工作承载力分析

工作承载力分析（精选九篇）

工作承载力分析 篇1

直接驱动型磁悬浮直线进给单元[1]将直线电动机与磁悬浮工作台相结合, 在实现电能直接转换成直线运动机械能的同时, 消除了传统机床床身导轨与工作台导轨因接触而产生的摩擦, 具有无机械摩擦、无接触磨损、无需润滑、精度高等优点, 是今后数控机床的发展趋势之一。在直接驱动型磁悬浮直线进给单元中, 磁悬浮工作台是其重要的功能部件, 决定了整个系统的承载性能和导向精度, 但在工作时, 由于受磁场力和切削力的共同作用, 工作台必然产生形变, 导致支承电磁铁偏离理想位置, 造成支承电磁铁与支承导轨之间悬浮气隙的不均匀, 导致系统运动精度和控制精度的降低, 影响机床加工精度。因此, 有必要研究磁悬浮工作台形变对承载磁场力的影响, 从而在材料选型、截面形状和尺寸设计等方面对磁悬浮工作台结构设计提供理论依据。

1 工作原理

直接驱动型磁悬浮直线进给单元的结构原理如图1所示, 磁悬浮工作台套装在支承导轨的外周, 支承导轨由支承块和底座共同支承, 工作台对称布置用于实现磁悬浮工作台稳定悬浮的支承电磁铁和用于实现磁悬浮工作台精确导向的导向电磁铁, 每对电磁铁均安装有位移传感器和控制器, 并采用差动控制技术, 以使磁悬浮工作台在偏离平衡位置时能够迅速回至平衡位置[2,3]。直线电动机动子安装在磁悬浮工作台的中心线上, 并与磁悬浮工作台相连, 直线电动机定子安装在与动子对应位置处的支承导轨上, 直线电动机外周设置有隔磁罩。待磁悬浮工作台完成稳定悬浮和精确导向后, 直线电动机通电, 由其动子带动磁悬浮工作台实现直线进给运动。磁悬浮工作台不工作时, 由辅助支承导轨对其进行支承。

2 磁悬浮工作台形变对支承电磁铁磁场力的影响分析

直接驱动型磁悬浮直线进给单元工作时, 在切削力以及上、下支承电磁铁磁场力的共同作用下, 磁悬浮工作台将发生形变, 这一形变必将打破上、下支承电磁铁与支承导轨之间悬浮气隙的均匀性, 引起承载力与导向力之间的非线性耦合[4], 致使磁悬浮工作台的控制精度和稳定性能降低。

本文中, 所设计磁悬浮工作台的承载力为500N, 稳定悬浮时的悬浮气隙为0.3mm, 电磁铁选用DT4型纯铁制成, 根据磁路第二基本方程和虚位移等理论计算方法[5,6], 确定了支承电磁铁的结构参数、绕制在支承电磁铁上线圈的参数 (外皮直径和最大承载电流分别为1.02mm和2.17A) 及绕制工艺 (每层绕24匝、共绕8层) 、偏置电流 (I=1A) 、每对支承电磁铁中的控制电流 (i0=0.62A) 、各电磁铁在支承导轨中的分布位置以及磁悬浮工作台的初步结构参数 (如图2所示) 。

根据上述参数在ANSYS中建立磁悬浮工作台二维模型, 通过网格划分及对各电磁铁施加电磁力载荷求解后, 得到磁悬浮工作台的形变如图3所示。

由图3可知, 磁悬浮工作台工作时, 位于上支承电磁铁处的工作台发生向下弯曲的形变, 位于下支承电磁铁处的工作台发生向上翘曲的形变, 两种形变对上、下支承电磁铁的电磁力造成了不同程度的影响, 因此, 应分别对两者进行分析。

2.1 磁悬浮工作台形变对上支承电磁铁磁场力的影响分析

由图3可知, 磁悬浮工作台的形变打破了上支承电磁铁与支承导轨之间悬浮气隙的均匀性 (如图4所示) , 而Δ1的值直接决定了上支承电磁铁与支承导轨之间悬浮气隙的不均匀程度, 即上支承电磁铁内侧气隙值δ2和外侧气隙值δ1分别偏离理想气隙值δ的程度, 而Δ1值的大小又直接由此处磁悬浮工作台的形变量所决定, 因此, 研究确定Δ1的极值, 对指导磁悬浮工作台的结构设计具有重要意义。

如表1所示列出了基于ANSYS虚功力求解的单个上支承电磁铁在结构参数及通电电流相同的情况下 (I-i0=0.38A) , 其实际磁场力大小随Δ1值变化而变化的情况。

由表1可知, 当Δ1值为0时, 基于ANSYS虚功力求解的单个上支承电磁铁所产生的磁场力为7.32N, 与理论计算值7.28N的误差为0.55%, 证明ANSYS求解正确。Δ1值对上支承电磁铁的磁场力Fz影响较大, 且Fz随着Δ1值的增加而增大。当Δ1值达到0.03mm时, 上支承电磁铁所产生的实际电磁力急剧增大, 与理论计算值的误差超过10%, 因此, 上支承电磁铁处磁悬浮工作台在结构设计时, 应保证Δ1值不超过0.02mm。

2.2 磁悬浮工作台形变对下支承电磁铁磁场力的

影响分析

由图4可知, Δ2值直接决定了下支承电磁铁与支承导轨之间悬浮气隙的不均匀程度, 即下支承电磁铁内侧气隙值δ4和外侧气隙值δ3分别偏离理想气隙值δ的程度, 而Δ2值的大小又直接由此处磁悬浮工作台的形变量所决定, 因此, 研究确定Δ2的极值, 对指导磁悬浮工作台的结构设计具有同等重要意义。

如表2所示列出了基于ANSYS虚功力求解的单个下支承电磁铁在结构参数及通电电流相同的情况下 (I+i0=1.62A) , 其实际磁场力随Δ2值变化而变化的情况。

由表2可知, 当Δ2值为0时, 基于ANSYS虚功力求解的单个下支承电磁铁所产生的磁场力为132.91N, 与理论计算值132.31N的误差为0.45%, 证明ANSYS求解正确。Δ2值对下支承电磁铁的磁场力Fz影响较大, 且Fz随Δ2值的增加而增大。当Δ2值达到0.02mm时, 下支承电磁铁所产生的实际磁场力急剧增大, 与理论计算值的误差超过10%, 因此, 下支承电磁铁处磁悬浮工作台在结构设计时, 应保证其最大形变量Δ2不超过0.01mm。

由上述分析可知, 上、下支承电磁铁与支承导轨间悬浮气隙由于磁悬浮工作台形变引起的不均匀对两者磁场力存在较大的影响, 尤其是下支承电磁铁的磁场力的影响, 这主要是由于磁悬浮工作台采用了吸力悬浮系统和差动控制技术, 使得其实际工作时, 下支承电磁铁对支承导轨所产生的磁场吸力大上支承电磁铁对支承导轨产生的磁场吸力, 因此, 在设计过程中时, 应分别根据Δ1和Δ2的极值, 设计出结构合理的磁悬浮工作台。

3 结论

通过对磁悬浮工作台形变对承载磁场力的影响分析计算, 可得出以下结论:

1) 采用ANSYS有限元分析软件对实例进行仿真与分析, 得出了上、下支承电磁铁处磁悬浮工作台在不同最大形变极值下的支承电磁铁磁场力的变化情况, 为磁悬浮工作台结构设计提供了理论依据。

2) 磁悬浮工作台的形变是影响支承电磁铁与支承导轨之间悬浮气隙不均匀的重要因素。磁悬浮工作台形变增大时, 悬浮气隙不均匀程度增大, 系统稳定性下降。

3) 磁悬浮工作台自身重力及其竖直方向的切削力合力为500N, 当支承电磁铁与支承导轨间悬浮气隙为0.3mm时, 上、下支承电磁铁处磁悬浮工作台最大形变量Δ1和Δ2分别不超过0.02mm和0.01mm时, 磁悬浮工作台的结构设计满足其工作要求。

摘要：基于ANSYS有限元分析软件, 对承载力为500N的磁悬浮工作台的形变对其支承电磁铁磁场力的影响进行了分析。分析结果表明:当悬浮气隙为0.3mm且工作台上、下支承电磁铁处的最大形变量Δ1和Δ2分别不超过0.02mm和0.01mm时, 磁悬浮工作台的承载性能得到提高。将有限元分析软件应用于磁悬浮工作台的设计中, 对提高其设计质量具有重要意义。

关键词：磁场力,形变,磁悬浮,工作台

参考文献

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[3]陈卫兵, 茅靖峰.磁悬浮系统的变速趋近律滑模控制[J].制造业自动化, 2010, 32 (6) :80-83.

[4]王伟明, 马树元, 闪明才, 仉毅.磁悬浮运动平台的非线性变结构控制[J].组合机床与自动化加工技术, 2012, (3) :69-72.

[5]郭磊.磁悬浮平台承载特性研究[D].长沙:中南大学, 2005.

工作承载力分析 篇2

回复：土的承载力的标准值与特征值

回答这个问题，得从地基承载力在74－2002规范不同提法来说起。在74规范修编时，就把地基承载力取值定在浅层平板载荷试验中的比例界限内的直线段，即容许承载力（或叫承载力容许值）。并以此为依据，在全国范围内收集了大量不同土类的浅层平板载荷试验的资料，用多元回归方程进行回归分析，得出了粘性土中的F与e、IL的关系、F与N（标准贯入试验）的关系、F与Ps（静探比贯入阻力）等的关系式，并以此建立了不同土类的地基承载力表，而且在使用地基承载力表作了许多严格的规定。这就是地基承载力容许值。而到了89规范修定时，因为荷载规范发生了重大变化————通俗地说就是将荷载人为地放大了约

1.25倍，对应载荷试验应为比例界限的1.25倍左右。而74规范中的地基承载力表中的数据仍然为比例界限点，故在89规范修定时将地基承载力表中的数据均进行了人为的少许放大（不超过1.25倍），但用载荷试验法确定地基承载力时仍取比例界限点。这就是地基承载力标准值。目的是为了对应荷载规范。而新的2002规范，因为荷载规范将荷载组合改回了原来的组合，在修定时又将地基承载力取值方法改回了比例界限点。同时，考虑到我国国土面积较大，各地方地基土差异较大，若仍延用地基承载力表格查表法确定承载力时，会产生浪费或安全问题。故在修定2002规范时将地基承载力表格取消了，而强调原位测试法（包括载荷试验）及地区经验法。而地区经验法的使用决不是工程师“拍脑门”，而是要求本地区要自已收集整理以往资料，或做大量实验，自己建立地方性的地基承载力表格。而为避免发生混淆，不论是未进行深宽修正，还是经过深宽修正的承载力，统一叫地基承载力特征值。这就是地基承载力特征值由来。经比较，我们不难得出这样的关系：地基承载力容许值［R］

淮南市环境承载力评价与分析 篇3

关键词:环境承载力;评价;指标体系;淮南

中图分类号:F29文献标识码:A文章编号:1672-1101(2009)04-0014-06

Analysis and evaluation on environmental carrying

capacity in Huainan city

HU You-biao1,YUAN Xing-cheng1,ZHAO Bao-qing2

(1.Earth and Environment Institute,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,China;2.Environmental Protection Bureau of Huainan City,Huainan,Anhui 232001,China)

Abstract:Based on the analysis of the social- economic- environment system status in Huainan city,the paperconstructs the index system of ECC,and selects the relative surplus ratio model of ECC to evaluate ECC in Huainan city.The resultshows that the ECC is overloaded in Huainan city,and the ECC relative surplus ratio amounts to P=-0.267,overloading by 26.7%.

Key words:environmental carrying capacity(ECC);evaluate;index system;Huainan city

环境承载力(Environmental Carrying Capacity,ECC)是指在一定时期与一定范围内,以及一定环境状态下,环境系统所能承受人类社会经 济活动的阈值。它本质上是环境系统的结构和功能的外在表现,反映了人类活动与环境功能结构间的协调程度。通过研究某一区域环境承 载力,一方面可以描述该地区环境系统结构特征,同时还可以描述该地区人口、资源与环境协调程度;并可以此为依据提出该地区社会、 经济与环境协调、持续与稳定发展的总体战略[1-3]。

淮南的发展战略是以“三大基地”与“六大产业”为主导,是一种以煤为主的能源结构和以煤炭工业为主的经济结构的资源型产业发展方向。这 使淮南不仅面临一般城市环境问题,又要面临资源型城市所特有的生态和环境问题,环境与发展形势严峻。因此,研究淮南市环境承载力 状况并提出相应对策,显得尤为重要。

一、淮南市社会经济环境系统简况

(一) 区域概况

淮南市地处安徽省中北部,淮河中游,地跨淮河两岸,位于东径116°21′21″～117°11′59″,北纬32°22′30″～ 33°00′24″。淮南地跨淮河 两岸,东与滁州市辖凤阳与定远两县毗邻,南与合肥市辖长丰县接壤,西与六安市辖寿县、阜阳市属颍上县相连,北与亳州市辖蒙城县、 蚌埠市属怀远县相接。全市总面积2 596.4km2。

淮南位于江淮丘陵与黄淮平原的交界处,地貌类型兼有平原和丘陵的特点,地形较为复杂,山丘、岗地、平原、湖洼、河流湖库兼而有之 。气候类型属暖温带半湿润大陆性季风气候区。淮河由西向东横穿全市,是淮南市主要地表水系。

(二) 社会经济发展

淮南市是以煤炭工业为主体,电力、化工为重点的产业发展方式。20世纪90年来以来,国民经济发展迅速,国内生产总值已由1990年的 30.7亿元,增长到2005年的261亿元,增长了7.5倍。“十五”期间,淮南市GDP由126亿元增至261亿元,实现生产总值翻番,年均增长速度 15.2%;人均GDP 5年增长80.1%,年均增长速度12.5%;财政收入5年增长158.9%,年均增长速度21.0%; 城乡居民收入稳步提高,“ 十五”期末,全市城镇居民人均可支配收入8 580元,农民人均纯收入2 730元,比“九五”期末增加了90.9%和24.9%(见表1)。表1 淮南市社会经济发展情况

指标单 位200020012002200320042005地区生产总值亿元 126134.9152.1170.5214.5261其中:第一产业亿 元17.417.118.717.826.530第二产业亿元58.763.87487.1111.9143第三产业亿元49.95459.465.676.188人均地区生产总值元/人6 1626 5127 2758 0819 22511 100财政总收入亿元14.114.817.220.127.636.5城镇居民人均可支配收入元4 4954 8365 3456 0107 4188 580农民人均纯收入元2 1862 1392 3122 1802 5722 730从2001～2005年,淮南市第一产业,第二产业,第三产业年平均增长速度分别为11.5%、19.5%、12.0%。2005年,淮南第一、第二、 第三产业结构比为11.5∶54.8∶33.7。第一产业比重下降,第二产业快速增长,已稳居主导地位;虽然第三产业较2000年有较大的增幅, 但是产业结构比重有所下降,并对第二产业依赖性大,相对于发达地区,第三产业发展水平低,社会化服务程度低。淮南是一座资源型老 工业城市,以煤电化为主体的能源原材料工业占主导地位;同时,淮南又是一座能源资源消费大市。以煤为主的能源结构和资源型工业为 主的经济结构调整非常困难,不可能从根本上改变。未来经济发展,将使能源资源消费总量持续上升,能源资源生产与消费构成巨大的环 境压力,环境与发展形势严峻。

(三) 环境质量现状

1.大气环境

淮南市环境空气中的主要污染物是可吸入颗粒物(PM10),二氧化硫(SO2),和二氧化氮(NO2)。2001～2005年,市区 环境空气中的SO2年平均值为0.021 mg/m3、NO2年平均值为0.023 mg/m3,达到《环境空气质量标准》(GB3065-1996)二 级标准; PM10年平均值为0.119 mg/m3,超过二级标准,超标率19%。年际之间环境空气质量起伏波动变化明显,TSP和PM 10呈下降趋势,SO2和NO2逐年上升,城市空气污染从“煤烟型”大气污染正在向“煤烟与汽车尾气”混合型发展。

2.水环境

2001～2005年,淮南市辖淮河干流水质总体在《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅳ～Ⅴ类,其中:枯水期Ⅴ类～劣Ⅴ类,平水期 Ⅳ～Ⅴ类,丰水期Ⅲ～Ⅳ类,水质劣于“九五”。主要污染物以氨氮为第一污染物,其次为粪大肠杆菌、生化需氧量和化学需氧量,属有机污 染型。

3.声环境

“十五”期间,淮南市区各年度区域环境噪声平均等效声级55.3～56.2分贝(A),总体达到《城市区域环境噪声标准》(GB3096-93)Ⅰ 、Ⅱ类标准,区域环境噪声基本保持稳定;交通噪声平均等效声级67.9分贝(A)。主要噪声源以社会生活与交通噪声为主。

4.固废现状

淮南市生活垃圾主要的处置手段是简易填埋,已造成堆场周围环境空气、地表水、地下水、土壤的严重污染。工业固体废物主要是:煤矸 石、粉煤灰、炉渣。“十五”期间,全市工业固体废物产生量共约2 868.9万吨。淮南市工业固体废物处置和综合利用做了大量工作,综合利 用率超过80%,但是由于产生的量较大,造成煤矸石和粉煤灰长期堆放,污染环境,占用大量土地。

二、环境承载力评价方法

(一) 评价模型

本文采用环境承载力相对剩余率及其计量模型来评价淮南市环境承载力。所谓环境承载力相对剩余率是指在某一区域范围,某一时期环境 承载力指标体系中各项指标所代表的在该状态下的取值与各项指标理想状态下阈值的差值与其阈值之间的比值[4]。

对于发展类指标,有:Pi=(Xi-Xi0)/Xi0(1)

对于限制类指标,有:Pj=(Xj0-Xj)/Xj0(2)

综合环境承载力相对剩余率:

P=∑mi=1Pi•Wi+∑mj=1Pj•Wj(3)

式中:Pi,Pj为区域环境承载力评价指标体系中第i,j个指标的相对剩率;Xi为发展类变量指标i的实际值;Xi0为发展类变量指标i理想值的上限值;Xj为限制类变量指标j的实际值;Xj0为限制类变量指标j理想值的下限值。

m,n为指标体系中发展类指标和限制类指标的个数;Wi,Xj为各指标的权重。

环境承载力相对剩余率反映了实际的环境承载量与其理论上的环境承载力之间的量值关系。当P>0时,说明环境承载量尚未超过环 境承载力阈值;反之,则超载,可能引发相应的环境问题。(二) 指标体系

依照科学性、系统性、可操作性和区域性等选取指标的原则,运用频度分析法和理论分析法[6-9],选取了四层共23个具体评价指标,构成了淮南市环境承载力评价指标体系。

1.目标层A,以淮南市环境承载力指标体系作为总目标层,综合表征淮南市环境承载力状况;

2.准则层B,以影响环境承载力的主要因素作为准则层。本文以自然环境指标B1、社会经济指标B2作为准则层;

3.要素层C,由自然资源C1,环境质量C2,环境污染强度C3,环境治理水平C4,人口状况C5,城市发展C6,生活质量C7, 基础设施建设C8,经济发展水平C9,经济结构C10,资源消耗C11共11个要素组成了三级层次;

4.指标层D,选取了23个可直接度量的各种代表性指标,是环境承载力评价指标体系的基础(见表2)。

表2 淮南市环境承载力评价指标体系

目标层A准则层B要素层C指标层D淮南市环境承载力评价指标体系A自然环境指标B1自然资源(C1)人均水资源量(D1)、人均耕地面积(D2)、森林覆盖率(D3)环境质量(C2)SO2浓度(D4)、PM10浓度(D5)、地表水水质达标率(D6)、环境噪声达标区覆盖率(D7)环境污染强度(C3)COD排放强度(D8)、工业废气排放量(D9)、工业固体废弃物量(D10)环境治理水平(C4)环保投资占GDP比重(D11)、工业废水排放达标率(D12)、城镇污水处理率(D13)、工业固体废物综合利用率( D14)、矿山生态破坏治理率(D15)社会经济指标B2人口状况(C5)人口自然增长率(D16)城市发展(C6)城市化水平(D17)生活质量(C7)城镇居民居住面积(D18)基础设施建设(C8)人均道路面积(D19)经济发展水平(C9)人均GDP(D20)经济结构(C10)第三产业GDP比重(D21)资源消耗(C11)万元GDP能耗(D22)、万元GDP耗水(D23)

(三) 指标理想值、指标值及指标权重的确定

根据《淮南市环境保护“十一五”规划研究》、《淮南生态市建设规划(2004)》、《生态县、生态市、生态省建设指标》(国家环保总 局,2003),以及一些国际国内标准等资料,确定指标理想值[10-12]。指标值选用2004年的数据,数据来源为《淮南市环境质量 报告(2001～2005)》、《淮南市年鉴》等资料。

采用层次分析法确定指标权重。美国T.L.Saaty于1971年提出的层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)[5]是一种定性分析 与定量计算相结合的多目标决策分析方法。其基本原理是:把复杂系统分解为若干子系统,建立有序的递阶多层次结构;对每一层各要素 进行两两比较,确定相对重要性,建立判断矩阵;计算判断矩阵的最大特征值及对应的特征向量,得出该层次各要素权重;进而计算出各 层次要素对于总体目标的组合权重(见表3)。

表3 淮南市环境承载力指标理想值、指标值及指标权重

指标单位指标值理想值权重人均水资源量(D1)m3/人729.32 0000.043 9 人均耕地面积(D2)m2/人663.51 0660.024 2森林覆盖率(D3)%19.5400.013 3SO2浓度(D4)mg/m30.0240.150.053 6PM10浓度(D5)mg/m30.1110.150.053 6地表水水质达标率(D6)%89.61000.145 3环境噪声达标区覆盖率(D7)%51600.029 7COD排放强度(D8)kg/万元9.285.00.081 8工业废气排放量(D9)亿Nm3958.72 645.30.024 3工业固体废弃物量(D10)万吨739.764 5000.045 5环保投资占GDP比重(D11)%2.053.50.055 8工业废水排放达标率(D12)%97900.016 6城镇污水处理率(D13)%53.8700.016 6工业固体废物综合利用率(D14)%86800.031 3矿山生态破坏治理率(D15)%26.3500.031 3人口自然增长率(D16)‰7.273.50.025 3城市化水平(D17)%45550.065 2城镇居民居住面积(D18)m2/人20.4200.007 1人均道路面积(D19)m2/人7.91160.008 9人均GDP(D20)元/人9 22535 0000.034 7第三产业GDP比重(D21)%35.5450.086 4万元GDP能耗(D22)吨标煤/万元6.91.40.035 2万元GDP耗水(D23)m3/万元1101500.070 4三、结果分析

承载力概念的演变分析 篇4

一、承载力概念的起源———适度人口理论

承载力思想起源于适度人口的讨论, 而适度人口理论渊源于柏拉图《理想国》对人口应有“最佳限度”问题的思索。前期的适度人口思想主要讨论人口增长受土地等生产资料限制及两者保持均衡的问题。1798年, 马尔萨斯的《人口原理》第一次将承载力思想和适度人口理论紧密结合起来。他从食物为人类生存的必需品和两性间的情欲是必然的并且不会改变这两个永恒法则出发, 分析说明食物以算术级数速度增长, 而人口数量却是以几何级数速度增长, 随着时间的推移, 这两者之间的矛盾将难以调和, 从而必须通过一些方法限制人口增长。1838年, 比利时数学家Verhust根据19世纪早期的人口统计资料, 将马尔萨斯的理论用Logistic方程进行了数学表示。

然而, 现实的生态系统通常具有非线性变化特征, 简单的Logistic方程难以来描述自然种群的动态变化特征。Nicholson发现, 加入人口变化的时间滞后因子能更好地拟合Logistic方程。在以后的研究中, 学者们注意到承载力本身与人口大小是呈比例变化的。

这一阶段的承载力概念主要强调限制因子对人口的影响, 其实质是主要解决食物等基本生活资料与人口数量的均衡问题, 并不包括环境和社会福利目标。而且, 由于随机的环境变化、各因素的不确定性以及关系的复杂性都是承载力模型不能俘获的外生变量, Logistic方程的适用范围有限。

二、承载力概念的发展———生态承载力研究

进入20世纪, 人类活动对自然环境的影响日益增加, 人与自然之间的矛盾逐步加剧。人类意识到作为人类和其他物种生存前提条件的自然资源是有限的。生态学上最早借用承载力一词的是群落生态学。1921年, Park和Burges提出承载力是“某一特定环境条件下 (主要指生存空间、营养物质、阳光等生态因子的配合) , 某种生物个体存在数量的最高极限”[1]。该承载力概念的主旨在于强调一种最大极限的容纳量, 是一种机械思维的绝对数量。

然而现实生态系统中各因子之间的相互作用是复杂的。1922年, Hadwen和Palmer在研究阿拉斯加的驯鹿种群后, 提出了针对草场生态系统的承载力概念, 认为承载力是草场上可以支持的不会损害草场的牲畜的数量[2]。Leopold也对承载力进行了相似的定义。这一定义的重要意义在于突破了之前研究所单纯强调的最大极限数量的限制, 开始关注支撑主体 (草场) 的不受损害, 体现出了可持续发展的内涵。

上述承载力定义主要强调了资源的短缺问题, 然而与资源短缺相伴随的是生态系统的破坏, 如土壤的沙漠化、生物多样性的消失等, 严峻的生态危机促使科学家从系统的整合性看待生态问题。20世纪70年代后, Honing等国外学者提出了生态承载力的概念, 通过Honing和Guderson等学者十多年的努力, 初步建立了生态承载力的概念化理论模型。Smaal, T.C.Prins和Andrew, T.Hudak认为, 生态系统承载力是在特定时间内特定生态系统所能支持的最大种群数[3,4]。高吉喜在研究大量前人定义的基础上, 给出了国内比较认可的生态承载力概念, 即“生态系统的自我维持、自我调节能力、资源与环境子系统的共生共容能力及其可维持的社会经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量”[5,6]。黄青和任志远 (2004) 认为, 生态承载力某一时期抵御某一特定的生态系统, 在确保资源的合理开发利用和生态环境良性循环发展的条件下, 可持续承载人口数量、经济强度及社会总量的能力[7]。

生态承载力的提出是一个巨大的进步, 因为它克服了之前的承载力概念停留于单因素上的不足, 将承载力的内涵拓展到多因素、系统性的理解上, 实现了由单纯支撑人类的经济、社会进步变为促进整个生态系统和谐稳定发展之目的。然而, 生态承载力仍存在行业的限制, 生态承载力应该展开与人口、资源、经济以及发展等相关学科的交叉研究。

三、承载力概念的扩展———资源承载力研究

20世纪60、70年代, 随着人类社会工业化、城市化进程的加快, 出现了全球性人口膨胀, 资源短缺更加突出, 人与自然之间的矛盾日益尖锐, 因而资源承载力的研究受到重视。早期的资源承载力的概念大多是从生态学上的承载力延伸而来。20世纪80年代初, 联合国教科文组织 (UNESO) 提出了资源承载力的概念并被广泛接纳。其定义为:一个国家或地区的资源承载力是指在可预见的时期内, 利用本地资源及其他自然资源和智力、技术等条件, 在保护符合其社会文化准则的物质生活水平下所持续供养的人口数量[8]。Cohen对资源承载力进行了更为完整的阐述:在不损害自然、生态和社会环境的情况下, 在可以预见的未来能供养的人口数量[9]。上述定义虽然都强调支撑最大人口的数量, 但Cohen更为强调资源条件不应受到损害。由于资源对国家和地区的重要性, 联合国教科文组织、联合国粮农组织 (FAO) 、经济合作与发展组织 (OECD) 进一步提出了土地资源承载力、水资源承载力、森林资源承载力以及矿产资源承载力等概念, 并对这些承载力进行了较为系统的研究。

土地资源作为人类生存最基本的自然资源, 一直以来是承载力研究的重点之一。早在1921年, Park R.F.&Burgess E.W.就提出了土地承载能力的概念。随后, 美国学者Allan将土地承载力定义为:在维持一定水平并不引起土地退化的前提下, 一个区域能永久地供养人口数量及人类活动水平[10]。目前学术界对土地承载力的共同理解是:土地承载力一般是指区域土地所能持续供养的人口数量, 即土地人承载量。在《中国土地资源生产能力及人口承载量研究》项目中, 土地资源承载力表述为“在未来不同时间尺度上, 以预期的经济、技术和社会发展水平以及与之相适应的物质生活水准为依据, 一个国家或地区利用其自身的土地资源所能持续供养的人口数量。”[11]

同样, 在人类对水资源越来越依赖的同时, 水污染、全球的气候反常等水资源问题的出现, 使得水资源成为制约人类社会发展的颈瓶。国外专门研究水资源承载力的较少, 主要散见于可持续发展文献中。许新宜等认为, 水资源承载力是指在某一具体的历史发展阶段下, 以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据, 以可持续发展为原则, 以维护生态环境良性发展为前提, 在水资源合理配置和高效利用的条件下, 区域社会经济发展的最大人口容量[12]。王忠静认为, 水资源承载力是某具体状态下可养活的人口及其生活质量[13]。施雅风等认为, 水资源承载力是指某一地区的水资源, 在一定社会和科学技术发展阶段, 在不破坏社会和生态系统时, 最大可承载的农业、工业、城市规模和人口水平[14]。苏志勇和徐中民等将水资源承载力定义为:水资源对社会经济和环境的支撑能力, 即水资源对生态经济系统良性发展的支持能力[15]。韩俊丽和段文阁指出, 水资源承载力是在特定的历史发展阶段, 以可持续发展为原则, 以维护生态良性发展为条件, 以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据, 在水资源得到适度开发并经优化配置的前提下, 区域水资源系统对当地人口和社会经济发展的最大支持能力[16]。尽管对于水资源承载力的定义有所差别, 但其本质上都强调水资源对人类活动的支持能力。

四、承载力概念的综合———综合承载力研究

人类社会系统只是生态系统的一部分, 其结构和功能的好坏取决于生态系统的结构和功能, 仅仅关注其中的资源和环境单因素并不足以解除人类所面临的生存危机, 因此, 承载力的研究重点逐渐转移到对诸要素的综合研究上, 区域承载力、城市承载力、人类 (社会) 承载力的概念相继出现。

严格的城市承载力概念, 由K, Oh, Jeong于2002年定义为, 一种人类活动、人口增长、土地利用、物质发展水平, 能够使城市人居环境系统得到可持续发展, 同时不引起其退化和不可逆转的破坏[17]。他认为, 城市综合承载力是指城市在不产生任何破坏的状况下所能承受的最大负荷, 即城市的资源禀赋条件、生态环境状况和基础设施水平对城市人口和经济社会活动的承载能力。叶裕民认为, 城市承载力是资源、经济和社会的有机结合, 是指城市的资源禀赋、生态环境、基础设施和公共服务对城市人口及社会经济活动的承载能力[18]。它已经超越了原来资源环境承载力的概念, 即整个城市能容纳多少人口、能承担多少就业、能提供什么程度的生活质量等, 它是资源承载力、环境承载力、经济承载力和社会承载力的有机结合体。李东序和赵富强认为, 城市承载力是指一定时期、一定空间区域和一定的社会、经济、生态环境条件下, 城市资源所能承载的人类各种活动的规模和强度的阈值[19]。金磊 (2008) 则认为, 城市承载力指的是城市安全容量, 指在一段时期内城市灾害不会对城市社会、环境、经济、文化等安全保障系统造成无法承受的不利影响的最高限度, 可将之量化为城市对所受灾害的最大容忍度。虽然不同学者对城市承载力的定义不同, 但其本质上是一致的, 即城市对内外部环境变化的最大承受能力, 城市承载力是一个阈值[20]。

区域承载力的研究方法是在资源承载力和环境承载力研究的基础上发展而来的, 它以区域资源环境为对象, 研究它同人类的经济社会活动之间的相互关系。王学军 (1992) 提出了“地理环境人口承载潜力”概念, 将其定义为:在一定时间、一定的空间内, 在保持一定生活水准、并不使环境发生不可逆化前提下, 生产的物质和全体环境要素状况所能容纳的最大人口限度, 它是由地理环境各要素和人类本身的数量、素质、分布、活动, 以及区际间的人员、物质、能量、信息交流所决定的[21]。毛汉英、余丹林 (2001) 提出, 区域承载力是指不同尺度区域在一定时期内, 在确保资源合理开发利用和生态环境良性循环的条件下, 资源环境能够承载的人口数量及相应的经济社会总量的能力[22]。区域是个多要素结合的系统, 以综合的观点来研究区域承载力是顺应逻辑的, 但目前研究仍侧重于区域单一要素承载力的研究, 综合性、系统性还不够。区域承载力作为衡量可持续发展的重要指标, 当人们研究区域系统时, 通常借用区域承载力以描述区域系统对外部环境变化的最大承受能力。

人类 (社会) 承载力不再简单地套用生物种群承载力理论方法, 开始关注科技进步、生活方式、价值观念、社会制度、贸易、道德和伦理价值、品位和时尚、经济、环境效应、文化接受力、知识水平和机构的管理能力等人类自身文化社会因素对承载力的影响。Harding (1986) 详细分析了人类生活质量对承载力的影响, 认为人类承载力与生活质量负相关, 人类承载力是受制度、建筑物、风俗习惯、发明和知识等一切与人类有关的因素影响的文化承载力, 文化承载力总是小于生物承载力[23]。Daily和Ehrlich (1992) 提出了社会承载力概念并进行了定义:社会承载力是指在各种社会系统条件下 (特别是与资源消费有关的社会模式) 可以支持的最大人口数量[24]。人类 (社会) 承载力不仅仅是单纯的人口总数或生物学问题, 而是把资源环境等自然因素与科技、文化、消费、贸易、价值观念以及社会政治和法律制度等人类文化社会因素综合纳入承载力之中。人类 (社会) 承载力的研究对象是人类社会系统, 研究目标是其中的所有组成部分和谐共存关系及整体的可持续发展。

五、承载力概念的延伸———企业承载力分析

从承载力概念的演进过程可以看出, 承载力已经成为衡量人类经济社会活动与生态资源、环境资源、经济资源、社会资源等各种资源相互关系的科学指标, 成为人类可持续发展的度量和管理决策的重要依据。伴随着工业的快速发展, 人民的物质生活水平日益提高, 但从社会和谐及可持续发展的角度来看, 人们在经济发展取得成绩的同时, 也付出了沉重的代价, 如环境污染、水土流失、土地荒漠化、气候异常、居住环境恶化的一系列社会问题。企业作为社会的经济细胞和市场经济的主体, 其生存和发展离不开社会和谐及人与自然和谐的构建, 而构建社会和谐及人与自然和谐也离不开企业的和谐建设, 企业是构建社会和谐及人与自然和谐的重要载体, 因此, 探讨企业承载力是对承载力理论的延伸。

国内外研究企业承载力的并不多。最早直接研究企业承载力的是周天豹。周天豹 (1984) 认为, 企业也是一个承载体, 所谓企业的承载能力可以表述为:企业在保证自己的机体不发生破坏的情况下可能承受的最大负载 (或负担) , 或者说可以为社会作出的最大贡献[25]。周为尧 (1985) 对企业承载力进行了相同的定义[26]。杨海涛 (1986) 则使用企业承受力的概念并定义为:企业在其经营过程中承受着外部荷载的作用与抵抗变形和破坏的能力[27]。周为尧 (1987) 对企业承载力的定义进行了完善:企业在其生产经营管理过程中承受外部载荷的作用与抵抗自身机体不发生变形和破坏 (断裂) 条件下可能承受的最大载荷 (或负担) [28]。

化学植筋承载力影响因素分析 篇5

1 混凝土基材

1.1 混凝土强度

实验研究表明, 当钢筋的植入深度较小且混凝土中没有横向配筋时, 植筋试件往往会发生混凝土浅锥体破坏, 如图1a) 所示, 此时混凝土的强度控制着植筋构件的极限承载力。混凝土的强度等级越高, 锚栓的锚固能力越大。Eligehausen等人针对化学锚栓提出了锥体破坏时的承载力计算公式[1]:

其中, hcone为破坏锥体的高度, mm;f′c为混凝土的抗压强度, MPa。

烟台大学周新刚通过试验及理论推导得出锥体破坏时的极限承载力:

P=ft·π· (L2+d·L) (2)

其中, ft为混凝土的抗拉强度, MPa;L为锚固长度, mm;d为钢筋直径, mm。

通过式 (1) , 式 (2) 可以看出, 混凝土的强度对于承载力的影响很明显。实际工程中, 由于植筋的深度较大 (一般达15倍钢筋直径) , 发生锥体破坏的可能性很小, 更多的情况下发生复合型破坏和钢筋拉断破坏, 如图1b) , 图1c) 所示。

当发生钢筋拉断破坏时, 受拉承载力只与钢筋的强度有关, 而与基材强度无关, 其承载力计算公式如下:

Nu=fy·As (3)

其中, fy为钢筋屈服强度, MPa;As为钢筋截面面积, mm。

发生复合型破坏时, 利用弹性粘结应力模型, 可推导出承载力计算公式[1]:

${\rm N}{}_u=0.92\cdot h{}_{\text{c}\text{o}\text{n}\text{e}}^2\cdot \sqrt{f^{\prime }{}_c}+\tau {}_{\max }\cdot \text{π}\cdot d{}_0\cdot \left[\frac{d{}_0}{{\lambda }^{\prime }}\cdot \tan \frac{{\lambda }^{\prime }(h{}_{ef}-h{}_{\text{c}\text{o}\text{n}\text{e}})}{\sqrt{d{}_0}}\right]$ (4)

其中, f′c为混凝土的抗压强度, MPa;d0为钢筋直径, mm;hcone为破坏锥体的高度, mm;hef为植筋深度, mm;τmax为最大粘结应力, MPa;λ′为弹性常数, 与胶混体系剪切刚度有关与锥体破坏不同, 发生复合型破坏时由于锥体高度较小, 约50 mm, 因而, 此时混凝土的强度对承载力的影响大大减小。

1.2 基材配筋及保护层厚度

在钢筋混凝土上植筋, 钢筋上的荷载通过结构胶传递到混凝土上, 再传递到周围的横向与纵向钢筋上, 基材中的钢筋能够有效限制混凝土的变形, 约束混凝土内部裂缝的产生与发展, 使混凝土处于两向或三向受压状态, 从而提高其极限抗拉承载力[2]。国外研究表明, 箍筋可以约束锚栓周围的混凝土, 减少裂缝的产生, 提高承载力。当混凝土配筋过多过密且植筋深度较小时, 可能会产生锥体受拉破坏, 此时, 会因钢筋的隔离作用而使得保护层先行脱落, 从而减小有效锚固深度, 降低承载力。对于无箍筋试件, 当存在裂缝时, 裂缝的宽度对于粘结强度有明显影响, 而相对保护层越厚, 相同裂缝宽度粘结力下降越显著[3]。当保护层厚度大于20 mm时, 钢筋的挤扭作用已不能扭劈试件, 以钢筋的拔出为主要破坏形式, 因此一定厚度的保护层有利于提高植筋试件的承载力。但在满足工程习惯和构造要求时, 保护层对承载力的影响相对较小。

2 钢筋

2.1 钢筋直径与孔径

钢筋直径对抗拉承载力有明显影响, 一般情况下, 直径越大, 相对截面积越小, 不利于钢筋极限强度的发挥, 同等条件下, 直径越小, 越有利于钢筋极限强度的发挥, 在小直径钢筋能满足要求的情况下, 尽可能选用小直径钢筋, 工程中, 用于植筋连接的钢筋直径不宜小于8 mm, 也不宜大于30 mm。钻孔直径的大小对于注胶以及连接的施工质量也有明显的影响。植筋锚固性能影响因素的试验研究表明:孔径增大, 极限抗拔力增大, 但孔径增大到一定界限后, 极限抗拔力不再上升, 随着D/d的增大, 平均剪应力减小[3]。实际工程中孔径可按表1进行选取。

2.2 埋深

植筋的埋置深度在很大程度上影响试件的破坏形态, 埋深较小时 (6d～8d) , 往往发生锥体破坏或拔出破坏;当埋深达8d～10d时, 一般为复合型破坏;当埋深大于15d时为钢筋拉断破坏。同济大学熊学玉等人的试验研究表明, 在一定范围内随着埋深的增加, 植筋的极限承载力有提高的趋势, 但超过一定的深度 (基本锚固长度) 后, 埋深对于植筋极限承载力的影响已经很小[4]。对于化学植筋, 国内不少锚栓厂商建议的埋深为10d, 但许多试验研究表明埋深为10d时的破坏不一定为钢筋拉断破坏, 同济大学陆洲导等人的试验研究表明, 随着埋深的增加, 钢筋的屈服荷载有明显提高, 当埋深为10d时, 承载力约为钢筋极限强度的90%, 当埋深为15d时, 基本可以保证钢筋屈服。因此, 建议在工程中至少应满足15d的埋深, 对于设防烈度较高的地区, 应适当增加埋深以确保锚固要求。

2.3 群筋效应

目前, 对于植筋的研究还多集中于单根锚栓的受力性能, 但是工程实际中, 几乎都属于群筋受力, 群锚时锚栓的间距与边距对于承载力的影响很大, 间距过小, 表面混凝土的破坏锥体可能会发生重叠, 从而降低承载力, 边距过小会导致混凝土的劈裂破坏。群筋的间距随着埋深的增加, 对于承载力的影响越来越小, 埋深较小时, 发生锥体破坏会导致锥体面的重合, 进而降低承载力;埋深适中, 往往发生混合型破坏, 由于上部的破坏锥体面会重合, 而导致群筋承载力中混凝土锥体部分的抗力减小;埋深足够大时, 一般发生钢筋颈缩断裂破坏, 此时, 群筋的锚固效果等同于预埋的钢筋群, 其承载力与间距无关。我国的《后锚固规程》规定最小边距为5d, 最小间距为5d。Eligehausen针对化学锚栓, 提出了相应的边距、间距影响系数:

$\psi {}_{c,{\rm N}}=0.7+0.3\frac{c}{8d}\le 1$ (5)

$\psi {}_{s,{\rm N}}=0.7+0.3\frac{s}{16d}\le 1$ (6)

其中, ψc, N为边距影响系数;ψs, N为间距影响系数;c为最小边距, mm;s为锚栓间距, mm。

3 结语

1) 混凝土强度对发生锥体破坏时的承载力影响较大, 但对于复合型破坏, 其对承载力的影响较小。2) 基材配筋能在一定程度上提高抗拉承载力, 但配筋过多过密, 会使得保护层先行脱落, 降低承载力。3) 锚栓的直径不宜过大, 应控制锚栓直径为8 mm～30 mm;为了保证施工质量应根据锚栓直径合理选择孔径。锚栓的埋深应以钢材破坏为控制标准, 建议埋深不宜小于15d。4) 对于群筋, 当不满足临界边距与间距时, 承载力计算公式可乘以式 (5) , 式 (6) 的影响系数, 来考虑其对承载力的影响。

摘要：通过总结国内外对于植筋、粘结锚栓等后锚固连接的研究成果, 探讨了埋深、间距、钢筋直径、群锚效应等因素对于植筋试件承载力的影响, 针对不同的影响因素, 提出了相应的设计建议, 为工程实践积累经验。

关键词：化学植筋,承载力,影响因素

参考文献

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[2]袁廷朋, 陆洲导, 邴涛.后锚固化学植筋受拉承载力计算及设计[J].结构工程师, 2007 (4) :97-100.

[3]刘红阳.影响植筋粘结锚固性能主要因素的试验研究[J].山西建筑, 2006, 32 (7) :148-149.

[4]熊学玉, 许立新, 胡家智.化学植筋的拉拔试验研究[J].建筑技术, 2000, 31 (6) :383-384.

槽型加强梁承载力分析 篇6

试验方法, 有限元法, 解析方法是用于研究薄壁结构屈曲和后屈曲问题的主要方法。薄壁结构的屈曲和后屈曲问题的求解往往涉及复杂的几何非线性和材料非线性, 并且计算结果对于缺陷非常敏感, 因而薄壁结构后屈曲特性的研究是很困难的, 已有的相关研究也比较少见。

但是我们知道理论分析往往针对规则的结构, 而不规则的结构因为应力函数与位形函数的假定是比较困难和复杂的, 所以国内外有关不规则板件的理论分析是比较少的, 于是只好经常采用近似求解的数值方法。

理论计算

平板受到中面荷载等于临界载荷时, 板既可能保持在原先的平面位置, 也可能在新的微弯状态下保持平衡。这是板在临界状态的标志。所以, 想要确定板的临界载荷, 必须分析在中面载荷作用下板的平衡。

由随遇平衡概念导出中面力作用下板的屈曲微分方程如下所示:

单向均匀受压四边简支板件屈曲时的平衡微分方程可由上式简化如下:

其中:a为板长;b为板宽;m为板在纵向半波数, 大小随长宽比a/b变;n为板在横向半波数, 板在横向总是呈单个半波即n=1。

相应得到临界力可表示成:

当边界条件改变时屈曲系数k的数值也将改变, 在工程上对于屈曲应力的处理可以更简化, 即将屈曲应力表示如:

其中K为稳定系数。

示例:试验件采用的是7475铝合金, 根据相关资料得到7475铝合金材料属性见表1。根据试验件结构尺寸 (见表2) 建立的模型如图1所示。边界条件为一端固定一端限制面外位移, 载荷施加位置如图1中所示。根据上文中介绍以及相关参考资料提供的求解方法, 求得在该集中力作用下, 金属薄壁梁的屈曲临界载荷以及极限载荷。

对于槽型梁的屈曲临界应力计算可表示为:

得到槽型梁的屈曲临界载荷和极限载荷见表3。

仿真分析

根据设置的条件仿真计算得到如图2的一阶屈曲模态时位移云图, 可以得到该结构的初始屈曲载荷为16646N。由图2我们可以看出腹板中间部位呈现出由于剪切应力产生呈对角形式的变形, 上缘条中部和中间三块筋条出现不同程度的受压引起的弯曲变形。特征值屈曲分析的屈曲载荷值比理论计算值要大。

试验

本文中试验环境为常温常态下进行的。试验采用两个作动器加载, 实现控制在中心腹板受到弯矩和剪切力的大小。试验装配后如图3所示, 试验加载采用分级加载的方式, 首先进行预加载, 预加载时加载梯度是设计载荷的10%, 当加载到30%时卸载, 然后加载到67%再卸载, 这样可以减少各个元件中的缝隙等原因产生的误差, 可以根据测量结果与仿真的结果对比初步预测试验的可靠性。最后在设计载荷的0~80%过程中以设计载荷的5%为梯度加载, 在设计载荷的80%~100%过程中以设计载荷的2%为梯度加载, 超过100%设计载荷后以设计载荷的5%为梯度加载直至破坏。

汇总理论结果、仿真结果和试验结果的屈曲载荷和极限载荷数据得到表4, 根据表4表明:理论计算得到的值均比试验值小, 其中理论屈曲载荷值比试验屈曲载荷值小10.4%, 理论极限载荷值比试验极限载荷值小16.3%, 说明理论计算得到的结果偏保守。仿真计算得到的屈曲载荷值比试验屈曲载荷值大4.8%, 仿真计算得到的极限载荷值比试验极限载荷值小12.1%, 说明仿真结果能为实际试验提供参考。

对比有限元仿真得到结构整体的破坏形式和试验得到结构整体的破坏形式得到如下结论: (1) 结构试验整体最终破坏的形式与仿真得到的整体破坏形式基本相同; (2) 有限元仿真和试验结果都显示了结构在上缘条中部偏左的区域变形最大, 是结构破坏的区域; (3) 有限元仿真和试验结果显示结构腹板中部有较大的面外位移。

小结

CFG桩复合地基承载力分析 篇7

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的缩写, 即是由石屑、碎石、砂、粉煤灰、水泥等建筑材料加水拌和, 起初采用振动沉管成孔, 目前较常采用长螺旋工艺成孔, 桩身强度一般在C15~C30之间的可变强度桩。由于其具有施工速度快、质量容易控制、工期较短、环境影响较小、成本较低廉等优点, 目前在我国, CFG桩被大量的应用于多层、高层, 甚至超高层建筑的复合地基处理中。当前已经成为应用普遍、技术成熟、经济效益和社会效益较高的一种地基处理施工工艺。

复合地基与单纯的桩基不同, 它是在现有土体中, 通过各种工艺植入刚性、半刚性或柔性增强体, 与有待处理土体相比, 增强体一般具有较高的强度, 同时增强体自身可与桩周围土体发生化学变化, 起到置换、固结作用, 增强桩周围土体的承载力, 此外, 个别挤密或半挤密的复合地基施工工艺, 在增强体施工的同时, 能起到对桩间土挤密的效果, 变相提高了桩间土的强度。

CFG桩属于典型的复合地基, 通过水泥、粉煤灰、水等胶结材料, 将石屑、碎石和砂等骨粒材料胶结成为拌合体, 在尚未凝固之前浇灌至成孔中, 拌合体在自身凝固强度提高的同时, 胶结材料也与周围土体发生作用, 增强周围土体的强度, 待桩身强度达到设计要求时, 在土中形成竖向增强体。CFG桩属于复合地基, 桩体与桩间土共同承担上部荷载, 由于建筑产生沉降, 桩体和桩间土体的变形模量不同, 设置褥垫层是非常必要的, 设置褥垫层可以调整基底应力分布, 充分发挥桩间土的承载力作用, 减轻桩体负担, 一定意义上讲节约了造价。

CFG桩桩径从400 mm~600 mm不等, 桩长也从几米至20多米不等, 由于其是半刚性桩, 桩体压缩变形相对于刚性桩一般较大, 可以使桩长全范围内发挥侧摩阻力, 能较高的提高复合地基承载力值, 据有关资料统计, CFG桩桩体一般能承担总荷载的40%~75%, 这是一般柔性桩或半刚性桩难以达到的。

1 CFG桩复合地基承载力

1.1 CFG复合地基承载力的计算

CFG桩复合地基承载力特征值按照规范要求应当采用复合地基静载荷试验确定。新版的《建筑地基处理技术规范》 (2012版) 第7.1.5条规定CFG桩复合地基承载力设计时, 可以采用式 (1) 进行计算:

与2002版《建筑地基处理技术规范》相比较, 式 (1) 增加了单桩承载力发挥系数λ, 规范要求其取值按相关地区经验, 同时规范也给出在无相关地区经验时的取值范围, 一般取0.8~0.9, 这与2002版规范相比, 明显是降低了CFG桩单桩承载力的特征值, 在m和Ap不变的条件下, 相对于新版的2012规范将CFG桩单桩竖向承载力特征值降低为原2002版规范的80%~90%, 从设计的角度来讲更偏于保守;同时新版规范将桩间土承载力折减系数β改为桩间土承载力发挥系数, 原2002版规范提供的取值范围为0.75~0.95, 新版2012规范提供的取值范围为0.9~1.0, 相比较而言是提高了桩间土分担复合地基荷载的比例。整个公式整体上的思路是降低了CFG桩单桩承载力特征值而提高了桩间土的承载力发挥。

可见通过多年CFG桩的工程实际应用, 技术已经达到成熟, 新版规范提供的设计思路是增强对桩间土的利用, 而降低对单桩承载力的要求。同时这也反映出近年来在CFG桩使用过程中发现的问题, 例如桩身强度在有些工程项目中成为制约复合地基的一个主要因素, 有的工程项目将单桩承载力特征值设计的很高, 实际受力过程中, 未必能够达到。再如在CFG桩身施工过程中, 难免在个别施工中发生缩颈、夹泥、离析等现象, 在桩头剔凿过程中, 难免对下部桩身产生破坏, 单桩承载力特征值不一定能完全按照设计计算发挥出来, 故新版的规范引入了桩体单桩承载力发挥系数λ<1。

1.2 CFG单桩承载力的计算

新版2012规范, 复合地基承载力计算公式中Ra, 即单桩承载力仍沿用旧版规范公式, 如式 (2) 所示:

与2002版《建筑地基处理技术规范》相比较, 式 (2) 增加了端阻力发挥系数αp, 但同时建议在无地区经验时可按1.0取值, 这相当于同旧版2002规范没有区别。

1.3 新版规范的改进

新的2012规范在CFG桩复合地基承载力计算公式的改进, 主要是增加了多个地区经验性系数, 例如λ, β, αp, 这既考虑到在全国范围内应用CFG桩, 又考虑了地区与地区的差异性, 可以说同2002旧版规范相比较, 计算公式更加成熟, 更加先进。同时新公式对小于1的λ的引入和β取值范围的提高, 说明我们以前的CFG桩设计更偏重于依靠单桩承载力来提高复合地基承载力, 而忽略了充分发挥桩间土的作用, 桩间土作为必不可少的一部分, 其发挥程度越高, 则需要的单桩承载力就越低, 经济效益更加明显。桩端承载力发挥系数αp的引入, 虽然建议计算时取值为1.0, 但它的引入为今后研究桩端承载力发挥和地区经验的积累提供了一个载体, 相信在将来更新版的规范中, 将对其做出更加具体的规定。

2 工程实例

2.1 工程概况

某工程项目位于岸边一级阶地, 现场主要是以粉土和砂土为主:

第①层粉土层厚5.20 m~11.90 m, 平均厚度8.45 m, 侧摩阻力特征值为24 k Pa, 天然地基承载力特征值为150 k Pa。

第②层粉土层厚2.50 m~6.60 m, 平均厚度3.90 m, 侧摩阻力特征值为30 k Pa, 端阻力特征值为400 k Pa。

第③层中砂层, 层厚2.90 m~9.30 m, 侧摩阻力特征值为32 k Pa, 端阻力特征值为500 k Pa。

本工程地基处理采用CFG桩复合地基, 桩径400 mm, 桩长12.0 m, 桩距1.2 m, 正方形布置, 要求CFG桩复合地基承载力特征值达到370 k Pa, CFG桩单桩承载力特征值达到380 k N。

2.2 试验情况

考虑到本工程的特点结合新版的《建筑积极处理技术规范》, 本工程CFG桩施工完成后, 共进行了10组复合地基承载力检测, 20根单桩承载力检测, 检测均按照相关要求采用慢速维持荷载法, 检测结果见表1, 表2。

根据上述表1试验结果, 20根试验桩的单桩竖向抗压极限承载力平均值为832 k N, 极差为90 k N, 取平均值832 k N为试验桩的单桩竖向抗压极限承载力统计值。相应的承载力特征值为416 k N。

根据上述表2试验结果, 10组单桩复合地基承载力特征值的平均值为415 k Pa, 极差为0 k Pa, 取415 k Pa为本工程CFG桩复合地基承载力特征值。

2.3 结论

依据试验结果, 本工程CFG桩复合地基承载力和CFG桩单桩承载力均达到设计要求。由于将来CFG桩实际受力情况为复合地基受力, 故以其复合地基承载力特征值作为主要依据。

依据2002旧版规范计算, 先不考虑侧阻力和端阻力数值, 将由CFG桩复合地基静载荷试验确定的承载力特征值415 k Pa代入式 (1) , 其中λ取折中0.85, β取折中0.95, 反算出理论计算的CFG单桩承载力特征值为483 k N。

根据其侧阻力和端阻力, 以及桩顶标高、桩径、桩长, 根据规范式 (2) 计算出, CFG桩单桩承载力特征值约为464 k N。

本工程实际进行的20组CFG桩单桩静载荷试验所得的单桩承载力特征值为416 k N。

根据上述结果可知, 根据CFG桩复合地基承载力试验结果所推算出来的CFG桩单桩承载力特征值最大, 根据桩体侧阻力和端阻力数值计算出的CFG桩单桩承载力特征值居中, 现场的CFG单桩静载荷试验所得出的单桩承载力最小, 当然, 由于前2个数值均属于计算值, 我们肯定要以现场试验数据为准。

现场CFG单桩静载荷试验数据为416 k N, 小于旧版规范, 根据CFG桩复合地基承载力结果反算的483 k N和464 k N这一点来看, 这正是新版规范引入单桩承载力发挥系数λ的原因, 也就是说CFG桩单桩的承载力并不能在复合地基中完全地发挥出来, 存在一定的折减, 折减系数就是新规范中的这个单桩承载力发挥系数λ。

通过理论计算CFG桩单桩承载力特征值一个为483 k N, 一个为464 k N, 分别用现场实际静载荷试验结果416 k N去比, 得出的比值分别为0.859~0.894, 这正好又处于规范给定的无地区经验时λ的取值, 即0.8~0.9之间, 本工程实际情况与规范非常符合, 这进一步说明新版规范引入λ的必要性和其取值范围的严谨性。

3 结语

1) CFG桩作为复合地基应用越来越广泛, 其技术和工艺越来越趋于成熟和完善, 其理论计算公式正逐步趋于完善。

2) 新版规范对CFG桩复合地基承载力计算公式中引入单桩承载力发挥系数λ是非常必要的, 是在积累大量CFG桩复合地基承载力应用工程的基础上科学的提出的, 其取值范围也是在大量工程实践经验的基础上得出的, 范围很严谨。

3) 新版规范对CFG桩复合地基承载力的计算公式各经验系数的引入, 增加了不同地区使用的灵活性。从计算公式调整可以看出, 新的计算方法将更多地考虑桩间土的作用而适当减低对单桩承载力的要求, 从经济效益上讲是非常合理的。

4) 新版规范在式 (2) 中引入端阻力发挥系数αp, 虽然规定其计算时仍按1.0取值, 但是该系数的引入, 对今后规范的调整方向做出了指导, 同时也为我们在今后CFG桩复合地基工程经验积累方面提供了方向。

摘要：简要的介绍了CFG桩的受力性能, 对新版2012《建筑地基处理技术规范》中关于CFG桩复合地基承载力计算公式的修改进行简要的分析, 并通过某工程试验数据, 对其修改的必要性和严谨性进行了验证, 对今后CFG桩复合地基承载力研究有一定意义。

关键词：CFG桩,复合地基承载力,单桩承载力

参考文献

[1]李勇, 武志平, 周超.CFG桩成桩方法实验研究[J].市政技术, 2009 (7) :51-52.

[2]徐峰.在工程中CFG桩复合地基的设计[J].山西建筑, 2009, 35 (28) :84-85.

[3]田安达.CFG桩在处理软土地基中的应用[J].北方交通, 2009 (7) :20-21.

输电塔架结构的极限承载力分析 篇8

关键词：输电塔架,有限元模型,非线性分析,极限承载力

1 引言

输电塔架是一种重要的生命线电力工程设施。随着电压等级不断提高,输电线路塔架的高度和档距也随之增加,输电塔架所受到的风荷载越来越大,而对于输电塔架而言,除了自重及导地线荷载之外,风荷载是结构最重要的外荷载。尤其对直线塔而言,风荷载在所有荷载组成中所占的比重更大,因此对输电塔结构在风荷载作用下结构的极限承载力深入研究显得尤为重要,这样才能更加准确地确定结构安全储备值,这也直接影响着输电线路的安全性和经济性。作者选取了西宁地区一座330kv紧凑型输电塔架为实例模型,利用有限元分析软件ANSYS对其极限承载力进行分析,并描述了塔架在超载情况下结构的破坏过程。

2 实例输电塔架模型参数

在本文研究过程中,选取吉林地区一座单回路330k V紧凑型直线塔作为实例模型来研究输电塔架。该塔呼称高41m,总高44m,其三相导线呈倒三角形排列,单线图及几何尺寸如图1所示。

3 实例输电塔架的有限元计算模型

1)ANSYS程序中的有限元模型

采用ANSYS有限元分析软件建立实例塔架的桁梁混合有限元力学模型,其中空间单元采用Beam188单元模拟,空间杆单元采用Link8模拟。模型中弦杆和主腹杆取为空间梁单元,次辅杆取为空间杆单元,没有删除任何辅助杆件,其中梁单元的截面方向严格按照设计施工图中的布置来建模。该模型共用了616个节点和1454个单元,其中杆单元583个,梁单元871个。

分析时考虑了几何非线性和材料非线性。材料采用Q235钢和Q345钢,计算时两种钢材均采用了材性试验实测的材料弹性模值E和屈服强度值(E=2.06×105MPa,fy=235MPa,fu=375MPa;E=2.06×105MPa,fy=345MPa,fu=510MPa),材料假定为弹塑性材料,服从Von-Mises屈服准则,材料塑性按多线性等向强化考虑(如图2、图3所示),将牛顿-拉斐逊(Newton-Raphson)和线性搜索技术(Line Search)、应用预测(Predictor)自适应下降(Adaptive Descent)等加速收敛技术有机结合,建立非线性平衡求解方法。收敛准则为位移及不平衡节点力收效准则。

2)加载方法

为了计算塔架的整体稳定承载力,本模型采用增量加载方式,在设计荷载的基础上继续在各个加载点上施加荷载,所有加载节点Z方向的荷载保持不变,X,Y方向的荷载以线性方式按比例增加,直到铁塔破坏,程序无法收敛为止。这时候结构所能承担的最大荷载即可认为是塔架的稳定极限荷载,它以设计荷载的倍数形式出现。即为n·Pd,n为荷载倍数,Pd为设计荷载。

4 有限元计算结果及分析

1)塔架顶点全过程位移分析

mm

从图4中可以看出,结构的顶点荷载步-位移曲线与前面定义的钢材应力应变曲线很相似。结构在不断增加的荷载作用下,表现出明显的弹性和塑性性质。

仔细分析发现,结构在荷载步2.98Pd作用以前,荷载与位移基本上成一条直线,结构由此可分为弹性和屈服阶段。

弹性阶段从荷载步0Pd~2.98Pd,在这个阶段,荷载与变形基本成正比变化,符合虎克定律,在图中近似表现为一条斜直线。从后面的主材受力可以看出,结构的杆件没有发生屈服,可以认为结构在2.98Pd荷载步是达到整体弹性荷载。

屈服阶段从荷载步2.98Pd~3.11Pd,在这个阶段,作用在结构上的荷载与变形不成正比变化,位移在小增量荷载作用下迅速变大,结构的塑性性质非常明显。从主材受力表(见表2)可以看出,塔架的某些杆件已经达到或超过屈服强度,当达到3.11Pd时,计算已不能收敛,说明结构的整体刚度发生变化,结构整体丧失稳定承载力而破坏。

因此,可以认为塔架结构在该荷载工况下的极限承载力为3.11Pd,此时顶点的总位移为0.91m。

2)塔架强度破坏与塑性变形全过程描述

从受拉应力、应变表(见表2、表3)可以看出:

在荷载步2.98Pd时,受拉主材没有出现超过材料屈服应力的情况。此时的最大拉应力为330.2MPa。

在荷载步2.99Pd时,杆件263和杆件264的应力超过材料屈服应力,分别为347.8MPa、346.9MPa。同时,它们依次出现塑性变形,最大塑性应变出现在杆件263处,应变值为4.0e-5。

在荷载步3.10Pd时,大部分受拉主材的应力超过材料屈服应力,最大值为357.9MPa,出现在杆件263处。同时,有更多受拉主材出现塑性应变,最大塑性应变杆件仍然是263,应变值为4.6e-3。

在荷载步3.11Pd时,下曲臂以下几乎所有受拉主材的应力超过屈服应力,最大应力值为365.4MPa,出现在杆件264处。此时,几乎所有的受拉主材也出现了塑性应变,最大塑性应变值为2.0e-2,出现在263和264处。

由此可知,在该荷载工况下,杆件263和264是受拉主材中最危险杆件。

从受压应力、应变表(见表4、表5)可以看出:

在荷载步2.98Pd时,受压主材没有出现超过材料屈服应力的情况,结构处于完全弹性工作阶段。此时的最大压应力为340MPa。

在荷载步2.99Pd时,杆件271和272的应力超过材料屈服应力,分别为351.4MPa和350.3MPa,并且产生了塑性应变,其值分别为-4.1e-4和-3.6e-4,说明这两根杆件已开始失稳。此时结构的整体刚度发生变化,但由于考虑了几何非线性,结构模型仍然能够继续计算。

在荷载步3.10Pd时,有越来越多杆件的应力超过材料的屈服应力并进入塑性阶段,最大的应力366.2MPa,最大的塑性应变为-2.0e-2,发生的杆件为271,和其刚开始失稳时的塑性应变相比,其值约增大了200倍。

在结构破坏荷载3.11Pd时,下曲臂以下的几乎所有受拉主材超过屈服应力和出现塑性应变,此时还是271杆件的应力和塑性应变最大,分别为370.4MPa和-3.2e-2。同时杆件开始失稳破坏,导致结构整体刚度出现奇异,结构在下一个荷载步中结构整体失稳破坏,计算无法收敛。

5 结语

通过对塔架结构在0°大风工况下的几何、材料双重非线性有限元分析,得到:

1)结构的极限荷载为3.11Pd(Pd为正常设计荷载);

2)塔架结构在正常设计荷载下,结构的荷载为一曲线满足线性关系,在超载3.10Pd,3.11Pd倍的情况下也近似满足线性关系,说明塔架具有较高的强度储备和结构刚度。

参考文献

【1】杨万里,鲍务均,龙小乐.输电杆塔结构的非线性有限元分析.湖北电力[J].1999,23(3):25-27.

【2】秦荣.工程结构非线性[M].北京:科学出版社,2006.

【3】韩庆华,潘延东,刘锡良.焊接空心球节点的拉压极限承载力分析[J].土木工程学报,2003,36(10):1-6.

【4】胡大柱,李宏男,贾连光.地震作用下输电铁塔非线性动力反应分析[J].沈阳建筑下程学院学报,2004,20(2):94-96.

碎石桩承载力影响因素的层次分析 篇9

近年来, 地基处理技术得到了长足的发展, 出现了如塑料排水板的预压法、强夯法、振冲法、置换法、水泥深层搅拌法等有效的地基处理方法, 并形成了复合地基的新概念[1]。但由于其施工工期短, 投资相对少及施工技术欠缺等条件的限制, 可用在港口及码头的地基处理的方法和技术手段相对较少。并且其建筑物的荷载由碎石桩和周围密实的土体共同承担, 从而提高了原地基土体的承载力和稳定性等, 振冲碎石桩改善松散砂石类地基工程性态的机理, 是振挤密实、排水减压、预振效应和加筋效应作用[2]。振冲碎石桩适用于砂土、粉土、粘性土、以及软土等土质, 也可用于处理可液化地基。

2 层次分析方法

该方法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于本世纪70年代初, 在为美国国防部研究“根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题时, 应用网络系统理论和多目标综合评价方法, 提出的一种层次权重决策分析方法。

所谓层次分析法, 是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统, 将目标分解为多个目标或准则, 进而分解为多指标 (或准则、约束) 的若干层次, 通过定性指标量化方法算出层次单排序 (权数) 和总排序, 以作为目标 (多指标) 、多方案优化决策的系统方法[3]。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上, 利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化, 从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。尤其适合于对决策结果难于直接准确计量的场合。

2.1 建立层次分析法模型

确定等级值集并赋值。等级值集是由可能的各种重要性的等级所组成的集合, 用V来表示。V= (V1, V2, …, Vm)

其中:Vm (m=1, 2, …, m) 表示不同的重要性的等级程度。本文中碎石桩的单桩承载力研究分为5个等级, 也即是V=5, V= (非常重要, 重要, 一般, 有点重要, 不重要) 。

2.2 建立影响因素集

用U表示, 其中:Un (n=1, 2, …, n) 表示评价指标, n为数值个数。

2.3 建立关系矩阵

即建立从U到V的关系式子R, 然后再计算Rpm。

上面公式中:Rpm表示第p个因素的第m个指标所对应的权重值;

由上式Rpm得出得出关系矩阵R:

2.4 建立权重集

本文中采用各层分析法确定各个指标的权重值, 即A= (A1, A2…An) , 这样就可以推出不同因素的影响的大小关系。其中:A1, A2…An分别为对应的评价的指标的权重值。

2.5 一致性检验

为进行判断矩阵的一致性检验, 需计算一致性指标, 平均随机一致性指标RI。它是用随机的方法构造50个样本矩阵, 构造方法是随机地用标度以及它们的倒数填满样本矩阵的上三角各项, 主对角线各项数值始终为1, 对应转置位置项则采用上述对应位置随机数的倒数。然后对各个随机样本矩阵计算其一致性指标值, 对这些CI值平均即得到平均随机一致性指标RI值[4]。当随机一致性比率时, 认为层次分析排序的结果有满意的一致性, 即权系数的分配是合理的;否则, 要调整判断矩阵的元素取值, 重新分配权系数的值。

3 算例

大连市某码头项目, 其位于大连市长海县北部海域港湾内。海区水深适宜, 无泥沙运动, 是建设中小型码头的优良港址。本工程防波堤兼码头采用直立式沉箱结构, 所处地基为软基, 地基用振冲碎石桩打至中风化片麻岩。由于碎石桩的影响因素很多, 但主次关系无法判断出来, 所以文章中采用层次分析方法研究碎石桩单桩承载力的影响因素的主次关系问题。

确定等级值集并且赋值:

等级值集为V= (V1, V2, V3, V4, V5) =[非常重要, 重要, 一般, 有点重要, 不重要]= (9, 7, 5, 3, 1) , 指标因素等级介于两个等级之间的, 应值为2, 4, 6, 8。

确定因素集:

因素集U= (U1, U2, U3) ={持力层, 桩径, 桩身夯实密度}。

子因素集U1= (U11, U12, U13, U14) ={土层物理性质, 荷载性质及大小, 上层建筑物结构类型, 桩层摩阻力}, U2= (U21, U22) = (碎石与土的比例, 锤击能量) , U3= (U31, U32, U33) = (荷载设计, 桩长, 施工工艺) 。

根据50位设计以及施工人员对因素集合U1={土层物理性质, 荷载性质及大小, 上层建筑物结构类型, 桩层摩阻力}的重要性判断结果列出表1 (单位:人数) 。

由于我们的U1, U2, U3为一级指标因子权重, 我们采用层次分析的方法求出指标权重。构造判断矩阵如表2。

应用matlab计算判断矩阵R的最大特征根得λmax=3.1171

平均随机一致性指标RI=1.24。随机一致性比率:

所以认为层次分析排序的结果是有满意的一致性的, 即权系数的分配是合理的。

其对应的特征向量为: (0.1783, 0.7521, 0.6344)

则其归一化后的特征向量: (0.1562, 0.6587, 0.1851)

从上面图表中看出U1, U2, U3所对应的权重即:持力层选取、桩身夯实密实度、桩径分别为0.1562、0.6587、0.1851。

同理可以分别得出:

U1的子因数集权重A1= (0.263, 0.171, 0.358, 0.208) = (荷载性质及大小, 上层建筑物的结构类型, 土层物理性质, 桩侧摩阻力)

U2的子因数集权重A2= (0.429, 0.571) = (锤击能量, 碎石与土的比例)

U3的子因数集权重A3= (0.331, 0.243, 0.426) = (荷载设计, 施工技术, 桩长)

确定不同因素的大小关系, 即重要性程度:

我们得出在一层一级指标因子权重:桩身夯实密实度>桩径>持力层选取;

二层指标因子权重U1:土层物理性质>荷载性质及大小>桩侧摩阻力>上层建筑物的结构类型;

U2:碎石与土的比例>锤击能量;

U3:桩长>荷载设计>施工技术。

4 结论

(1) 对于权重的确定, 目前多是由专家凭经验而得出, 人为干扰较严重, 导致评判的结果有一定的差别。文中在综合评价中采用层次分析法确定权重。此方法具有一定的逻辑性、实用性和系统性。并且能够准确的得出各个评价指标的权系数。

(2) 该模型建立符合我们的工程实际的情形, 有利于促进对一些实际工程的问题的研究, 并对已有的因素进行最优整合, 从而促进在以后的实际工程中研究;模型求解的简便, 有较好的推广价值。

(3) 但是, 其中的一些参数的取值应更仔细的研究, 其构成要素之间还存在着相互作用的关系, 对这方面还有待于进一步的研究和探讨。

参考文献

[1]何广讷.振冲碎石桩复合地基[M].北京:人民交通出版社, 2001.

[2]陈自荣.振冲碎石桩在山东石岛中心渔港工程中的应用.水运工程.2010年9月.

[3]赵静.数学建模与数学实验.北京:高等教育出版社, 2000.