空间,甚至能增加与水互动、戏水的机会。
除了水体之外,SITES详细地解决了许多前文提到与水相关的土地设计和开发的问题。例如,本土植物的使用或土壤贫瘠都与场地中水的管理与利用方式紧密联系。通过揭示这些相互关系,可见SITES促进了可持续景观的多重效益。它也使我们认识到人类是构建优秀景观中不可或缺的元素,因此,SITES评估系统鼓励项目在场地设计中能优化场地使用者的健康和福祉,并鼓励他们参与到土地管理工作。为增加健康景观和弹性景观的知识库,评估系统还要求在早期设计阶段就应考虑环境维护,一旦建成,需进行绩效监督,以适应不可预见性事件或结果的发生。
5 案例分析
下面的一系列案例分析都是参与过SITES试点计划并获得《2009版SITES评估体系》认证的项目(改进后SITES v2的前版本)。建立水弹性(water resilience)是这些案例的最根本的目标,无论案例本身是有关于水资源短缺、污染或雨洪问题,这些问题被看作是项目背景和预期设计的一种机遇和挑战。所有案例最终都使场地得到最优化,能够提供多种功能:雨洪管理、节水、提高水质、野生动物栖息地和公众娱乐,及其他好处。这些项目地处不同的气候和环境:纽约的一个工业遗址改造成诱人的海滨公园,德克萨斯州北部一个大学校园问题变成校园中关于彰显水的活动,华盛顿附近一个小而脏的城市地带采用绿色基础设施策略且建立成一个社会和经济“触发器”。
5.1 项目一
哈德逊长码头公园景区:
图3长码头公园(Long Dock Park)的总平面示意图
3星级认证的SITES试点项目
地点:灯塔,纽约
项目规模:14acres(5.67ha)
项目类型:开放式公园
资金:公共与私人
项目位置:城区
原用地性质:棕地
陆地生物群落:温带阔叶和混交林
预算:3295402美元
项目概述
哈德逊长码头公园景区项目改造自位于纽约哈德逊河上5.67 ha人造半岛的灯塔公园,是从一个衰败的后工业遗迹变成一个重要的海滨公园。这个公园很好地实现了修复、整治、再利用以及重启的过程。
长码头公园场地拥有超过609.6m长的河岸线和大部分的地方位于100年标准的泛洪区,常常被淹没。此外,在某些部位的地下水非常接近地表。该场地完全属于城市浅河滩堆积区域,最初用作铁路专用线和贸易码头,后来被用作储油设施和垃圾场。场地中土壤被检测含有高浓度的金属物质,因此,挖掘、处理和覆土是必需的。更具挑战性的是高孔隙度的土壤条件相结合、受潮汐影响的土壤潮湿、及在建设过程的不同阶段恶劣天气事件的发生。因此,这个项目的两个主要挑战是多种形式的污染和不稳定的水文条件。
现在,该半岛的复杂水文系统表现稳定,能够很好地展现甚者超过设计意图。该项目使河滨的公共参与性提高,修复被污染的土壤,恢复退化的湿地,以创新的方法再利用已有材料,重建上游、湿地、潮间带的生态多样性(图3)。
图4长码头公园的皮艇亭(Kayak Pavilion)和甲板
图6校园绿地公园(The Green at College Park)的遮荫设施和滞留草坪区域
因地制宜采取策略:
(1)适应洪水泛滥的设计;
(2)利用挖来的土方设计堤坝以加固内陆区域,建造安静的沉思空间,缓冲附近火车发出的声响;
(3)清洁场地内的暴雨,以防止径流未经处理直接排入哈德逊河;
(4)设计皮艇亭和甲板以调节河水泛滥(图4)。
哈德逊长码头公园被附近社区和远近八方的游客广泛使用,包括步行者、骑自行车者、皮划艇者、垂钓者、郊游者、学校组织团队、艺术家和摄影师。功能包括:环境艺术作品、野餐区眺望河景、遛狗、存放皮划艇和独舟的亭子和船只出发的沙滩、户外课堂区,和公共教育课程。该公园已成为一个哈德逊河谷中部主要的公共便利设施,除此之外,这也是一种生态恢复模式(图5)。公园在飓风艾琳和桑迪袭来时受到一些损害,但这些区域已经很好地展示了场地的弹性。
5.2 项目二
德克萨斯州大学阿灵顿分校的校园绿地公园
一星认证的SITES试点项目
位置:阿灵顿,德克萨斯州
项目大小:2.6 acres(1.05ha)
项目类型:教育
资金:公共资金
项目位置:城区
原用地性质:棕地
陆地生物群落:温带草原、热带稀树草原和灌丛
预算:2400000美元
项目概述
大学校园中的废弃地变成了一个多功能的公园设计,结合了巧妙的雨水管理解决方案。大学校园里的绿地为德克萨斯州大学阿灵顿分校(UT Arlington)的学生和当地社区提供了急需的绿地空间,同时也为大学和城市之间建立一个美丽的通道。
项目邻近一个新的具有混合用途的开发区,该地区包括一个容纳7000座位的特别活动中心、公寓、独栋房屋、办公、零售,当然还有教育用途的建筑。现如今,公园内含有步道、遮阴廊架、大型活动草坪、阶梯式座椅和慢行系统,然而,这不只是一个公园。结合使用本土的适应性植物,该公园最主要功能是作为一个生态的雨水滞留系统和大尺度的雨水花园(图6)。
在项目的起始阶段,景观建筑师与工程师密切合作,开发了一个区域排水地图,他们发现在468acres(189.4ha)的UT阿灵顿校园中,超过1/3的雨水是通过现有已腐蚀的管道排走。在大型的暴雨来临时,雨量超过了场地内可存储和释放的承受能力,这点对于设计师是个巨大挑战,但同时激发了整个绿地公园设计的重心落于此。通过团队协作和互相帮助,项目团队针对该区域实现了具有前瞻性的设计思想。在雨水处理和蓄滞方面,设计思路是将排水系统变成场地的一个主要特色和基础设施。雨水蓄滞系统是一个错综复杂的过程,它尽可能地缓速、净化、滞留了落到场地中的每一滴雨水,同时极大地增加了场地的下渗率。此外,在大型的暴雨来临时,一个“雨水涌泉”("storm spring")的设计可以使校园其他区域的地下排水管的雨水排放到整个项目场地,并进行过滤和蓄存(图7)。
排水型园林的植物设计要求植物在干旱和洪水的条件下都能存活,并能为曾经满是硬质铺装的区域提供宝贵的栖息地,成为小型口袋绿地(图8)。这种植物调色板使饮用水消耗降到最低。耐旱和修剪频率低的草坪仅限于休闲区,而其他地区则种植着大片平原草。通过解说性的标志物,教育公众有关场地的环境伦理和曾经退化严重地区的自然系统修复知识。
其他类似遮荫结构和铺装的可持续性策略被应用到场地空间设计中,以减少热岛效应提供较好的聚会和活动空间。场地中使用的材料主要来源当地或回收利用。溪流花园是北德克萨斯州第一个使用由回收玻璃,混有少量的聚合物和碎花岗岩制作成的可渗透铺装的案例。
大学校园绿地公园证明了该类型的项目可以成功实现多个功能目标。在拥有34000学生的UT阿灵顿校园中最显著的区域,设计团队成功地创造了适用于达拉斯-沃斯堡大都市区的新模式,以实现可持续性、人性化使用、和积极美学。
图7校园绿地公园的雨水管理说明
图8校园绿地公园的生态湿地和小溪花园(Rill Garden)
图9华盛顿运河公园(Washington Canal Park)的全景图
5.3 项目三
华盛顿运河公园
三星认证的SITES试点项目
位置:华盛顿市
项目大小:3 acres(1.2 ha)
项目类型:公共空间—公园
资金:公共/私人合作
项目位置:城区
原用地性质:棕地
陆地生物群落:温带阔叶及混交林
预算:20000000美元
项目概述
华盛顿运河公园是哥伦比亚特区的阿纳科斯蒂亚滨水区倡导下最早建立的公园之一。该公园是生态可持续的典范,获得SITES和LEED的黄金级认证,它还是社交聚集场地和经济“触发器”(图9)。公园场地规模为3acres(1.2ha),原来被用作停放学校大巴的停车场,该公园3个街区长沿着历史上前华盛顿运河系统分布。OLIN设计事务所受到场地滨水区遗址的启发,设计师通过一个线性的雨水花园和三个展馆暗示着曾经漂浮运河上的驳船(过去运河上常见的式样)唤起人们对场地的历史记忆。STUDIOS建筑工作室的设计人员与OLIN紧密合作,设计了一个9000ft2(2743m2)的场馆,提供餐饮和咖啡服务区,同时设置有公园公共服务设施和溜冰场。在溜冰场下面,有28个地热井为公园内部、场馆及溜冰场等设施提供高效的能量。预测能够使运河公园的整体能耗下降37%。其余两个展馆均为200 ft2(46~61m2),一个作为公园中段服务区,另一个则用于公园设备的存储区。
运河公园的焦点线性雨水花园是一个综合的雨洪系统,预计每年能够节约哥伦比亚地区1.5百万gal(5678118L)的饮用水。通过雨水花园,LID(低影响开发模式)的树池,以及将近80000gal(302833L)的地下水储蓄能力,几乎公园产生的所有的雨水径流都能被滞留、净化处理、再利用,以满足公园95%的用水,包括喷泉、灌溉、冲厕和溜冰场用水(图10)。
这个公园同时实现了邻里尺度的雨水截流、处理和再利用的系统,使可持续性发展超越场地边界。运河的雨水收集基础设施延伸至相邻的区域,对相邻建筑物的屋顶和室外场地的径流进行雨水的截流、处理及回收利用。运河公园发展协会(The Canal Park Development Association,公共/私人合作性质)将会向相邻用户收取一定的费用,以支付他们享受到的这一雨水管理服务。这种模式将有助于运河公园长期的经济效益的可持续性,同时,这种基础设施的可用性将鼓励城市填补周围前工业地的开发。
本土及适应性植物被应用在雨水花园和整个场地中,其他的可持续性设计元素也存在于运河公园,例如黑暗天空照明元素、高反射率铺装,以及鼓励可持续性方式的场地元素如电动汽车充电站、自行车停放架和废物回收箱(图11)。
公园与华盛顿市环境部(DDOE)的通力合作,推动了先进的水资源管理政策的实施及水质立法的提升。DDOE将运河公园评为“示范项目”。公园的基本框架、环境评估和维护契约将会被作为模板应用于未来相似绿色基础设施建设项目。
6 未来计划
SITES为建筑户外环境设计,尤其是城市景观创造了新的标准。随着世界人口的持续增长和城市化的发展,构建和利用健康的景观变得尤为重要。健康的景观不仅仅是抵消开发的影响和极端天气事件,同时还能重新连接人与自然,并重获环境内在的生态系统服务效益。
从最初阶段的研究和发展,SITES就得到了美国绿色建筑委员会(USGBC)以及它的下属公司绿色商业认证公司(原名绿色建筑认证研究所)的支持与鼓励。近年来,SITES发展团队与USGBC紧密合作,为LEED评分项的发展提出建议,以及恰当的绩效标准统一。SITES与LEED认证具有潜在的类似性,LEED已经在140多个国家实行,认证面积达到3百亿sq(278709120m2),获得超过185000专家认可。这种影响力也许没有解决所有的城市问题,但是它们指导下的健康景观以及生态系统服务所带来的裨益(包括水质和水量)将不能被忽视或者被视为理所当然。
图10华盛顿运河公园的雨水策略图表
图11华盛顿运河公园中部街区(Middle Block)的座椅和种植池
与其他相近组织的合作(例如美国绿色建筑委员会),不仅有益于SITES项目的设计,同时也有利于创建更多具有可持续性场地这一共同目标的实现。SITES目前正在与绿色建筑认证协会一起,为未来的项目提供SITES v2评估体系认证和相关的专业资格审查。景观设计师、城市设计师、建筑师、工程师和规划师都应该践行并完善SITES,当我们希望对景观和生态系统服务有所发展时,它们也会在面对土地开发和气候变化时发出更强大的声音。这将有利于加强城市和地区的水弹性,创建更多高效能的景观。
图片来源
图1、2:由the Lady Bird Johnson Wildflower Center at The University of Texas at Austin/Sustainable Sites Initiative提供;
图3、4:由Reed Hilderbrand LLC提供;
图5:摄影Susan Wisniewski;
图6:由The University of Texas at Arlington提供;
图7:由Schrickel,Rollins and Associates提供;
图8:摄影David Hopman;
图9、10:摄影OLIN/Karl Blumenthal;
弹性体系 篇8
1. 弹性的定义
弹性 (Flexibility) 一词源自拉丁文, 代表的原始意义是可弯曲、可转向的, 或可调整、可变的, 可以翻译为弹性或柔性。即对于改变时所产生的调适能力 (adaptability) 、柔软性 (pliability) 与回应能力 (responsiveness) 。针对组织或企业, 各学者对弹性的定义给出了不同的见解。Eppink (1978) 指出, 弹性指让组织降低伤害, 找寻有利位置, 成功反应外在环境变化的特质。其中降低伤害的方法包括调整企业运营方向 (企业战略、产品种类、产出品质、工作流程、人力结构、薪资报酬等内容) 结构上或是策略上所做的调整变动。弹性的定义会因产业的不同而有所差别, 但有效整合并且灵活运用各类资源以达成组织目标的概念是一致的。综上所述, 弹性是组织或企业为适应内外环境压力而采取的一系列有效率 (efficiency) 且有效果 (effectiveness) 的措施的特质。
2. 人力资源弹性运用的定义
人力资源是企业或组织中重要的资源, 而弹性运用人力资源, 不仅是企业管理的目标之一, 也是促使人力资源管理以人为本的一种方法。对于人力资源弹性策略的概念还没有一个统一、清晰的概念, 但总的来说, 人力资源弹性策略是一种人性化或柔性化的管理方法, 是以人为本, 以研究人力的心理和行为为基础, 采用灵活、非强制性措施, 让员工从内心产生一种对组织的忠诚度, 让组织的意愿成为员工自觉行动的指南针。具体的方法包括调整员工职能 (如工作轮岗、丰富员工的工作内容等) 、数量 (如雇用临时工、兼职等) 、薪酬 (如与绩效结合、与奖金结合等) 、工作时间 (如在完成任务前提下员工工作时间自由支配) 等。最大的特征是“以人为本”, 即企业尊重员工的意愿, 采用民主管理, 而不是上司一人制决策, 从内心激发员工的创造性与归属感, 以适应内外环境的不断变化。
二、人力资源弹性企业模型
弹性企业 (The flexible firm) 模型最早是由Aktinson (1984) 提出的。这个概念的提出说明组织或企业为完成既定的任务, 不再像过去那样采取刚性的管理方式, 而是利用弹性及多样性方式来取代传统的单一化人力雇佣, 以适应内外环境的压力。因此, 根据组织特性将劳动分为核心人力 (coreworker) 、边缘人力 (peripheral worker) 、外部人力 (external worker) 3种。
核心人力是企业内的主要员工, 处理组织内最关键的事务, 其职位具有不可替代性, 作为长久雇佣的全职性员工, 拥有较高的技能、较强的创新能力、较好的薪资福利, 工作稳定, 在企业内部具有较高的地位。因此, 在短期上, 可接受跨部门的学习和沟通、工作多样化和职能范围的扩大化;在长期上, 可能会经历职业生涯的变化、再培训等工作安排。其目的都是为了配合组织的轮换与工作内容的变更。
边缘人力是企业中的次要人员, 主要职能是协助核心人力完成工作任务, 其职能具有高替代性, 可以是全职人员、兼职人员或临时人员。与核心人力相比, 工作自主性较低, 所需技能较少, 各种培训也相对不多, 即使没有工作经验或缺乏相关工作背景, 也可以立即投入工作, 其工作层级简单、工作范围狭窄, 较少参与跨部门工作, 工作比较没有保障, 薪酬较低, 职业生涯规划短。因此, 当组织内人力需求有所波动时, 为确保维持数量弹性及核心人力不受內部的人力需求波动影响, 往往会以边缘人力为调节人力的主要缓冲剂, 以避免当临时性工作结束时人力过剩与闲置人力问题产生, 可依实际所需人力资源来运用。
外部人力不是由企业直接雇佣, 而是通过人力派遣机构或外包商所雇佣的人力来完成企业所赋予的工作、活动, 外部人力的工作具有低技能、高重复性、专业性不高等性质。另外, 企业并不需要这些外围人员的高度组织承诺, 而是希望能够借助不同劳动契约的运用和工作时间的安排对无法预知的变化做出迅速的响应, 有效降低单位劳动成本。
随着人力资源弹性策略的不断研究和发展, 英国学者Charles Handy (1990) 提出了三叶草组织形态。他认为, 由于企业内外环境不断变化, 企业内部的人员结构需要相应变动来与之匹配, 这样的概念与Atkinson的弹性企业模式概念, 是相互吻合的。根据企业经营业务将企业内部人力分为3种类型, 就像三叶草的3片叶子一样。
第一片叶子代表专业人员, 一般由专业、技术、管理人员组成, 是企业中的核心人力, 他们拥有丰富的知识、精湛的技能、创新力, 是提高企业竞争力的核心元素。
第二片叶子代表外包人员 (the contractual fringe) , 企业将非核心业务由外部单位或个人来处理, 只需支付一定的工作成果费用即可, 这样不但可以降低成本, 而且可以集中精力提升核心业务的竞争力。
第三片叶子代表弹性人力 (the flexible labour force) , 是非传统型式的人力, 如临时工、兼职人员。企业可根据业务需要及时调整这些人力的数量, 以应付业务高峰时期的人力需求。
三、人力资源弹性策略分类
1984年, Atkinson首次提出人力资源弹性, 他将人力资源弹性分为职能弹性、数量弹性、财务弹性。此后Atkinson与Meagher于次年在修正弹性企业模型时, 将人力资源弹性分为4种类型:数量弹性、职能弹性、薪资弹性、距离弹性。随着研究不断深入, 人力资源弹性分类更加细化或增加分类。现在许多学者一直沿用Blyton (1996) 提出的4种分类, 即职能弹性 (task or functional flexibility) 、数量弹性 (numerical flexibility) 、工时弹性 (temporal or working-time flexibility) 和薪资弹性 (wage of financial flexibility) 。
1. 职能弹性 (task or functional flexibility)
职能弹性是员工在执行某一范围内的工作或任务时的可移动性 (mobility) 、适应性 (adaptability) 或是多技能性 (versatility) 可对工作需求的改变以及技术的发展做出更快速的回应。这一范围包括水平或垂直调动, 通过让员工轮换岗位或交替从事生产作业等方式, 提升员工技能多样化。即企业可以利用教育培训的机会, 使员工达到一工多能的目标。
职能弹性一般通过工作职务扩大化、工作自主性、团队合作等方式来应对变幻莫测的市场环境。同时研究中也发现, 工作中具有多样性、完整性、重要性、自主性、回馈性之工作性质, 对员工能产生有效的激励作用, 对员工的工作动机、工作满意也会比较高。所以, 要想达到上述的职能弹性需要组织采取一系列的措施, 包括主动提供有吸引力的条件提升员工学习技能的意愿、创造学习机会、提供完整的职业生涯规划等。
2. 数量弹性 (numerical flexibility) 、
数量弹性指企业在需求供给发生变动时, 能够迅速调整劳动力供给的潜能或管理能力。企业可以利用兼职 (part time) 、短期合约 (temporary contracts) 、固定合约 (fixed-term) 等外部劳动市场, 或采取外包、劳务派遣的方式及时调节所需人力的数量。Sloan&Gasteen (1991) 进一步将数量弹性分成主要弹性 (primary flexibility) 和次要弹性 (secondary flexibility) 。据英国相关机构对企业人力的调查, 发现企业运用临时人力或兼职人员, 在劳动需求波动可以较好预期的情况下较为常见, 而当发生不可预期的需求波动时, 企业较偏好采取加班的方式。因此, 将运用临时人力或兼职人员以应付可预期的劳动需求波动的做法叫主要弹性 (primary flexibility) , 而利用正式员工加班来应对突发或不可预期的劳动需求波动时的做法叫次要弹性 (secondary flexibility) 。
3. 工时弹性 (temporal or working-time flexibility)
工时弹性 (也称弹性工作制) 指在员工自愿、企业需要的情况下, 对员工的时间进行弹性管理。弹性管理一般以弹性上下班时间、弹性工时、加班、补休等方式进行调整。弹性工时制兴起于20世纪70年代, 主要有两种方式:一种是规定每天的工时数, 即只要员工完成每天规定的上班时间, 其他时间就可以根据个人情况自由支配, 这种形式的雇佣方式在当时很流行, 吸引了很多的员工, 特别是需要照顾家庭的妇女。另一种方式是规定每周的工作时间, 即在每周工作时间固定的前提下, 可以增加或缩短每周的工作时间, 不仅提高了员工的工作效率, 也增强了企业应对未预期的业务增加的能力。
4. 薪资弹性 (wage of financial flexibility) 。
薪资弹性是指员工的薪酬是多变的, 是以绩效为基础, 以报酬制度、利润分享等机制相结合的薪资结构。它改变了传统单一不变的薪资结构, 并根据个人绩效发放奖金、福利、薪酬及利润, 较能让员工产生公平待遇, 增加工作投入与意愿, 提高工作满意度, 同时也增加员工对组织的认同感, 提高员工生产力, 从而增加组织的竞争力。如日薪、按件计酬的制度则是薪资弹性的典型表现。企业在尽可能雇佣员工的同时, 也会考虑员工间的差异性和相对性。薪资弹性可激发员工主动学习的意愿, 进而促进弹性职能的发挥。
随着弹性薪酬支付体系普及, 弹性福利也受到越来越多的关注。弹性福利制度起源于20世纪70年代的美国, 经过不断的摸索和实践, 在20世纪80年代才正式提出了“弹性福利 (flexibility benefits) ”这个概念。弹性福利, 又称作“自助餐福利” (cafeteria benefits) , 它是一种福利管理方法, 是指员工依照自己的需求和偏好组合他们的福利, 并参与福利选择的过程。每一个弹性组合的选项都是不一样的, 如寿险、健康险、医疗险等。在中国, 由于劳动法等规章制度及员工人数、经济规模的限制, 可供选择的弹性福利制度范围较小也较为单一, 大多只能采用津贴补助的形式, 而这部分也需要并入个人所得交纳个人所得税, 所以不能利用福利组合达到合理避税的目的。
摘要：本文主要探讨了人力资源弹性的概念、分类及弹性企业模型, 旨在为人力资源管理提供理论参考。
关键词：人力资源,弹性,类型,弹性企业模型
参考文献
[1]J Atkinson.Manpower Strategies for Flexible Organizations[J].The Personnel Management, August, 1984.
[2]P Blyton.Workforce Flexibility[M]//Brian Towers (Eds) .The Handbook of Human Resource Management.2nd Edition.Oxford:Blackwell, 1996.
[3]M Poole, M Warner.The IEBM Handbook of Human Resource Management[M].London:International Thomson Business Press, 1998.
[4]邱清扎, 李中斌.人力资源弹性研究综述[J].价值工程, 2008, 27 (4) .
弹性体系 篇9
一、理论基础
弹性(elasticity)是指一个变量的变化率对另一个变量变化率的反应程度。最早由马歇尔在《经济学原理》中提出。因为商品需求的变动可以分解为收入效应和价格效应，所以一般用出口需求的价格弹性和出口需求的收入弹性来考察一国出口量对国外收入与出口价格变动的敏感度。
出口需求的价格弹性表示在一定时期内出口量的变动对于出口价格变动的反应。用公式表示为:, Q表示出口量，Q表示出口量的变动，p表示出口价格，p表示出口价格的变动。出口需求的收入弹性表示在一定时期内出口量的变动对于国外收入变动的反应，用公式表示为:, y表示国外的收入水平，y表示国外收入水平的变动。
当需求弹性大于1时，称需求富有弹性;等于1时，称单位弹性;小于1时，称缺乏弹性。如果需求富有弹性，则需求量的变动将超过国外收入或者出口价格的变动，那么可以说明国外收入状况以及出口价格对出口量的影响是较为显著的;如果是单位弹性，则出口需求量的变动与国外收入状况或者出口价格变动一致;如果出口需求缺乏弹性，则出口价格变动与国外收入状况与出口量之间的相关程度较低，值得一提的是在这种情况下提高价格，出口商的利益增加，反之亦然。
二、出口需求价格弹性及收入弹性的实证分析
1、初始模型构造。
根据微观经济理论，需求主要受两大因素的影响，一是价格，二是实际收入。于是建立如下函数关系Q=f (y, p), Q为出口量，y为国外的实际收入水平，p为实际出口价格。从国内学者研究进出口需求弹性的文献来看，厉以宁(1991)、戴祖祥(1997)等均成功地模仿了C-D函数形式建模，本文也沿用此方法建立出口需求模型：Q=λyαpβ，其中λ、α、β均为待估系数，Q为出口量，y为国外的实际收入水平，p为实际出口价格。将出口需求模型两边同时取对数，演化成计量模型：ln Q=c+α1np+β1ny+ε其中c、α、β均为待估系数，ε为残值。如果采用求导的方式来计算斜率，β、α又可以表示成如下形式：
分别为经济意义上的出口需求收入弹性与出口需求价格弹性。
2、数据说明与处理。
文中选取2005年7月到2010年12月间江苏省出口量、出口商品价格总指数以及国外收入状况月数据作为研究对象。对数据的来源与处理作如下说明：(1)江苏省出口额数据来源于"国研网数据统计"以及江苏省统计局统计的以美元标价的出口值，并处理成指数形式;出口单价数据来源于"中经数据"中以美元标价的出"单价计算的出口单价指数;国外收入水平数据采用"中经数据"中OECD组织成员国季度实际GDP指数数据，用OECD的GDP指数年度数据与世界GDP指数年度数据的差值按比例进行调整。(2)出口量指数序列由出口额指数/出口单价指数计算所得;国外收入数据按季度内平均的方法得到月度数据;上述所有指数序列均调整为以2005年7月为基的指数序列。
3、计量分析。
(1)数据的平稳性检验。本文使用Eviews6.0进行数据分析，首先计算出出口量指数序列Q、出口单价指数序列p、国外收入水平指数序列y对应的对数序列1n Q、1np、1ny。用ADF检验对数序列的平稳性，结果如下：
注：结论依据的是ADF值与1%的显著水平上临界值的比较;采用SIC准则选择最优滞后期。第三列括号内C表示具有趋势项, T表示具有时间项, 数字表示滞后期。
结果表明，1n Q、1np、1ny在1%显著水平上无法拒绝有单位根的原假设。而一阶差分序列1n Q、1np、1ny在1%显著水平上能够拒绝原假设，为平稳序列，即1n QI (1)、1npI (1)、1nyI (1)。
(2)数据长期均衡关系的协整检验。在初始计量模型1n Q=c+α1ny+β1np+ε的基础上加上因变量的一阶滞后量，建立新的计量模型，估计结果如下：
采用LM检验来检验扰动项的序列相关性，结果见表2:
对模型的残差et进行AEG检验，结果如下：
注：临界值是根据张晓峒.计量经济学基础(第3版) [M].南开大学出版社, 2007后的附表6:协整检验临界值表中给出的数据计算而得。上表中临界值为有常数项无趋势项的临界值, 而无常数项、无趋势项的临界值要稍大于有常数项、无趋势项的临界值。
回归结果显示模型的系数估计结果显著，表2表明模型不存在自相关，表3表明残差序列为平稳序列，因此可以认为，上述计量模型表达了变量1n Q、1np、1ny之间的均衡关系。对上式两端同时取期望得：
即分别为口需求价格弹性和长期出口需求收入弹性。弹性值表明，价格每上涨1%，出口需求下降2%;国外GDP增长1%，出口需求增加4.8%;被解释变量与其滞后值之间的关系显著，出口惯性明显。即分别
(3)数据短期波动关系的误差修正模型估计。协整检验已经表明了1n Q、1np、1ny之间的长期均衡关系，在此基础上可以建立误差修正模型来反映变量间短期的波动关系。误差修正模型估计结果如下所示：
因此，从短期看，短期出口需求价格弹性为-0.6，短期收入弹性1.8，变量系数t检验显著，符号符合理论预期。从误差修正项系数-0.9来看，当短期波动偏离长期的均衡时，将以-0.9的调整力度将非均衡状态拉回到均衡状态。
四、主要结论与政策建议
1、主要结论
(1)实证结果显示，长期需求价格弹性为-2.0，即价格每上涨1%，出口量将下降2%，弹性值大于1，价格变动对出口量变动影响显著。如果出口价格提高，长期来看，出口收益将会下降。出口价格弹性较大，这与某些国内学者计算的我国出口需求价格弹性小于1有较大差异(任缙，2005)。主要原因有：一是2005年汇率形成机制改革以来，人民币一直处于升值态势，企业用工成本也逐年增加，与印度等东南亚国家比较，出口商品的低价优势有所削弱;二，随着江苏省产业结构逐步调整，技术研发能力的提高，企业出口策略的逐步转变，出口商品结构处于不断地优化调整中。经济学理论告诉我们，一般产品技术含量越低、附加值越低，价格弹性一般越低，反之亦然，实践上也有学者证实了这种现象的存在(安礼伟，2010)。2010年江苏省机电产品、高新技术产品出口额为分别占出口总额的69.6%和46.5%，2005年数据分别为68.3%和42.7%，2000年的数据分别为46.3%和20.8%;从全国看，2010年机电产品、高新技术产品出口额为分别占出口总额的41.8%和26.2%，可见江苏省需求弹性增大与出口商品结构的逐步优化有关。
(2)从短期需求价格弹性来看，-0.6的绝对值小于1，显然缺乏弹性。如果提高出口价格，出口量在短期内不会急剧下滑，收益因此而增加。这种长、短期弹性值的差异也可以从出口惯性关系上进行解释。计量结果显示1n Qt-1对1n Q的影响系数达到0.6，出口惯性明显，短期内前期出口状况对当期出口有着正的影响作用，一定程度上抵消了价格上涨的不利影响。然而这种影响关系是呈指数化衰减趋势，长期来看，惯性越来越弱，价格提升的负面作用越来越显著。
(3)长期需求收入弹性4.8，短期需求收入弹性1.8，考察上述结果，可以得到一个基本的判断，就江苏省而言，国外经济状况对出口量的影响要远大于出口价格提高所带来的影响，而且从长期看，国外经济状况带来的影响将更加显著。
虽然，2008年金融危机重创了全球经济，也给江苏省的出口贸易带来巨大影响，但长期来看，全球经济增长仍然是大趋势，江苏省的出口增长仍然有较大潜力。
2、政策建议
(1)积极实施市场多元化策略。本文计量结果显示，江苏省出口需求长、短期收入弹性均大于1，而且实证也表明，发达国家的需求弹性要大于发展中国家的需求弹性(安礼伟，2010)，对发达国家和地区的出口占比过高不利于出口需求的稳定。从江苏省对外贸易地理方向来看，欧、美等发达国家仍是主要的出口目的国。就2010年来说，对欧盟、美国、日本三地的出口占总出口的比重达到了56.8%。因此，要减小出口贸易的波动，促进出口贸易稳定发展，就要积极实施出口市场多元化策略。可以借助东盟自由贸易区的启动加强与东盟各国的贸易关系，利用我国同非洲国家、非盟良好的合作关系，积极开拓非洲市场等等。
(2)进一步提高出口商品层次，减低成本。出口商品价格整体逐步上行将是毋庸置疑的趋势，其原因主要有以下三点：一是在人们在未来一段时间仍然会保持着人民币升值的预期，那么随着人民币弹性逐步增加，人民币单边升值的可能性很大。二是近年来，物价指数一直在高位运行，原材料价格上涨以及人工工资上涨的压力令企业不得不提高售价;三是我国的巨额贸易顺差引发了诸多问题与摩擦，那么政府的贸易战略将会随之进行调整。为了防止高价格弹性下，出口价格上涨引起出口量长期下滑累及经济发展，地方政府相关部门要引导外贸出口企业早作准备：一方面要进一步加大技术研发力度，控制生产成本;另一方面要响应政府号召，进一步提高出口商品层次，增加出口产品附加值。
参考文献
[1]王光伟.国际收支与汇率经济学 (第1版) [M].东南大学出版社, 2007.
[2]任缙.人民币汇率变动与我国国际贸易收支关系的弹性分析[J].西南民族大学学报.人文社科版, 2005, 26 (8) .
[3]安礼伟, 我国出口产品需求弹性分析[J].世界经济与政治论坛, 2010, (3) .
弹性体系 篇10
所谓微管道,主要是指其横向尺寸(如直径)在微米范围内,通常是一微米到几百微米,即“微米管道”[1].它是介于宏观管道和纳米管之间的一类小尺寸结构,却有着不同于宏观管道和纳米管的物理和力学特性.首先,由于结构的微尺度效应,微管道的弯曲刚度、固有频率和冷作硬化等特性较宏观管道有明显的变化,在一些金属和聚合物材料的实验中都观察到了这种现象[2,3,4].另外,管道内部微流体流动的速度和压强分布与宏观流动的结果也不相同,一些在宏观流动中可以忽略的因素在微尺度下需要重新考虑.因此,若不考虑微管道和微流体的影响,而直接将适用于宏观大尺度流固耦合系统的经典连续介质力学理论用来分析微管道的流固耦合振动特性就可能会出现很大问题.如,Pa(i|")poussis等[5]和Rinaldi等[6]利用经典连续介质力学理论研究了输流微管道的稳定性和分岔问题,但由于其所建立的数学模型中并不包含小尺度项,因而无法分析微尺度效应对系统振动特性的影响.这是经典连续介质理论在微纳米力学分析上的缺陷.鉴于此,Wang[7]和Yin等[8]利用微尺度欧拉梁模型研究了微尺度效应对输流微管道振动特性的影响,发现微尺度效应会增大管道的固有频率和临界流速.Xia等[9]利用微尺度Timoshenko梁模型对微管道进行了振动分析,发现微尺度效应和泊松比对其振动稳定性有很大影响.Wang等[10]在以上分析的基础上考虑了内部微流体的影响,对不同截面形状的微管道及曲管的振动特性进行了研究.Yang等[11]则研究了输流微管道的非线性振动问题,发现不论管材泊松比如何变化,其非线性固有频率始终大于线性固有频率.
由于微尺度效应的作用,输流微管道会对周围环境的温度变化有特殊的反应,而其又常常工作在各种温度环境中,因此深入研究热效应对输流微管道动力学特性的影响具有重要意义.从目前的研究成果来看,对宏观管道和纳米管的热弹性振动问题的研究比较多见,如,Qian等[12]利用线性和非线性热弹性理论分析了热载荷作用下简支输流管道的振动稳定性问题.Chang[13]和Zhen等[14]分别研究了弹性介质中输流单壁和双壁碳纳米管的热弹性振动问题.Ansari等[15]则对输流单壁碳纳米管的考虑热效应的非线性振动问题进行了研究.但对于热环境中输流微管道的振动问题还鲜有研究,关于热效应对输流微管道振动的影响规律目前还不清楚.鉴于此,本文利用复模态法分析热环境中被弹性介质(模拟周围胶体、化学溶剂等环境介质)包围的输流微管道的横向振动问题,重点讨论温度变化、管道和流体微尺度效应、管道外径及弹性介质对系统固有频率、临界流速等振动特性的影响.
1 振动控制方程
弹性介质中两端铰支输流微管道的力学模型如图1所示.假定管道只发生横向面内振动y(x,t),x轴为管道轴线,t为时间变量,U为管内流速.根据Hamilton原理和修正的偶应力理论[10],可由能量法[12]推得热环境中输流微管道横向振动控制方程为
式中,E,I,G,A,m分别为管道的弹性模量、截面惯性矩、剪切模量、管壁横截面积、单位长度的质量,l为表征管道微尺度效应的特征尺寸参数[10];M为管内流体单位长度的质量,f为表征流体微尺度效应的流速形态参数[10];K为弹性介质刚度;Pt为温度变化引起的附加轴向力,考虑非线性温度-应力关系[12]
式中,α为轴向热膨胀系数,h=h1(1-2v)-2h2(v2-1)+h3v2,h1～h3为Murnaghan常数,v为泊松比,ΔT为相对室温的温度增量.在方程(1)中,若l=Pt=K=0,f=1,则方程(1)退化为经典的欧拉梁模型管道的控制方程.
引入如下无量纲变量和参数
式中,L为管道两支承端之间的长度.将式(3)代入式(1)可得到无量纲形式的振动微分方程
式中()'和分别表示和.
2 复模态法求解
利用复模态法求解振动微分方程.设方程(4)的第n阶解为复数形式
式中,wn和Φn(ξ)分别为第n阶固有频率和相应的振型函数,i=.将式(5)代入方程(4)中可得到
两端铰支的边界条件为
方程(6)为4阶齐次常微分方程,设其解为
式中djn,j=1,2,3,4满足下面的特征方程
将式(7)代入式(8)中可得到关于C1n～C4n的线性方程组
上式存在非零解的条件是系数矩阵行列式为0,由此可得
由式(8)～式(11)即可解出ωn和Φn,其中
而满足wn=0条件的最低流速值即为系统的屈曲失稳临界流速.
3 振动特性算例分析
下面通过数值算例来分析环境温度和一些重要系统参数对输流微管道固有频率、临界流速等振动特性的影响.算例中的管道以环氧树脂为材料,并采用以下几何和物理参数[10,12]:管道密度ρt=1.22g/cm3,内径Di=15μm,外径Do=30μm,长径比L/Do=100,E=1.44GPa,v=0.38,α=1.1×10-5oC-1,内流密度ρw=1g/cm3,流速U=10 m/s,K=0.6kPa.管道微尺度特征尺寸l值可通过下式确定[3,7]:l=bh/[3(1-v)]0.5,式中bh为管道的高阶弯曲参数,其单位与长度单位一致,并由管道材料及管道系统的梁式结构可确定其值为[3,7]:bh=24μm,于是可计算出l=17.6μm.圆截面流体微尺度参数f值可通过抛物线型层流公式确定为f=4/3[10].
图2利用不同模型分析了输流微管道临界流速随温度的变化.由图可以看出,随着温度的升高,各种模型的临界流速值均下降直至为零,说明系统的屈曲稳定性降低,但在相同温度下,实际微管道(l=17.6μm)的临界流速明显高于经典欧拉梁模型(l=0).对于经典模型,当温度增量约为38℃时,临界流速就降为0,此时管道已经失去载流能力,而实际微管道该温度增量值约为99℃,为经典模型的2.6倍.可见仍然用经典欧拉梁模型进行计算会严重低估微管道的载流稳定性.此外,图2中还反映出,对于实际微管道,内流用微流体模型(l=17.6μm,f=4/3)分析时,在相同温度下其临界流速值要低于用宏观流体模型(l=17.6μm,f=1)分析的结果,说明流体微尺度效应会降低系统稳定性.但微流体的这种影响会随着温度的升高而逐渐减弱,当ΔT=99℃时,微流体的影响彻底消失.
图3分析了保持管道内径(Di=15μm)和长径比(L/Do=100)不变时管道外径和环境温度对微流体模型输流微管道第一阶固有频率的影响.由图可以看出,在管道外径较小(Do<30m)时,外径尺寸的变化对固有频率影响很大,管道固有频率会随着外径的增加而迅速降低,而且,外径D。越接近微尺度特征尺寸(l=17.6μm),固有频率变化越剧烈.这是管道微尺度效应作用的结果;而在外径较大(Do>30μm)时,随着外径的增大,外径变化对固有频率的影响越来越弱最后几乎可以忽略,此时温度的变化对固有频率的影响逐渐占据主导地位,而且外径越大温度越高,温度的影响越明显.这是由于管道的几何尺寸已经远离微尺度特征尺寸,微尺度效应的影响减弱并逐渐消失.
图4分析了周围弹性介质和环境温度对微流体模型输流微管道第一阶固有频率的影响.由图可以看出,管道的固有频率会随着环境温度的升高而降低直至为零,此时管道将会失稳而发生屈曲变形,此时的温度为临界温度.随着弹性介质刚度K的增大,管道固有频率会升高,而且温度越高,K的作用越明显.但固有频率升高的幅度却会随着K值的增大而变小.此外,临界温度值也会随K值的增大而提高.由此可见,周围弹性介质和环境温度对输流微管道的振动稳定性有很复杂的影响,在分析其动力学特性时不应该忽略.
4 结论
本文应用复模态法研究了弹性介质中输送微流体的微管道的热弹性振动问题.通过文中分析,可得到以下结论:
(1)提高环境温度会降低系统的固有频率和临界流速,也即降低了系统的屈曲稳定性.
(2)在相同的温度环境中,实际微管道的临界流速要高于经典的欧拉梁模型管道.管道和流体的微尺度效应分别会使临界流速升高和降低,但流体微尺度效应的这种影响会随着温度的升高而逐渐减弱并最终消失.
(3)管道外径较小(接近微尺度特征尺寸)时,外径的变化对固有频率影响很大,而外径较大时,温度变化对固有频率的影响更为明显.