结构承载力（精选十篇）
结构承载力 篇1
通过对桥梁的全面检测,系统地收集当前桥梁技术数据,积累技术资料,为充实桥梁数据库、加强桥梁科学管理和提高桥梁技术水平提供必要条件;通过合理设计检测的方法,辅以布设长期监测设备,逐步建立桥梁健康监测系统,确保桥梁长期安全运营,以发挥其最佳经济效益和社会效益。
1 现行桥梁承载力评定方法
目前对于桥梁承载力的评定可分为4类:病害调查经验评定法,综合分析法,分析计算法,荷载试验法。
1.1 病害调查经验评定法
这一方法的主要依据是JTJ 073-96公路养护技术规范。在桥梁检查的基础上,通过对桥梁的技术状况及缺陷和损伤的性质、部位、严重程度和发展趋势的调查,弄清出现缺陷和损伤的主要原因,分析和评价既存缺陷及损伤对桥梁质量和使用承载能力的影响,并为桥梁维修和设计提供可靠的技术数据和依据。这种方法要求现场检查人员必须具有丰富的工程经验和专业知识。
1.2 综合分析法
此方法是在桥梁检查的基础上,采用无破损方式测定混凝土强度、混凝土碳化深度、混凝土氯离子含量、混凝土电阻率、钢筋混凝土保护层厚度和结构混凝土中钢筋锈蚀状况,进行折减后的结构承载力验算,综合分析计算结果和结构裂缝等外观条件,评定结构材料状况。
1.3 分析计算法
首先对被检定的桥梁结构进行检查(收集资料、现状检查、材质与地基的检验等),然后将检查所得的有关资料和检验测量结果,运用桥梁结构计算理论及有关的经验系数进行分析计算,从而评定出桥梁的安全承载能力。
随着计算机技术特别是钢筋混凝土有限元理论的发展,有限元计算法引起了各国学者的重视。编制有限元计算程序或采用通用的有限元分析软件,用计算机模拟实际桥梁的荷载试验,计算桥梁的实际承载力,评定步骤如下:1)桥梁调查;2)确定加载形式并划分单元;3)分级加载计算;4)评定承载力。
1.4 荷载试验法
桥梁结构荷载试验是对桥梁结构物工作状态进行直接测试的一种检定手段,是对桥梁结构性能最直观、最可靠的检测方法。按施加荷载的类型可分为静载试验和动载试验,我国在这方面有成熟的方法和标准。桥梁结构静载试验是按照桥梁的设计荷载等级,根据荷载的最不利位置布置静载,或者根据桥梁结构的控制内力确定荷载及其位置,对桥梁结构进行加载,静载试验的加载量一般为设计荷载的0.8倍～1.0倍,试验前应先进行估算。
2 桥梁检测方法
1)静态检测方法。静力荷载试验就是将静止的荷载作用于桥梁上的指定位置,以便能够测试出结构的静应变、静位移以及裂缝等,从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力的试验。通过这些与桥梁工作性能有关的参数,可以分析得出结构的强度、刚度及抗裂性能,据此判断桥梁的承载能力。
2)动态检测方法。动力荷载就是将行驶的汽车荷载或其他动力荷载作用于桥梁结构上,来测出结构的动力特性,从而判断出桥梁结构在动力荷载下受冲击和受振动影响的试验。其试验的目的在于测定结构的动力特性。
3 结构性能状况检测
3.1 基于动载试验的桥梁结构状况检测
桥梁结构的动力特性是与结构的组成形式、刚度、质量分布和材料性质等结构本身的固有性质有关,而与荷载等其他条件无关的性质。桥梁的模态参数是整个结构振动系统的基本特性,它是进行结构动力分析所需的参数,其结果不仅可以用来分析结构动载作用下的受力情况,而且为桥梁承载力状况评定提供重要指标。
1)固有频率的测定。对于比较简单的结构,只需结构的一阶频率,对于较复杂的结构动力分析,还应考虑第二、第三及更高阶的频率。桥梁固有频率可以直接通过测试系统实测记录的功率谱图上的峰值、时域历程曲线等确定。由基频还可以推算承重结构的动刚度。
2)阻尼。桥梁结构的阻尼特性一般由对数衰减率或阻尼比来表示,可由时域信号中的振动衰减曲线求得。另外,也可以从功率谱图中用半功率带宽法来计算阻尼,一般测试系统软件均可完成此类分析。
3)振型。一般桥梁结构的基频是动力分析的重要参数。传感器测点的布置根据不同的结构形式,通过理论分析后确定。振型的测定一般采用两种方法,一种是使用多个传感器测定,另一种是使用一个传感器变换位置测量,这种情况下需要一个作用参考点,测试时比较繁琐。在条件限制时使用,一般应采取第一种方法测试。
4)冲击系数。冲击系数μ为冲击力与汽车荷载之比。对于线弹性状态下的结构来说,动荷载产生的荷载效应与静荷载产生的荷载效应之比即为1+μ。因此,冲击系数的测试通常采用测定结构动应变或动挠度的方法。测试前,在梁的跨中(或最大变位、应变处)布置电阻应变片式的位移计或应变计,并通过动态应变仪与电脑相接。试验时,由加载车辆以某一速度从测点驶过,记录其输出应变随时间变化的实时信号。一般情况下,应测试记录多种车速下的输出应变结果,以做分析比较。
3.2 基于人工神经网络的桥梁结构状况检测
现实中桥梁处于一个复杂的动态系统中,影响结构安全性、适用性及耐久性的因素多,各影响因素之间的关系也存在着大量的不确定性和模糊性。传统的桥梁结构评估方法不能很好地处理这些不确定性因素的影响,而人工神经网络方法却能实现从输入参数到输出参数之间的非线性映射,非常适合于非线性很强的混凝土桥梁结构损伤诊断。
1)人工神经网络。
人工神经网络(Artificial Neural Networks,ANN),一种模仿动物神经网络行为特征,进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度,通过调整内部大量节点之间相互连接的关系,从而达到处理信息的目的。人工神经网络是并行分布式系统,采用了与传统人工智能和信息处理技术完全不同的机理,克服了传统的基于逻辑符号的人工智能在处理直觉、非结构化信息方面的缺陷,具有自适应、自组织和实时学习的特点。
2)结构等级评估输入参数。
混凝土材料方面:a.截面损失程度:由于混凝土在空气中的碳化作用,碳化部分将不参加构件的工作,因此构件截面减小。此参数以混凝土碳化深度与构件实际尺寸的比值来衡量。b.混凝土强度损失程度:混凝土强度随时间而降低。此参数以混凝土强度下降程度来衡量。c.开裂程度:对大部分结构,允许在规定范围内带裂缝工作,但是裂缝的产生和扩展对结构的抗弯能力及钢筋的保护有很大影响。此参数用裂缝宽度可靠指标与允许可靠指标的比值来度量。动力特性方面:a.固有频率下降,由于长期运营,桥梁的固有频率、刚度随时间增加有逐渐减小的趋势,其竖向刚度降低较快;b.桥梁刚度下降,内部混凝土出现疲劳,产生了塑性变形,大大降低了桥梁刚度。
3)结构等级评估输出参数。通过人工神经网络系统的反
复训练,可以输出y值,根据《公路旧桥承载能力鉴定方法》(试行)中划分的4个等级来评估结构等级。y体现不同的破损程度,数值越小,破损程度越小。评估等级与y取值的对应关系:a.一级,0.00<y≤0.05,满足国家规范要求,不必采取任何措施;b.二级,0.05<y≤0.15,略低于国家规范要求,但不影响正常使用;c.三级,0.15<y≤0.35,不满足国家规范要求,影响正常使用,应采取维修加固措施;d.四级,0.35<y≤1.00,严重不满足国家规范要求,是危桥,须及时采取措施。
4 结语
桥梁检测是一项复杂而细致的工作,不仅要求工作人员有丰富的实际现场经验,而且同时需要坚实的理论基础作为指导。与此同时,新材料、新工艺、新结构形式的采用也越来越多,为了积累这方面的工程经验,我们有必要做一些检测工作。另外,对出现病害的桥梁也需要做鉴定以评价其安全指标。因此只有把理论和实际充分结合起来,再加上指挥者与各试验人员之间的默契配合,才能做好检测工作并取得满意的数据,也只有这样才有可能做出准确的评估。
参考文献
[1]李亚东.既有桥梁评估方法研究[J].铁道学报,1997(3):34-36.
[2]李荣均.桥梁结构检测及其承载力评定[D].北京:北方工业大学2,004.
[3]阎平凡,张长水.人工神经网络与模拟进化计算[M].北京:清华大学出版社2,000.
[4]徐犇.桥梁检测与维修加固百问[M].北京:人民交通出版社2,002.
结构承载力 篇2
摘 要：桥梁是公路交通运输的咽喉和枢纽，对公路交通运输起着越来越重要的作用。不仅拉动了国民经济的建设，而且推动了社会的稳步发展。任何一个桥梁都有其极限的承载能力和服役时间，随着服役时间的不断增长，桥梁的结构以及相关材料的性能在外界环境和内部因素的交互作用下将不可避免地发生劣化衰变，无法避免地出现承载力的下降，从而影响桥梁的安全工作。文章以桥梁结构为中心，因而需要对桥梁结构的承载力和安全性进行相关问题展开探讨。安全评价的重要内容是分析桥梁结构的整体安全性和控制截面的安全性。
关键词：桥梁结构；极限承载力；分析
随着国内经济的飞速发展，交通动输业也越来越繁荣。因此，对交通运输的咽喉―桥梁提出了更高的要求。桥梁是地面交通的枢纽，有着投资密集，技术难度大的特点。尽管在桥梁的设计和建造阶段能够保证工程质量，但是由于外部环境和材料老化等因素，桥梁结构的性能会逐渐下降。相对的承载能力也会降柢，影响桥梁的使用和安全，甚至由于承载力不足引发严重事故。因此，对桥梁结构的极限承载力有正确分析，对人民的生命财产安全和社会的发展都有十分重要的意义。
1 结构极限分析的相关理论
1.1 桥梁结构极限承载力的概念
传统的强度设计以构件最大工作应力乘以安全系数不大于材料的屈服应力为依据，一般情况下，构件某截面开始屈服（或者局部屈曲）并不代表结构完全破坏，结构所承受的荷载通常较构件开始屈服（或者局部屈曲）时的荷载为大，为了利用这一强度富裕度，提出了极限设计和极限荷载的概念。极限荷载即引起结构“完全崩溃”的荷载；极限设计将结构的工作荷载取为极限荷载的一个部分。所以说，结构的极限承载力是从“极限设计”的思想中引出的概念。
桥梁的极限承载力是指桥梁完全崩溃前所能承受外荷载的最大能力。其大小与以下因素有关：材料特性：极限强度、应力应变关系等；结构和构件的刚度及几何尺寸：面积、惯矩等；结构所处的状态：施工阶段、运营阶段等；结构承受的荷载形式：恒载、组合荷载等；荷载的加载路径。
也就是说，不同施工方法、不同荷载形式和加载路径，桥梁结构极限承载力不同，即极限承载力不是一个定值。
1.2 需要分析的主要问题
结构型性极限分析需要解�Q的问题主要有以下几个方面：
（1）结构塑性极限荷载的求解。塑性极限荷载是指结构丧失工作能力情况下的荷载，如果能够科学地计算工程的极限荷载，那么就可以明确各种情况下的安全情况，从而对结构进行科学的评估。
（2）在极限状态下，结构满足变形规律和机动条件，处理好这个问题对于抗震结构的设计有非常重要的意义。现在一般的结构设计通常只考虑结构的弹性工作阶段，在遇到地震等情况的时候才偶尔考虑结构的承载力。这种方式并没有将构材料的强度进行充分发挥，同时也导致了经济性较差。科学地分析塑性极限，不但可以将材料的性能充分发挥，而且可以起到降低成本的作用。
2 极限承载力与极限状态的关系
极限状态与极限的承载力是两个不同的概念，但是二者之间有十分密切的联系。极限状态是指在结构分析和设计中，需要明确规定结构状态的界限。这些界限包括：安全性、适用性、耐用性等方面。我们将这样的界限称为极限状态。也就是说，极限状态实际上是一个阈值，一旦超过了这个阈值，那么结构就会处在不安全或者不适用的状态。
结构的极限状态可以是客观规定的，也可以是由人为控制即相关专家论证给定的。在我国，结构的极取状态主要分为两种：正常使用极限状态以及承载能力极限状态。
极限状态与极限承载能力主要有以下几种关系：
（1）通常情况下，正常使用的极限状态都是在设计构件时需要考虑的方面。例如：设计混凝土弯构件时，既要保证构件的正截面和斜截面强度，又要保证控制构件的裂缝宽度和变形，使其在规范允许的范围内。
（2）在研究承载能力极限状态的过程中，极限承载力是重要的参考依据，二者既有区别又有联系：整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（一致）；结构或构件丧失稳定（有区别）；结构转变为机动体系（一致）；结构构件或其连接因材料强度被超过而破坏，或因过度的塑性变形而不适于继续承载。（基本一致）
（3）两者的研究方式不同，极限状态主要采用理论研究，而确定性的研究方式主要针对极限承载能力的研究。
3 极限承载力的研究方法及原理
3.1 物理的非线性研究方式
由于受力性能的非线性的影响，例如钢筋混凝土拱桥，混凝土的非线性及钢筋会产生较大屈服。这些变化会使结构力学特征发生改变，构件的截面刚度会呈现非线性的性能。因此，在构件过程中，需要不断修正结构的总刚度阵。
由于荷载的不断增加，会形成塑性铰。铰的形成原因是由于某个节点的内力不为增大，到一定程度后，位移增大，截面弯距不再增大，最终就形成了铰。铰的`形成会使桥梁结构发生改变，荷载增量要在结构中产生反应。
3.2 弹性补偿法
弹性补偿法是计算极限载荷的一种常用方法，这种方法广泛应用于安全评定工作中。通过弹性补偿法更能反映结构的真实状态，使材料的了载潜力得到充分的发挥。利用弹性有限分析的方法是有限元法经常使用的方式，调整单元的弹性模量，引起应力重分布，通过不断的迭代分析，使低应力单元的弹性模量不断增加，高应力单元的弹性模量不断减小。通过这种方式，最终可以模似结构塑料实效行为。
3.3 模量缩减法
弹性补偿法虽然是使用范围较广的一种方法，但是也有其局限性。对于体型较为简单同时使用材料对单一的工程结构比交适用。相反，对于体型较大并且材料比较复杂的结构的进行分析，这种方式就很难发挥作用。因此，另一种分析方法随之产生。这种应用与复杂结构分析工作中的方法称为模量缩减法。
结构模量需要调整的参数，将承载比均匀度进行定义：
在弹性模量调整过程中，dk会随着结构承载力分布的变化而变化。我们可以通过这个数值变化分析结构中单元承载比分布情况。
4 展望
笔者对桥梁结构进行了全面的分析，在对原有的分析方法进行研究的同时，也提出了一些新想法，希望通过大家的研究其可行性。
（1）对于预应力混凝土结构的分析，要从不同的角度进行全面的考虑。对这种结构进行分析时，需要采用分层法以材料的非线性的性能进行综合的考虑。另外，对于大跨径桥梁的结构，还需要对其本身的几何特性进行全面的考虑。在目前的计算中，虽然考虑了材料的非线性的性能，但是仍然采用线弹性理论进行结构计算。这种计算方式存在问题，彩用这用方工计算出来的极限承载力要比实际的承载力小，这就直接影响力材料的合理利用，一定程度上造成了材料的浪费。
（2）在混凝土的收缩和变化时间的分析方面，应该采用更加精确的分析方法，注意应力随时间的而变化。由于受时间的影响，钢筋会发生松驰，引起预��力的不足；混凝土在较长的时间变化中会发生现收缩。这些问题都需要考虑时间的变化因素。由于时间因素会在很大程度上影响混凝土的结构，因此应该划分多个时间段，进行逐步的增量计算。但是在目前计算过程中，为了计算的简便，常常忽略了对相关问题的深入思考。这样，很可能造成设计的承载力与实际的承载力产生误差，最终影响桥梁的有效利用。
（3）在预应力混凝土结构中，普通的钢筋会延迟混凝土裂缝产生的破坏效果，这就在一定程度上提升了结构的极限承载能力。在目前的计算过程中，通常为了简化计算，并没有将普通钢筋的影响因素纳入计算过程中。因此，这种计算得出的承载力的结果是偏于安全的。
5 结语
随着我国交通运输的快速发展，桥梁作为重要的运输基础其他位也越发重要。交通运输量的增加对桥梁提出了更高的要求，必须保证桥梁结构有优越的性能，才能承受往日益增长的运输压力。因此，科学分析桥梁结构的极限承载力对于保证桥梁的使用能力显得十分重要。我们要通过不断的研究，对桥梁的极限承载力建立更加科学更加全面的评估方式，从而国桥梁结构的安全和交通运输业的发展提供重要保障。
参考文献
[1] 徐秉业，刘信声.结构塑性极限分析[M].中国建筑工业出版社，1985.
[2] 颜全胜，骆宁安.大跨度拱桥的非线性与稳定分析[J].华南理工大学学报（自然科学版），，28（06）：64-68.
[3] 钟善桐.钢管混凝土统一理论-研究与应用[M].北京：清华大学出版社，.
结构承载力 篇3
【关键词】复合土工膜；路面结构；贝克曼梁法；弯沉值；承载力
引言
内蒙古乌兰察布机场的跑道道面长度达到了3200米，宽度为48米，跑道厚度为40cm，其昼夜温度为15°-38°，虽然当前的工程质量已经处于一个较高的水准，无需其他防护措施，但是为了能够最大限度的提升工程质量，避免断板、龟裂、起皮的现象出现，依然要对于复合土工膜所具有的性能提升进行试验。本篇文章在内蒙古乌兰察布机场的道面工程上，对使用涿鹿金隅水泥有限公司P·O 42.5号水泥的路面结构使用了相应的复合土工膜，得出的试验效果极为良好，能够起到较好的防护作用。
1、现场试验方法与概况
1.1试验方法
在我国目前的道路工程之中，主要使用的路基结构承载力方式为间接测试法、贝克曼梁法、承载板法。在这一类试验方法之中，通过路面弯沉值测试能够有效的反映出各个方面的结构强度以及道路的刚度，同时也精确的显示出了路面结构本身所具有的承载力。
现目前，我国的各种道路在设计上，都是直接以路面弯沉来作为相应的设计目标。其路面的弯沉结果能够充分的反映出道路自身的变形能力，也就是整个道路所呈现出来的总体刚度。在同一种路面结构之下，路面弯沉大小能够明确的反映出路面结构之上所呈现出来的相应能力，路面的弯沉值大小，几乎对于道路本身的使用寿命以及道路本身的承载力起到决定性的作用。因此，使用贝克曼梁法来对于内蒙古乌兰察布机场的跑道进行符合路面的结构会弹弯沉进行计算，能够精确的考察道路在使用复合土工膜路面的强化之下所具有的承载力。
1.2试验概况
本试验中跑道道面结构施工工艺如下：道槽土方开挖→挖填作业（分层夯实）→砂砾石垫层→铺设水泥稳定碎石基层→铺设复合土工膜→浇筑道面混凝土。本现场试验在水泥稳定碎石基层铺设完成并养护满7天后进行。
本文在进行试验的过程中，主要将跑道场地分为了五块，其场区一是作为普通的基础来进行设置的传统路面结构，而其中所包含的施工工艺除了未进行相应的复合土工膜未执行以外，其他方面的施工基本与符合路面结构的施工步骤一致；其机场场区的二和三则是土质地基结构，在场区二的道路修建过程中，加入了适量的短期安慰针刺复合土工膜，从而修建成为了符合路面结构，场区三则是加入了相应的使聚酯长丝复合土工膜，也同样形成了复合路面结构；在本次试验过程中，主要是在场区一、二、三上来进行，四、五由于本身都是使用复合土工膜铺设所形成的结构，便无需再进行相应的分析。
2、现场试验步骤
2.1试验检测准备工作
在各个场区的路面水泥稳定碎石基层修筑完成至少，至少要养护7天，才能够开始下一部的承载力试验工作。在进行试验之前，所主要需要重视的准备工作就是要对试验车辆的各项性能指标进行确定，并且对于弯沉测量仪器的精确度进行调整，在实际进行准备工作的过程中，主要涉及到以下几个方面的工作。
1）检查并保持测定用标准车况及刹车性能良好，轮胎内胎符合规定充气压力。
2）向汽车车槽中装载集料，用地磅称量后轴总质量，并符合要求的轴重规定，汽车行驶及测定过程中，轴载不得变化。
3）检查弯沉仪百分表测量灵敏情况。
3、试验工况及测试结果
本试验分别在模拟晴天、雨天的工况下对路面承载力进行测试。
3.1模拟晴天工况下路面结构承载力全部试验场区采用贝克曼梁法测试二灰基层弯沉。
3.2模拟降雨工况下路面结构承载力为了模拟水对复合路面结构承载力的影响，分别对土质地基场区一、二、三实施人工洒水，洒水量以表层湿润为准，且恰逢整夜小雨，路面结构得到充分湿润，并于24小时后测弯沉值。
1）场区一、二、三所建设的结构均为土质地基，通过对于压实度分析的结果，也就是压实度大于98%的场区弯沉值来进行分析，能够明显的看出，与以往传统的路面结构进行比较来看，复合路面结构的弯沉值降低了8%-10%左右的幅度，这代表着复合道路结构的承载力得到了提升，那么这也就说明了，复合土工膜在这其中起到了极为良好的加固效果。
2）再比较不同复合土工膜的加固效果，由表4可以看出，与传统路面结构相比，加入短纤针刺复合土工膜的路面结构（场区二）弯沉值降低了约8%，加入聚酯长丝复合土工膜的路面结构（场区三）弯沉值降低了约10%，说明两种复合路面结构的承载力都有了一定程度的提高，提高幅度相差不大。
3）按场区二、三不同压实度的测点分析，场区二中90区测点的弯沉值比94区高约13.4%，场区三中90区测点的弯沉值比94区高约14.1%，说明地基压实度对基层弯沉值即其承载能力影响较大。分析其具体影响因素：在载重汽车的动态作用下路基在低压实度区域容易产生不均匀沉降，使得土工膜受到的较大的剪拉应力，在薄弱位置如焊缝处很容易出现拉伸、剥离等破坏，从而无法满足复合土工膜加固路面提高承载力的要求。
3.3雨天工况下路面结构承载力试验结果分析
为了模拟水对复合路面结构承载力的影响，分别对土基场区一、二、三实施人工洒水，使路面结构得到充分湿润，并于24小时后测得弯沉代表值。
1）场区一路面洒水后弯沉值增加22.2%，说明雨水通过路面结构渗透至土质为具有弱崩解性页岩的路基中，路基土层含水量增加后，土颗粒之间结合水膜加厚，在荷载作用下产生滑移，使得其承载力显著下降。
2）场区二、三的弯沉值在洒水前后变化幅度为-4%～6%，相对场区一的传统路面结构变化值较小，说明复合土工膜阻隔了水分对土质地基的崩解作用，起到保护地基的作用。试验同时发现，洒水后场区二、三94区域复合路面结构的弯沉值比传统的路面结构分别降低40%与32%。而洒水前复合路面结构的弯沉值比传统的路面结构降低仅10%。
4、结语
综上所述，内蒙古乌兰察布机场的跑道在使用了复合土工膜之后，呈现出了极为优越的性能提升，不仅对于抗渗性能进行了优化，还帮助机场跑道的承载力提升起到了良好的效果。从这方面的实验情况来看，复合土工膜的强化技术能够使用到各个不同的行业领域之中，并且必然能够呈现出极大的提升效果。
参考文献
[1]江苏省交通科学研究院.路基路面试验检测技术手册[M].北京：人民交通出版社，2009：286-290.
[2]JTJ/T01998道路土工合成材料应用技术规范[S].
桥梁结构承载力加固原理分析 篇4
关键词：被动,主动,加固,承载力,原理分析
改革开放以来, 我国开展了大规模的桥梁建设, 截至2011年底桥梁总数已达658126座, 合计长度30483094延米。然而随着在役桥梁使用年限的增加, 部分桥梁的病害问题逐渐显露, 桥梁的改造维修加固工作日益提上日程。预计未来10年, 随着我国高等级公路网的不断完善, 新建工程将逐渐减少, 桥梁的养护、维修、加固及改造工作将成为主流。
对于桥梁出现的病害问题, 一方面需要从设计理念和施工方法上查找原因, 一方面需要及时采取加固改造措施予以补救。对桥梁病害的诊断如同给人医病, 唯有正确把握病因所在, 才能做到对症下药与药到病除。桥梁加固设计按其性质分为, 承载力加固、使用功能加固、耐久性加固和抗震加固四种情况。其中承载力加固是桥梁改造加固设计的核心, 意在提高结构的正截面抗弯和斜截面抗剪承载力。
2006年哈尔滨工业大学张树仁教授提出, 并极力倡导桥梁主动加固设计思想, 这一思想正被越来越多的工程技术人员和学者所熟知并接受。笔者在阅读其论著基础上进行了一定的思考, 本文从被动和主动加固两种思想入手, 讨论桥梁结构承载力加固的受力特点、原理以及有限元模拟问题。
1 被动加固法综述
桥梁加固一般均采用带载加固, 即结构是在承受较大的自重与二期恒载作用下进行加固补强的。与此同时加固、改造前原有结构已具有一定的变形, 在后期活荷载 (车辆荷载) 作用下构件新增部分的应力 (应变) 一般低于原结构, 即存在着变形协调、协同工作的问题, 这对加固后结构的力学行为产生较大的影响。
1.1 被动加固的受力特点
加固后的“组合结构”必须考虑分阶段受力的特点, 即一期荷载 (结构自重与二期恒载) 由原结构承担, 二期荷载 (活荷载) 由加固后的“组合结构”承担, 后加补强材料的强度发挥程度受原结构变形的限制。比如在梁的受拉区直接粘贴钢板或其他高强复合纤维, 后加补强材料只承担活荷载和后加恒载引起的内力, 与原梁的钢筋相比, 其应力 (应变) 相对滞后, 在极限状态时其应力很难达到抗拉强度设计值, 抗拉性能难以充分发挥, 这属于被动加固的范畴, 也是桥梁加固设计与新建结构最大的区别。
1.2 相应的技术措施与原理
1.2.1 增大截面加固法
增大截面加固法具体包括:增加受力钢筋主筋截面、加大主梁混凝土截面、加厚原桥面板和锚喷等方法。增焊主筋加固法适用于桥下净空受限制, 不能增大截面尺寸的情形。增大梁肋加固法通常是将梁的下缘加宽加厚, 以增大截面尺寸, 并在新混凝土截面中增设受力主筋。桥面加厚补强法适用于原桥承载力不足, 截面尺寸过小, 而下部结构较好, 承载力较高的情形。有时, 为便于施工, 可将原桥面铺装拆除, 在桥面板上浇筑一层新的钢筋混凝土补强层, 以提高原梁的截面受压区高度, 进而提高结构的承载力。喷射混凝土加固法适用于原桥主梁截面尺寸过小, 下缘由于主拉应力超过容许值而出现裂缝, 桥下净空允许时的情形。
1.2.2 粘贴加固法
粘贴加固法通常包括:粘贴钢板加固法、粘贴钢筋加固法、粘贴玻璃钢加固法、粘贴碳纤维布加固法等。钢板补强法是在钢筋混凝土结构物的受拉区或薄弱部位粘贴钢板, 使之与原结构形成整体, 用以代替需增设的补强钢筋, 限制裂缝开展, 改善原结构的应力状态, 进而提高原梁的承载力。粘贴钢筋加固法适用于原结构抗拉强度较低, 受拉区产生裂缝的情形。粘贴钢筋具有与原结构物粘贴性能较好、加工成型容易、加固效果明显的优点。碳纤维布因其具有质轻、耐腐蚀、片材薄抗拉强度高等优点, 故被视为梁式桥加固补强的首选方法。
1.2.3 增加辅助构件加固法
对于下部结构安全性能好、承载力高的情形, 可采用增设承载力高且刚度大的新纵梁, 用以分担原梁承受的荷载, 间接起到提高结构承载力的目的。此加固法通常与路线的拓宽改建相结合。
1.2.4 改变结构体系加固法
即通过改变桥梁结构体系以改善原梁的内力分布, 例如:在简支梁下增设支架或桥墩;简支梁变为连续梁加固;在梁下增设钢桁架等的加劲梁或叠合梁;改小桥为涵洞等。
虽然采取的技术措施不尽相同, 但加固的基本原理是一致的。即通过新增构件来分担原梁的荷载, 通过卸载来提高承载力;或由于补强材料的引入使结构的几何特性 (如截面惯性矩或抗弯模量) 增加, 以减少原梁承受的拉力。
1.3 有限元模拟举例
原桥为跨径25m的预应力混凝土简支T梁桥 (图1) , 全桥宽10m, 横向由5片T梁组成, 梁高1.7m, 混凝土现浇层80mm, 沥青铺装层100mm。按全预应力构件设计, 设计荷载等级为公路Ⅱ级, 设计安全等级为一级。
为了能够更真实、客观地反映出加固效果, 在杆系结构模型的基础上再建立实体模型, 采用Midas/FEA有限元软件分别对粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维加固法进行数值模拟计算, 实体单元采用以8节点6面体为主的实体单元, 边界条件采用一般简支边界条件。T梁加固前实体结构有限元计算模型如图2所示。
假定T梁与钢板之间有可靠连接, 即不考虑其相对滑移。钢板采用板单元来模拟, 板单元与T梁实体单元采用共节点办法处理。鉴于T梁加固的分阶段受力特点, 采用Midas/FEA自带的施工阶段分析来模拟。第1阶段, 把结构组中原结构单元激活, 边界组中一般支承激活, 荷载组中自重、二期恒载激活;第2阶段, 把钢板单元激活;第3阶段, 施加车道荷载。对于碳纤维布的模拟可采用平面应力单元, 该单元只承受拉力。
2 预应力主动加固法综述
预应力主动加固法是指对布置在被加固构件受拉区 (或抗剪薄弱区) 的后加补强材料施加预应力, 通过预应力的作用, 改善原梁的受力状态, 提高原梁的承载力和抗裂性能。桥梁结构预应力加固的主要形式有, 体外预应力加固、高强复合纤维预应力加固、有粘结预应力加固三种。限于篇幅, 本文仅讨论体外预应力加固。
2.1 体外预应力筋的布置
采用折线形布置的体外筋加固简支T梁或I梁时, 若用直接方式对梁体施加预应力, 则需设转向装置, 转向装置一般采用梁底滑块或利用1/4跨的横隔板做U形承托转向, 但边梁外侧还要新增钢结构的肋行隔板, 以便设置U形承托 (图3 (a) ) 。完全没有横隔板时, 在1/4跨附近腹板下部两侧新增钢转向装置 (图3 (b) ) 。
对于简支T梁或I梁, 也可采用间接方式施加预应力。如先在梁的两端腹板下部设临时锚座, 直线布筋后对梁体施加压力, 张拉参数到位后保持张拉力恒定, 然后在梁底粘贴纤维复合材料, 如碳纤维布等。在粘贴胶完全固化达强度要求后, 放松及卸去临时张拉及锚固体系, 利用胶的粘贴强度将预加应力传递给碳纤维布承受 (图4) 。
对于等截面的肋板式连续梁桥, 可在1/4跨附近的横隔板下增设转向设施;如果没有横隔板, 则要在梁底增设转向块, 让体外索绕过转向装置, 两端弯起锚固或绕过支点横隔板, 纵向称为多支点的折线形布置, 横向对称紧靠梁肋布置 (图5) 。
对于连续箱梁桥, 一般采用折线形布置的体外索或体内索加固。采用体外索时, 在1/4跨附近的箱内腹板与顶、底板上设置钢结构的肋板式转向装置, 而在墩顶横梁上开槽孔让体外索偏转。索的两端锚固于端横隔板上, 必要时增设端锚横梁 (图6) 。如果梁跨分布较多, 可分跨在墩顶横梁处交叉锚固, 索在箱内靠箱梁腹板内侧对称布置。
2.2 受力分析和计算特点
对承载能力极限状态的计算来说, 包括正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力计算两部分。原则上应按《桥规》 (JTG D62) 给出的公式计算。但是极限状态下体外预应力筋的应力取值, 应考虑体外预应力筋无粘结的特点, 其应力一般达不到材料的抗拉强度设计值。
《桥梁加固规范》 (JTG/T J22) 给出的体外预应力水平筋的极限应力计算公式是
NS——构件失效时形成的塑性铰数目, 对于简支梁NS=0, 对于连续梁NS=n-1;n为连续梁的跨数;
li——两端锚具间体外预应力筋 (束) 的总长度, 对于简支梁取li=le;
hpe——体外预应力筋 (束) 合力点到截面顶面的距离;
Epe———体外预应力筋 (束) 的弹性模量;
fpd———体外预应力筋 (束) 的抗拉强度设计值;
c———截面中性轴至混凝土受压区顶面的距离;
截面中性轴到混凝土受压区顶面的距离C与截面受压区形状有关, 分别按下式计算:
式中:fcu, k———混凝土立方体抗压强度标准值;
Ape———体外预应力筋 (束) 的截面面积;
3 结论与展望
纵观近年来桥梁加固的市场行情, 笔者认为总体特点是开发的加固技术和相应的补强材料较多, 而对各自加固机理的研究则相对滞后。具体结论与展望如下:
3.1 对桥梁使用状况及承载能力进行综合评价是对桥梁做出维修、加固改造计划的主要依据, 而这是一项较为复杂的工作。
目前, 对桥梁承载能力评价, 常用的方法有市场调查法、理论分析计算法, 以及两者相结合的方法。剩余承载力的确定将直接影响后续加固工作。
3.2 对于已经开裂或损坏严重的梁体, 其正截面的应力分布已不满足平截面的假定, 甚至变形已进入塑性, 那么此时承载能力的计算理论以及对承载力提高值的评定, 有待进一步探讨。
对于工程应用来说, 讲求的是实用、高效, 通过理论的提升来指导实际应用已越发迫切。编制一套有限元程序, 尤其是杆系结构有限元程序来分析和模拟加固过程势在必行。
3.3 体外预应力筋耐火性差、易损坏, 且在车辆荷载的反复作用下还会因疲劳破坏而产生断筋现象, 这一过程是无预兆的, 同时一旦锚头失效, 就意味着预应力丧失, 这一后果是严重的, 加固后应严防锚头失效。
转向块的安装误差会造成预应力的摩阻损失, 同时后加预应力的张拉也会对原预应力筋造成应力损失, 而这一损失很难定量计算。
3.4 对于简支梁的加固来说, 可以理解为加固后的“组合结构”是一个带柔性拉杆的内部超静定混合体系, 可运用结构力学方法求解活荷载作用下的体外预应力筋的增量 (即超静定力) , 然后将其与活荷载一起作用于基本结构 (钢筋混凝土梁) 上。
结构承载力 篇5
桥面铺装层对空心板结构承载能力影响的静力试验
为了验证桥面铺装层对空心板桥的承载能力的.影响,探索桥面铺装层破坏后的加固方案,选取裸板[1]无铺装层、钢筋混凝土铺装层和钢纤维混凝土铺装层空心板梁进行对比试验,试验采用静力分级加载的方法进行,试验结果表明桥面铺装层空心板梁共同受力性能良好,截面应变发生趋势符合平截面假定,铺装层能显著提高结构开裂荷载和极限承载能力,混凝土桥面铺装层能显著增大结构刚度和改变结构破坏形态.试验可为桥梁常用补强层加固法提供试验参考.
作 者：许世展 XU Shi-zhan 作者单位：河南高速公路发展有限责任公司,河南,郑州,450052刊 名：西部探矿工程英文刊名：WEST-CHINA EXPLORATION ENGINEERING年，卷(期)：200921(7)分类号：U443.33关键词：桥梁工程 桥面铺装层 静力试验 空心板梁 承载能力
结构承载力 篇6
1材料自身复杂性
在桥梁结构中应用最多的是钢筋混凝土这种材料, 它是由两种不同的力学性能材料组成的。正是因为这种材料组成的复杂性往往在制作和使用过程中的不合理性, 很容易对性能造成影响。
1.1混凝土是以水泥作为凝胶材料, 再和水以及各种粗细集料以一定的比例拌合而成。但是在拌合过程中不可避免的加入了有害成分:硫化物, 泥土等等。这多少会对混凝土的密实性, 混凝土强度以及可靠度造成影响。在混凝土养护结束后, 一部分水和裂缝留在了混凝土内[1]。在运营过程中一旦混凝土开裂, 当裂缝达到一定深度时, 钢筋直接与大气中的空气和水分接触, 钢筋逐渐氧化锈蚀, 钢筋的有效直径会变小, 导致承载能力下降。在参考参考文献中, 中给出了钢筋有效直径随时间变化的公式[2]:
其中, D0为钢筋未锈蚀时的直径, t0为开始锈蚀时的时间, icorr为锈蚀电流密度, 一般取常数
1.2钢筋混凝土本身就是一种非线性材料, 另外材料的收缩徐变也是一种与时间相关的非线性关系, 另外钢筋与混凝土之间的粘结关系也并不是一种线性关系。正是由于这些因素的掣肘, 我们要想研究钢筋混凝土的承载力, 往往采用理想化的假设, 但是这样往往与实际情况存在着差异。
2材料的本构关系
时变作用下, 结构的承载能力下降, 本质上是材料的本构关系发生了改变。在我们熟知的混凝土本构关系中, 一般是以连续均质为前提假设来建立的, 包括线弹性和非线性弹性本构关系等。其中线弹性本构关系中, 应力应变处于一种良好的线性关系。在非线性弹性本构关系中, 应力与应变并不是一种线性关系, 而是一种一一对应的曲线关系。对于混凝土单轴抗拉抗压的关系图1中, 在外荷载比较小时, 混凝土应力应变是一种线弹性的关系, 随着荷载的逐渐增大, 超过了线性变化区域, 就是一种非线性弹性的曲线关系了, 本构关系发生了一种很明显的转变, 在长期荷载作用下, 混凝土的承载能力会显著下降。
对于理想化的钢筋的本构关系相对比较简单, 在达到极限状态之前, 与混凝土的本构关系类似, 应力应变是一个线性的过程, 然后当钢筋出现锈蚀的时候, 这时候的本构关系发生了很大变化。在《锈蚀钢筋性能实验研究分析》一文中给出了锈蚀前后钢筋承载能力变化的关系:
上述式子中, 表示锈蚀后钢筋的屈服强度和极限抗拉强度, 表示锈蚀前钢筋的屈服强度和极限抗拉强度, 表示钢筋的锈蚀率, 化简上述式子可得:
由上式可知在, 随着锈蚀率的增大, 屈服强度和抗拉极限强度均会出现下降, 此时本构关系将发生显著改变, 这也体现除了时变规律的影响。
3材料所处环境的影响
桥梁结构中, 尤其是存在预应力的钢筋混凝土中, 混凝土并不是作为主要的受力构件, 它往往是作为一层保护层来隔绝空气与钢筋直接接触。空气中二氧化碳和水与混凝土相互作用生成碳酸钙和其他杂质, 这种现象叫做混凝土的碳化。这对对混凝土抗压性能影响不大, 但是材料的化学性能却发生了巨大的改变, 混凝土与钢筋接触面PH值降低, 破坏了覆盖在钢筋表面的钝化膜, 使得钢筋极易发生氧化锈蚀现象。在研究承载力时变规律时, 混凝土碳化应该作为一个研究的重点去考虑。对混凝土碳化作用影响的因素主要有以下几个方面: (1) 随着二氧化碳浓度的升高, 碳化的速率逐渐加快。在《混凝土的耐久性及其防护修补》一文中提到混凝土碳化深度与二氧化碳的平方根成正比。 (2) 温度的变化, 对混凝土的碳化也有影响。研究表明, 温度升高, 碳化速度明显提高。 (3) 大气湿度对混凝土碳化也有影响, 随着湿度增加, 碳化速度增高, 然后随着湿度增加, 碳化速度稍稍下降, 变化不明显。根据国内外其他学者的研究得到了计算钢筋锈蚀时间的公式:
其中为混凝土制作时的水灰比, K为混凝土碳化影响系数, c为混凝土保护层的厚度。
4结论
本文从材料结构自身出发, 分析桥梁承载力时变规律的主要的影响因素及过程, 即材料在制作过程中存在一些缺陷, 在使用过程中混凝土发生开裂、碳化, 然后钢筋出现氧化锈蚀, 结构材料的本构关系发生变化, 桥梁的承载力出现衰退。这其中钢筋发生锈蚀, 是承载力发生衰退的关键原因。
参考文献
[1]吕联亚.混凝土裂缝的成因和治理技术[J].混凝土, 1998, (5) ;43-48.
结构承载力 篇7
钢管混凝土具有承载力高、塑性和抗震性能优越、节省材料和施工简便等优点,在大跨桥梁上广泛应用。仅按照钢筋混凝土结构的计算方法进行轴压换算刚度和抗弯换算刚度是不合理的,不能代表钢管混凝土构件的真实刚度,因为管内混凝土受钢管约束处于三向受压状态,其弹性模量要比单向受力大得多。其次,对于受弯构件,当构件截面因弯矩作用而出现受拉区时,混凝土截面将削弱,截面惯性矩将下降。
近年来对钢管混凝土的理论研究很多,也取得了一定的成果。现在被公众认可的计算方法主要有基于复合材料计算理论推导的离散法和基于试验研究的统一理论。钢管混凝土统一理论:将钢管混凝土等效换算成一种材料,这种材料的工作性能和物理参数是随着钢和混凝土的物理参数、几何参数和截面形式改变而改变,采用通过许多试验进行数据耦合后得出的取值进行计算。复合材料是将混凝土和钢管分别考虑,在两种材料的结合面上考虑传力影响折减系数。这两种方法各有缺陷,离散法中的折减系数取值较难(各种实验离散性较大);按统一理论计算出钢管部分的结果考虑也不是很周全。所以本计算分别采用统一理论和离散理论进行结构验算,其中统一理论所有结构参数取值都参考DL/T 5085-1999钢—混凝土组合结构设计规程,离散理论中折减系数采用0.8。
1结构分析
1.1 计算模型和单元类型
计算模型中主拱、稳定拱、横撑、斜撑、钢主梁、混凝土主梁和V构承台等结构采用的都是三维梁单元,此类单元有8个结点,每个结点6个自由度,即沿x,y,z的平动自由度和转动自由度。该单元具有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变的功能。系杆和吊杆结构采用只能受拉的杆单元进行模拟。模型中共725个单元,976个结点。
1.2 结构模型中材料参数
按照离散理论的计算模型中各材料取值如下:混凝土的材料参数:密度为2.60×103 kg/m3,弹模为3.45×1010 N/m2,泊松比为0.167。钢管材料:密度为7.80×103 kg/m3,弹模为2.0×1011 N/m2,泊松比为0.3。吊杆和系杆材料:密度为7.80×103 kg/m3,弹模为1.95×1011 N/m2,泊松比为0.3。刚臂材料:密度为0 kg/m3,弹模为2.0×1014 N/m2,泊松比为0.3。
按照统一理论,计算钢管混凝土的强度:
主拱:
AS=0.92×3.14-0.874 2×3.14+0.016×0.16×6=0.160 189。
AC=0.874 2×3.14-0.016×0.16×6=2.383 21。
AS/AC=0.067 216。
密度:DENS=2.927 5×103 kg/m3。
换算抗压弹模:ESC=47 117.91 MPa。
K2=1.246。
换算抗弯弹模:ESCM=58 708.9 MPa。
边拱:
AS=0.62×3.14-0.578 2×3.14+0.016×0.16×6=0.100 363。
AC=0.62×3.14-0.016×0.16×6=1.030 037。
AS/AC=0.097 436。
密度:DENS=2.927 5×103 kg/m3。
换算抗压弹模:ESC=51 748.3 MPa。
K2=1.316 616。
换算抗弯弹模:ESCM=68 132.6 MPa。
其他参数取值同离散法。
1.3 边界条件
在2个承台(21号墩,22号墩)底面固结,在20号和23号端部约束横桥向和竖向。在21号墩和22号墩顶支座位置与主桥耦合横桥向和竖向自由度,在混凝土主梁和钢主梁连接处耦合横桥向和竖向自由度。
1.4 计算工况
工况一:恒载。
工况二:全桥满布车道荷载+恒载。
工况三:半跨满布车道荷载+恒载。
工况四:全桥车道荷载偏载半侧+恒载。
工况五:全跨车道荷载偏载两侧+恒载。
工况六:整体升温+恒载。
工况七:整体升温+恒载。
工况八:整体升温+恒载+全桥满布车道荷载。
工况九:整体升温+恒载+半跨偏载车道荷载。
工况十:整体升温+恒载+全跨车道荷载偏载两侧。
1.5 稳定计算
1)统一理论模型结果。
统一理论模型结果(仅示出前三阶)见表1。
2)分离式理论模型结果。
分离式理论模型结果(仅示出前三阶)见表2。
由表1,表2可看出,分离式模型结果比统一式模型结果稳定系数要高,说明分离式结果偏于不安全,在此应采用统一式模型计算结果(恒载+活载半侧满载布置+升温11.20)。
1.6 动力特性
动力特性如表3所示。
2计算结论
大桥在恒载作用下,稳定系数为14.52。在活载+恒载+体系温度组合下,最小稳定系数为11.02,满足要求。一阶失稳模态为3个拱整体的横向摆动,这说明各拱之间的横向联系较大,且各构件满足稳定要求,在整体失稳前,不出现单个构件失稳。
大桥的一阶振动频率为0.244,振型为简支钢主梁的纵漂,二阶振动频率为0.494,振型为拱的横摆。
3结语
由于本桥吊杆锚在钢管拱的内部,双吊杆相交一处,造成吊点应力集中,而且吊杆锚点构造复杂,建议根据详细图纸进行吊杆锚点计算分析。
1)混凝土主梁和钢主梁牛腿位置,应补充相应图纸进行牛腿抗剪验算。2)21号墩和22号墩上构造复杂,传力机理不明确,应进行相关的实体分析,并考虑相关的船舶撞击分析。3)由于钢梁的扭转约束很小,在风力作用下容易颤振和驰振失稳,建议进行抗风计算和试验。4)进行钢箱梁内部第二体系计算,验算钢箱梁内部加劲肋、横隔板和桥面板位移和应力。
摘要：针对钢管混凝土在大跨桥梁上的广泛应用,主要利用大型通用有限元程序计算分析了某拱桥在各种荷载下的弹性稳定分析,结构动力特性计算,并给出了设计建议,以提高人们对拱桥主体结构受力特性的认识,具有一定的参考价值。
关键词：拱桥,结构稳定,动力分析,承载力
参考文献
[1]金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁[M].北京:人民交通出版社,2002.
[2]姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,1990.
结构承载力 篇8
关键词：边坡地基,承载力验算,稳定性计算,支护结构岩土荷载计算
0 引言
在建 (构) 筑物附近切坡, 将使边坡成为建 (构) 筑物地基。与平地地基相比, 边坡地基承载力 (包括水平承载力) 有不同程度的降低。在防止边坡地基失稳方面, 目前的做法是: (1) 增加一项边坡稳定性计算的工作 (有时这项工作称为地基稳定性计算) , 计算过程中的建筑荷载处理及稳定安全系数取值与通常的边坡稳定性计算无异或相当[1,2]; (2) 边坡支护结构岩土荷载视坡顶建筑物位置取按土压力理论计算出的某类岩土压力 (主动岩土压力、静止岩土压力或两者的平均值) 或其与修正系数 (对主动岩土压力用增大系数, 对静止岩土压力用折减系数) 的乘积[2]。
本文对这种做法存在的问题进行了探讨, 提出了与边坡地基承载力验算等效的边坡地基稳定性计算和刚好满足地基承载力要求的边坡地基支护结构荷载计算的建议。
1 当前边坡地基承载力验算及支护结构荷载计算方法存在的问题
根据相关标准[1], 岩石地基承载安全系数为3左右, 土质地基承载安全系数为2左右。目前在防止边坡地基失稳方面的做法, 无论是在边坡稳定性计算方面还是在边坡支护结构岩土荷载计算方面, 都没有与地基承载安全系数联系起来, 既不能检验边坡支护前地基承载安全系数是否获得满足, 判断是否需要对边坡地基进行支护, 也不能保证边坡支护后地基承载安全系数获得满足, 保证岩土荷载取值没有过大。此外, 当稳定系数等于1或大于1而小于安全系数时, 因主动岩土压力为0或为负值[3], 乘以增大系数不起任何作用。可见, 上述做法既可能造成安全隐患, 也可能造成工程浪费。
2 边坡地基承载力验算
2.1 边坡地基竖向承载力验算
如果能求出边坡地基 (或单桩) 竖向极限承载力, 就能按下式检验边坡地基竖向承载力是否满足要求:
式中:pk为边坡上建筑基础底面压力标准值;fuk为边坡地基竖向极限承载力标准值;K为地基承载安全系数, 按坡上基础设计文件取值;当坡上基础采用地基承载力特征值 (实为基底压力允许值) 进行设计时, 地基承载安全系数对岩质地基可取3, 对土质地基可取2。
若上式满足, 则地基承载力满足要求, 不需要对边坡地基进行处理 (即从地基角度来说, 边坡不需要处理) ;若上式不满足, 则地基承载力不满足要求, 需要对边坡地基进行处理 (即从地基角度来说, 边坡需要处理) 。
边坡地基竖向极限承载力可用下列方法求出:将基底竖向极限压力视为未知数, 作为坡上竖向附加分布荷载 (对桩基础, 将各桩桩顶竖向极限荷载视为未知数, 作为坡上竖向附加荷载) , 进行边坡抗滑稳定性计算。计算时, 潜在失稳岩土体应受坡上基础传递的竖向荷载作用, 除特定外倾结构面外, 潜在滑面应从坡上基础底面内边缘通过。计算还应符合边坡抗滑稳定性计算的其它要求 (如:以对应于最危险滑面的稳定系数为边坡抗滑稳定系数) 。给定不同的坡上竖向附加分布荷载, 就有不同的边坡稳定系数。边坡稳定系数为1时的坡上竖向附加分布荷载即为基底竖向极限压力 (其反力即为地基竖向极限承载力) 。
当基底荷载偏心时, 应采用迈耶霍夫、汉森和魏锡克等人提出的下述方法将偏心荷载化为不偏心荷载:当矩形基础某方向偏心距为e时, 在该方向小压力一侧将该方向边长减小2e。对双向偏心的基础, 两个方向的边长均按此种方法减小。以减小后的边长 (称为有效边长) 计算基底面积 (称为有效面积) , 以有效面积和原有基础自重和上部结构荷载计算基底压力。当基底形状不为矩形时, 先将基底形状化为受中心荷载作用的形状, 再按等面积原则将此基底形状化为矩形。
2.2 边坡地基水平或斜向承载力验算
同样, 如果能求出边坡地基水平或斜向极限承载力, 就能按与式 (1) 类似的公式检验边坡地基水平或斜向承载力是否满足要求。
边坡地基水平或斜向极限承载力可用下列方法求出:将基础传递的水平或斜向极限荷载视为未知数, 作为坡上水平或斜向分布荷载, 进行边坡抗滑稳定性计算。计算时, 潜在失稳岩土体应受坡上基础传递的水平或斜向荷载作用, 除特定外倾结构面外, 潜在滑面应从坡上基础传递的荷载作用面下边缘通过。计算还应符合边坡抗滑稳定性计算的其它要求 (如:以对应于最危险滑面的稳定系数为边坡抗滑稳定系数) 。给定不同的坡上水平或斜向附加分布荷载, 就有不同的边坡稳定系数。边坡稳定系数为1时的坡上水平或斜向附加分布荷载即为基础水平或斜向极限荷载 (其反力即为地基竖向极限承载力) 。
3 与边坡地基承载力验算等效的边坡地基稳定性计算方法
3.1 与边坡地基竖向承载力验算等效的边坡地基稳定性计算方法
本文第2.1节的方法是通过求边坡地基竖向极限承载力来检验边坡地基竖向承载力是否满足要求。这种方法也可以转化成通过边坡地基稳定性计算来检验边坡地基竖向承载力是否满足要求的方法:将实际基底压力与地基承载安全系数的乘积作为坡上竖向附加分布荷载 (对桩基础, 将各桩桩顶竖向荷载标准值与地基承载安全系数的乘积作为坡上竖向附加荷载) , 进行边坡地基稳定性计算。计算中的注意事项如上节所述。取边坡地基稳定安全系数为1, 将边坡地基稳定系数与边坡地基稳定安全系数作比较。若前者小于后者 (即边坡地基稳定系数小于1) , 则地基承载力不满足要求;若前者大于或等于后者 (即边坡地基稳定系数大于或等于1) , 则地基承载力满足要求。
当基底荷载偏心时, 应采用上节阐述的迈耶霍夫、汉森和魏锡克等人提出的方法将偏心荷载转化为不偏心荷载。
这种方法就是与边坡地基竖向承载力验算等效的边坡地基稳定性计算方法。
显然, 通常的边坡稳定性计算无法代替与边坡地基竖向承载力验算等效的边坡地基稳定性计算。
因在计算与边坡地基竖向承载力验算等效的边坡地基稳定性时, 坡上基础位于潜在失稳区域内, 受岩土体强度控制的滑面从坡顶基础底面内边缘通过, 故边坡与边坡地基的最危险滑面不一定相同。
3.2 与边坡地基水平或斜向承载力验算等效的边坡地基稳定性计算方法
本文第2.2节的方法是通过求边坡地基水平或斜向极限承载力来检验边坡地基水平或斜向承载力是否满足要求。这种方法也可以转化为与边坡地基水平或斜向承载力验算等效的边坡稳定性计算的方法:将坡上基础传递的实际水平或斜向荷载与地基承载安全系数的乘积作为坡上水平或斜向附加荷载, 进行边坡稳定性计算。计算中的注意事项如3.1节所述。取边坡稳定安全系数为1。将边坡稳定系数与边坡稳定安全系数作比较。若前者小于后者 (即边坡稳定系数小于1) , 则地基水平或斜向承载力不满足要求;若前者大于或等于后者 (即边坡稳定系数大于或等于1) , 则地基水平或斜向承载力满足要求。
4 边坡地基支护结构荷载计算方法
当地基承载力不满足要求时, 需要对边坡地基进行处理 (即从地基角度对边坡进行处理) , 以提高边坡地基承载力使之满足要求。这就需要确定作用在边坡地基抗失稳支护结构上的岩土荷载 (即作用在边坡抗地基失稳支护结构上的岩土荷载) 。
本文作者曾提出过下列以稳定性计算理论为基础确定边坡和滑坡支护结构岩土荷载的方法[3,4]:通过边坡稳定性验算确定为使边坡稳定性达到要求在拟设支护结构处应对边坡提供的抗力。抗力的方向对悬臂桩、锚拉桩、重力式挡墙和锚杆挡墙可取指向坡内的桩、墙、立柱背面法向, 对系统锚杆可取指向内端的锚杆轴向。抗力的作用点对悬臂桩板、锚拉桩和重力式挡墙可根据不同类型土 (岩) 体和结构的特点按经验在半高处上下取定, 对系统锚杆可设在各个锚杆的外端。进行边坡稳定性验算时一般需要假定和调整抗力的大小, 设置支护结构后边坡的稳定系数刚好等于边坡稳定安全系数时所对应的抗力值即为所求。此抗力的反力即为边坡支护结构上的岩土荷载。边坡支护结构按此岩土荷载进行设计。
此方法的实质是将边坡支护结构上的岩土荷载取值视为边坡稳定性计算的反问题。边坡稳定系数计算是已知各种荷载 (对已有支护结构的边坡, 包括支护结构提供的抗力这种特殊的荷载) , 计算边坡稳定系数;边坡支护结构上的岩土荷载计算是已知稳定系数 (它等于安全系数) , 计算边坡支护结构上的岩土荷载。
对已有支护结构的边坡进行稳定性计算时, 将支护结构提供的抗力这种特殊的荷载计入是很自然的事[5], 刚刚发布的相关国家标准[6]就是这样计算有支护结构的边坡稳定性的。当已知稳定系数 (它等于安全系数) 而需计算边坡支护结构上的岩土荷载时, 将此问题视为边坡稳定性计算的反问题也是很自然的事。
此法能弥补以土压力理论为基础确定边坡支护结构岩土荷载方法的诸多不足 (如:当稳定系数等于1或大于1而小于安全系数时, 岩土压力为0或为负值;一律将滑面视为直线偏离实际较多也与支护前边坡稳定性计算中的滑面形态不匹配;与滑坡支挡结构荷载取值不匹配;设置支护结构后边坡安全储备情况不甚清楚, 边坡抗滑稳定安全系数对荷载取值不起作用;坡面倾斜或层面倾斜时非均质土体产生的荷载无法用朗金型或库伦型理论计算;系统锚杆支护时岩土体外侧无挡墙使岩土荷载无法用朗金型或库伦型理论计算) , 也能弥补以剩余下滑力概念为基础的滑坡支挡结构岩土荷载计算方法的诸多不足[3,4]。
作用在边坡抗地基失稳支护结构上的岩土荷载同样可以采用这种方法。具体做法是:通过与边坡地基承载力验算等效的边坡地基稳定性计算确定为使边坡地基稳定性达到要求 (即稳定系数等于1) 在拟设支护结构处应对边坡地基提供的抗力。这里的与边坡地基承载力验算等效的边坡地基稳定性计算方法就是本文第3节提出的方法。抗力的方向和作用点与本节介绍的以稳定性计算理论为基础确定边坡和滑坡支护结构岩土荷载的方法相同。进行与边坡地基承载力验算等效的边坡地基稳定性验算时一般需要假定和调整抗力的大小, 设置支护结构后边坡地基的稳定系数刚好等于边坡地基稳定安全系数 (即为1) 时所对应的抗力值即为所求。此抗力的反力即为作用在边坡地基支护结构上的岩土荷载。边坡地基支护结构按此岩土荷载进行设计。
此方法的实质是将边坡地基支护结构上的岩土荷载取值视为边坡地基稳定性计算的反问题。边坡稳定系数计算是已知各种荷载 (对已有支护结构的边坡地基, 包括支护结构提供的抗力这种特殊的荷载) , 计算边坡地基稳定系数;边坡地基支护结构上的岩土荷载计算是已知稳定系数 (它等于安全系数) , 计算边坡地基支护结构上的岩土荷载。
这种边坡地基支护结构岩土荷载计算方法, 既适用于竖向承载的边坡地基, 也适用于水平或斜向承载的边坡地基。
5 算例
关于边坡地基承载力验算及支护结构荷载计算, 本文对当前方法的分析结果及所提出的新方法对岩质边坡地基和土质边坡地基均适用。限于篇幅, 这里只举一个有外倾结构面的岩质边坡算例。
某坡顶水平的直立岩质边坡, 高度为3m, 岩体重度为23k N/m3, 顶面上有一重要建筑物条形基础, 其基底压力标准值为140k Pa, 其宽度为1m, 边坡岩体中有一外倾结构面从基础内边缘和坡底边缘通过, 其倾角为70°, 其粘聚力为100k Pa, 内摩擦角为30°。
边坡抗滑稳定性可根据下式进行计算:
式中:Fs为边坡抗滑稳定系数;θ为外倾结构面倾角;cs为外倾结构面粘聚力;φs为外倾结构面内摩擦角;G为滑体重力;L为滑面长度。
由此式算得该边坡抗滑稳定系数为2.12, 显著大于边坡抗滑稳定安全系数, 该边坡被看做普通边坡时不需要进行防止沿外倾结构面滑动的支护。
边坡地基抗滑稳定性可根据下式进行计算:
式中:F's为边坡地基抗滑稳定系数;K为地基承载安全系数, 对该边坡地基取3;其余符号同前。
由此式算得该边坡地基抗滑稳定系数为0.95, 明显小于1。该边坡地基需要进行防止沿外倾结构面滑动的支护。如果对这样的边坡地基不进行支护, 则地基承载安全度是不够的。
上述计算结果表明, 该边坡抗滑稳定性满足要求而边坡地基抗滑稳定性不满足要求。由此可见, 边坡稳定性满足要求并不意味着边坡地基承载力满足要求。
当对该边坡地基进行防止沿外倾结构面滑动的支护时, 需要计算作用在支护结构上的岩石荷载。按土压力理论计算时, 若从偏保守考虑将坡顶建筑基础底面压力视为均布连续荷载, 则主动岩石压力可按下式计算:
式中:q为坡顶均布荷载;α为坡面倾角;β为坡顶倾角;δ为岩石与挡墙背的摩擦角 (°) , 取 (0.33~0.50) φ。
又从偏保守考虑取δ=0, 由此式算得该边坡岩石压力为-154.09k N/m, 为负值, 乘以增大系数后的结果仍为负值 (且是绝对值更大的负值) 。据此结果, 将得出该边坡地基无需支护的结论。由此可见, 边坡支护结构岩土荷载取按土压力理论计算出的主动岩土压力与增大系数乘积的做法是不可行的。
采用本文提出的边坡地基支护结构岩土荷载计算方法时, 若拟对该边坡进行抗滑桩支挡, 则边坡地基包含抗力 (抗滑桩所承担荷载的反力) 在内的抗滑稳定系数计算公式为:
式中:Q为抗滑桩提供的抗力。
令F's=1, 由此式得出抗滑桩所承担荷载计算式:
由此式算得该边坡抗滑桩所承担荷载为20.44k N/m, 若抗滑桩中心距为4m, 则每桩所承担荷载为61.32k N/m。显然, 此值是刚好满足边坡地基承载安全度要求的支护结构岩石荷载。
6 结论与说明
(1) 目前的边坡地基稳定性计算未与地基承载安全系数联系起来, 实际上还是边坡稳定性计算, 不能检验支护前地基承载安全系数是否获得满足。边坡支护结构岩土荷载取按土压力理论计算出的某类岩土压力或其与修正系数乘积的做法也没有与地基承载安全系数联系起来, 不能保证支护后地基承载安全系数获得满足, 也不能保证没有支护过度。当稳定系数等于1或大于1而小于安全系数时, 因主动岩土压力为0或为负值, 乘以增大系数不起任何作用。
(2) 本文提出的与边坡地基承载力验算等效的边坡稳定性计算以及刚好满足地基承载力要求的边坡地基支护结构岩土荷载计算方法包括了边坡地基竖向承载、水平承载和斜向承载等情形。
(3) 本文提出的与边坡地基承载力验算等效的边坡地基稳定性计算方法能检验地基承载安全系数是否获得满足;本文提出的刚好满足地基承载力要求的边坡地基支护结构岩土荷载计算方法, 其实质是将边坡地基支护结构上的岩土荷载取值视为与边坡地基承载力验算等效的边坡地基稳定性计算的反问题, 因而能避免支护不足与支护过度。
(4) 当坡上有建筑物时, 应同时进行边坡稳定性计算和与边坡地基承载力验算等效的边坡地基稳定性计算。当边坡稳定性不满足要求时, 应进行边坡支护, 设计时应计算边坡支护结构岩土荷载;当边坡地基承载力不满足要求时, 应进行边坡地基支护 (即从地基角度对边坡进行支护) , 设计时应计算边坡地基支护结构岩土荷载;当边坡稳定性和边坡地基承载力均不满足要求时, 对边坡进行支护时应分别计算边坡支护结构荷载和边坡地基支护结构荷载, 使边坡稳定性和边坡地基承载力均满足要求。
(5) 本文仅讨论防止边坡地基失稳问题, 未涉及控制边坡地基变形问题。边坡地基支护结构应同时满足防止边坡地基失稳和控制边坡地基变形的要求。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范 (GB50007-2011) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.
[2]中华人民共和国国家标准.建筑边坡工程技术规范 (GB50330-2002) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2002.
[3]方玉树.边坡支护结构荷载取值问题研究[J].工程地质学报, 2008, (2) :190~195.
[4]钱家欢等.土工原理与计算 (第二版) [M].北京:中国水利水电出版社, 1996.
[5]方玉树.滑坡支挡结构荷载取值问题研究[J].工程地质学报, 2007, (2) :200~204.
[6]方玉树.滑坡与边坡治理工程加固的两个计算问题[J].工程勘察, 2011, (12) :11~16.
[7]中华人民共和国国家标准.建筑边坡工程鉴定与加固技术规范 (GB 50843-2013) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2013.
结构承载力 篇9
灰色关联分析就是通过对灰色系统中有限数据列的分析,寻求系统内部诸因素间的关系,找出影响目标值的主要因素,从而从总体上把握系统动态运动的规律,分析的主要参数是关联系数Li(k)和关联度D。应用灰色系统理论,对承载力试验结果与其多个试验参数进行灰色关联分析,便可确定影响承载力的主要因素和各影响因素的主次关系,为承载力的进一步研究奠定了基础。如文献[1]在18根CFRP加固钢筋混凝土柱的抗剪试验结果的基础上,应用灰色关联分析的方法,对其抗剪承载力的影响因素进行了分析,得到了各影响因素的主次关系。由于此方法要统计大量数据并对这些数据进行运算,若由人工完成,则耗费大量的精力和时间,而作为一种计算表单软件,Excel软件具有快速数据批处理、可视化交互功能和计算分析三大功能[2],文中探索使用Excel软件来快速实现承载力试验结果的灰色关联分析。
1 灰色关联分析的基本原理
灰色关联度计算时,其数据列不但要有相同的量纲,还要有共同的交点,将各因子序列的平均值去除各因子的所有数据,进行均值化处理,使原始数据具有可比性,这就是原始数据的初始化。设数据列X1={x1(1),x1(2),…,x1(n)},数据列的平均值:
其中,ρ为分辨率,ρ∈(0,1)。求系统中诸因素的关联度Di的公式为
一般情况下,如果关联度Di>0.5,表明此数列与参考数列的相关程度不能忽略。
2 CFRP加固钢筋混凝土柱抗剪承载力影响因素分析
根据对近年来国内大量试验研究以及众多学者的研究分析,一般认为CFRP加固钢筋混凝土柱抗剪承载力的影响因素主要有剪跨比、轴压比、混凝土抗拉强度、CFRP配纤率、CFRP的极限抗拉强度五个,且CFRP加固钢筋混凝土柱抗剪承载力并不等于CFRP抗剪承载力和钢筋混凝土柱抗剪承载力的简单叠加,它们之间存在一个折减的问题,以CFRP强度折减系数αcfs表示。试验表明,αcfs与柱的轴压比、剪跨比和碳纤维布用量等因素有关;而各种试验参数对CFRP加固钢筋混凝土柱抗剪承载力的影响,也都反映在对αcfs 的影响上。因此,用αcfs 来代替加固柱的抗剪承载力作为参考标准。
3 计算实例
文中选用文献[1]碳纤维布加固钢筋混凝土柱抗剪承载力灰度关联分析的基本数据,以18个碳纤维强度发挥折减系数αcfs 作为系统参考序列{x0(k)|k=1,2,…,18},以试件实测的参数:剪跨比λ,轴压比n,混凝土抗拉强度ft,CFRP配纤率ρf,CFRP的极限抗拉强度ff五个参数作为系统的比较参数序列{xi(k)|k=1,2,…,18;i=1,2,…,5}。
3.1 原始数据输入
在工作表Sheet1中的区域(A1:G21)输入原始数据,如图1所示。
3.2 原始数据初始化处理
1)各因子列求平均{
2)各因子列的数据除以各因子列的平均值{x′1(1),x′1(2),…,x′1(n)}操作。在单元格B24至G24依次输入公式:“=B4/$B$22”,“=C4/$C$22”,…,“=G4/$G$22”,选定单元格B24至G24,用拖曳操作快速完成区域(B25:G41)的公式输入。操作结果如图2所示。
3.3 关联系数计算
1)计算
在单元格B43输入公式:“=ABS(C24-$B24)”,用拖曳操作快速完成区域(C43:F43)的公式输入。然后选定单元格B43至G43,用拖曳操作快速完成区域(B44:F60)的公式输入。操作结果如图3所示。
2)计算
在单元格B62和B63中分别输入公式:“=max(B43:G60)”和“=min(B43:G60)”。
3)计算关联系数Li(k)操作。
计算时的分辨率取0.5,即在单元格B65输入:“0.5”。计算关联系数时,在单元格B67输入公式:“=($B$63+$B$64*$B$62)/(B43+$B$64*$B$62)”,用拖曳操作快速完成区域(C67:F67)的公式输入。然后选定单元格B67至G67,用拖曳操作快速完成区域(B68:F84)的公式输入。操作结果如图4所示。
3.4 关联度
计算关联度
用Excel计算表单软件快速得到碳纤维布加固钢筋混凝土柱抗剪承载力五个参数的最终关联度为:Di={0.717,0.661,0.795,0.648,0.738|i=1,2,3,4,5},与文献[1]完全一致。
4 结语
应用Excel计算表单方法计算承载力试验结果各相关影响因素的相关度,避免了繁琐的人工劳动,对于处理多个影响因子的复杂承载力计算时显得尤其有效,可以应用在众多承载力试验的影响因素分析中。
摘要：探讨了Excel的数值计算功能,应用Excel对结构承载力试验结果与其多个试验参数进行灰色关联分析,方法简单有效,并对处理多个影响因子的复杂承载力计算尤为有效,为类似问题的解答提供了借鉴。
关键词：抗剪承载力,关联分析,灰色系统,Excel,计算表单
参考文献
[1]赵全斌,谢剑,赵彤.CFRP加固钢筋混凝土柱抗剪承载力灰色关联分析[J].山东建筑工程学院学报,2005,20(3):7-10.
结构承载力 篇10
随着我国经济社会的不断发展,水资源短缺和水环境恶化等问题表现得越来越突出,已成为我国经济社会发展的严重制约因素。尤以北方地区严重,一些地区地下水严重超采,产生了海水入侵、地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷、泉水断流甚至枯竭以及地下水质恶化, 这些问题的出现都与水资源及水环境承载能力失控密切相关[1]。而我国耕地少, 人口多, 农业的地位举足轻重[2],山东省的农业生产又占据全国首位, 农业生产有赖于水资源的保证。因此, 研究在考虑水资源承载力的前提下, 对山东省的农业结构和布局进行合理的调整,对优化配置水土资源, 促进地区可持续发展有着重要意义。
1山东省农业生产及相应水资源开发利用中主要问题
山东省农业生产在全国的地位举足轻重。粮食、蔬菜、果品、油料、棉花产量位居全国前列。山东省现有耕地面积664万hm2,占全国总耕地面积的7.4%,农田有效灌溉面积481万hm2,其中水田19.73万hm2,旱田396.89万hm2,菜田63.93万hm2。农业用水188亿m3,占全省总用水量的74%,是用水大户。其中井灌面积237万hm2、渠灌面积244万hm2。农业灌溉工程的发展,加快了农业基础设施建设,改善了农业生产条件,提高了农业抵抗旱涝碱等自然灾害的能力,为保证山东省和我国的粮食安全发挥了重要的作用。但是随着工业化和城镇化的过程,一些区域出现了农业生产与水资源开发利用不相适应的问题。
(1)山东省是资源性缺水地区。
山东省人均当地水资源量344 m3,不足全国人均占有量的1/6,位居全国各省(市、自治区)倒数第3位。即使考虑客水资源,黄河水按国家分配指标70亿m3,山东省从南水北调东线工程最大引江水量37亿m3计,按现状人口计算,人均占有水资源量为456 m3,也远远低于国际上公认的维持一个地区经济发展所必需的1 000 m3临界值,属于人均占有量小于500 m3的严重缺水地区。
(2)水资源的分布不均,对农业生产不利。
山东省地处暖温带季风气候区,全年的降水量约有3/4集中在汛期,全年气候的基本特征是春旱、夏涝、晚秋又旱,降水量年际变化具有连丰、连枯、丰枯交替的特点,连枯年出现机遇大于连丰年,连枯时段比连丰历时长。山东省水资源地区分布不均,总的分布趋势是多年平均降雨量从鲁东南沿海的850 mm向鲁西北内陆递减到550 mm,从胶东半岛东南部的800 mm向半岛西北部递减到600 mm,山丘区与平原区,山前平原与黄泛平原地下水资源差别也较大。
(3)城镇化和工业化的进程,大量挤占农业用水量,农业用水呈减少趋势。
随着山东省城镇化和工业化的进程,城镇生活和工业需水量增加很快,而供水保证率要求高,工业和生活新增用水量大量挤占农业用水。过去许多以农业灌溉为主的大中型水库,部分甚至全部转向城市生活或工业供水。过去引黄主要用于灌溉,由于山东省城市缺水严重,先后建成了引黄济青、引黄济淄、济南引黄供水保泉、东营胜利油田等多项引黄工程,部分引黄水量也由农业转向城市和工业。
(4)水污染程度不断加剧,使符合要求的农业灌溉水量进一步减少。
根据2006年山东省65个监测河段的监测资料,全省无一河段符合Ⅰ类水质标准,Ⅱ类水质监测河段有4个,Ⅲ类水质监测河段有8个,Ⅳ类水质监测河段有3个,Ⅴ类水质监测河段有3个,劣Ⅴ类水质监测河段有47个,超Ⅴ类水质河段有50个。可以看出:全省河流水质污染严重,特别是大汶河、小清河、大运河、徒骇马颊河等河流污染尤为严重,并且严重恶化,以有机污染为主,主要污染为城市生活污水、工业废水排放污染。主要超标污染参数有高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮、五日生化需氧量(BOD5)、总磷、化学需氧量(COD)和挥发酚。由此造成符合灌溉水水源要求的水量进一步减少。
2山东一些地区农业结构和布局与水资源承载能力不相适应
2.1大量开采地下水导致海水入侵,使农业生产遭受巨大损失
农业灌溉和工业超采地下水,导致莱州湾地区海、咸水入侵,使大片良田失去了灌溉能力。特别是需水量大的农作物如小麦、玉米种植面积大,需水多但灌溉技术落后,浪费水严重。莱州湾地区是山东省降雨量低值区,自20世纪70年代后期以来,由于降水偏少及持续干旱,地下水补给严重不足,加上国民经济发展迅速,对水的需求量愈来愈大,供需矛盾尖锐。在干旱年无序超采地下水,使地下淡水水位大幅度下降,原有咸淡水稳定界面失去水动力平衡条件,引发了海、咸水入侵。据调查,2005年山东省沿海海咸水入侵面积已达1 141 km2,仅1990年统计海、咸水入侵使近3.3万hm2原有水浇地丧失灌溉能力,报废机井5 472眼。
2.2以寿光为中心的山东省蔬菜基地已形成大面积地下水漏斗区
山东省蔬菜生产历史悠久,具有优越的自然条件和丰富的农业资源,孕育发展了闻名于世的山东蔬菜,20世纪80年代以来实施“菜篮子”工程和“二高一优”农业战略,调整种植业内部结构,强化蔬菜生产,使蔬菜产业蓬勃发展。如北菜园,以寿光为龙头,外加周围的临淄、青州、安丘、昌乐、广饶等县市形成了以冬春保护地栽培和春季早熟栽培为主体的蔬菜产区,产品销向我国北方市场。蔬菜的生产以城郊、工矿区生产基地向农区基地发展,相继建成了寿光、苍山、临淄、滕州、莱芜、金乡、章丘、诸城、莱阳、海阳等10个农区专业化蔬菜生产基地,并形成专业化商品基地。
山东蔬菜的种植面积、蔬菜总产量、蔬菜商品量,尤其是保护地蔬菜面积、产量和速冻蔬菜出口量均居全国第一位,约有50%以上的瓜菜销往兄弟省市,参与全国蔬菜流通。是全世界蔬菜种植面积,特别是保护地蔬菜面积最大的生产基地,山东蔬菜总产量已占世界蔬菜总产量的10%左右[3]。1995年蔬菜播种面积107万hm2,总产量4 000万t,到2000年,瓜菜播种面积达206万hm2,总产量8 372万t[4]。蔬菜生产产量高,根系浅、耗水量大,保证率高,需要频繁地灌溉,以地下水为主要水源,考虑到山东省气候条件的差异、蔬菜结构、复种指数及降雨量条件,一般灌溉总额1.05~1.20万m3/hm2[3],尽管保护地蔬菜比露地蔬菜灌溉定额低,但仍然高于粮食生产的灌溉定额,而且保护地蔬菜灌溉主要以开采地下水灌溉为主。
截止2003年6月全省平原区地下水超采区面积为28 584 km3,其中淄博-潍坊和唐王-枣园超采区连成一片,形成全省最大的超采区,面积6 873 km3。全省地下水水位平均埋深最大区域仍然是淄博市临淄区及其周围的广饶南部、寿光南部和青州北部山前平原区,其中孙娄、辛店、永流一带地下水埋深达45~52 m,仍然在历史低位徘徊。由于平原区降雨入渗补给浅层地下水量与地下水埋深密切相关,当地下水埋深大于6 m以后,降雨入渗补给系数很小,地下水补给量相应也小,继续开采,将导致严重的生态环境问题,例如地面沉降、裂缝及海、咸水入侵等。
2.3 大量的蔬菜调出与山东省水资源短缺不相适应
一般生产1 kg粮食消耗水量1 000 kg,目前山东省粮食生产供需基本平衡,而蔬菜耗水量大,根据山东省蔬菜灌溉试验资料,生产1 kg商品菜田平均需要消耗200 kg水量,水分生产率为每立方米水量生产0.025 kg蔬菜。如果不考虑调入山东省的蔬菜量,按1995年有50%的瓜菜约2 000万t参与外销,相当于从山东省调出了40亿m3水量。南水北调东线工程山东段完成后总调入山东省的引江水量也只有37亿m3,工程和治污投资达400多亿元。
2.4 南水北调东线工程解决不了农业用水的问题
山东省是资源型缺水地区,从长远看,解决该地区的缺水问题需要依赖跨流域调水——南水北调东线工程解决,但南水北调水价较高,主要是解决城市生活和工业用水,因此,农业用水供需矛盾将长期存在。
3 调整农业结构与布局适应现有水资源
首先以水环境质量定供水,其次以供定需。调整农业生产布局与结构,缓解农业用水生态和环境恶化的趋势,最终实现农业水资源可持续利用。
(1)调整农业生产布局,使水资源与“二高一优”农业战略和提高农民收入相适应。山东省引黄灌区由于引黄客水可以充分灌溉,特别是沿黄地区水量和水质均能满足蔬菜生产的需求,而且当地水和黄河水联合运用,避免了生态环境的破坏。
山东省引黄灌区多年平均降雨量587 mm,有效降雨量约344 mm,雨量充沛;同时土地资源也相对较丰富,既是山东省的粮棉油生产基地,也是经济欠发达地区。现状引黄灌区总可供水量525 mm,其中当地地表水和地下水可供水量177.7 mm,引黄补充水量344.5 mm,加上有效降雨量,现状可供农作物的水量877.2 mm。由于引黄灌区特别是沿黄地区,地下水利用率低,若采取井渠结合,地下水和黄河水联合运用,则地下水采补平衡,一般年份可满足蔬菜生产所需水量。而且黄河水水质为Ⅲ类水,可满足灌溉水质的要求。地下水和黄河水联合运用,可达到旱、涝、碱综合治理的目的。因此,山东省北菜园生产基地应逐渐向沿黄地区转移,充分利用沿黄地区的土地、水量和水质条件,增加沿黄地区农民收入。而以寿光为中心的生产基地减少种植面积,总量控制,继续保持原有的市场、贮藏、加工、包装、运销、出口等功能。
(2)推广节水灌溉制度,减少灌溉用水量,提高水资源利用效率。保护地蔬菜灌溉推广膜下微灌技术,膜下微灌与地面灌相比,节水率达33.5%,此外可控制棚内空气湿度和温度,减少病虫害,提高单位灌溉水量的效益。露地栽培蔬菜推广微喷灌溉、滴灌和管灌。结合降雨条件,科学灌溉,保证满足蔬菜需水临界期的灌溉水量,提高蔬菜产量。
(3)充分利用处理后的城市生活污水进行灌溉,减少地下水开采量,缓解城郊工农业争水矛盾。城市生活污水经处理后达到灌溉水质标准可进行灌溉,随着城镇化水平和人民生活水平的提高,生活需水量也相应的增加,这部分水量稳定而且保证率较高,非常适合城郊和工矿区蔬菜的灌溉。在国外,尤其是以色列已经成功地使用了几十年,对蔬菜品质没有影响。目前污水再利用处理的关键是山东省工业和生活污水混合排放,其中的重金属不易处理。山东省是资源型缺水地区,研究出适合各地实际又满足蔬菜安全生产的污水灌溉技术是一项迫切需要解决的问题。
(4)充分利用黄河水、长江水和当地多余雨洪水补源,恢复生态环境。瓜菜生产耗水量大,灌水频繁,目前多以地下水灌溉为主,尤其是保护地蔬菜冬春季用水量较多,尽管山前平原地下水开采模数相对较高,但是根据山东省水平衡计算,一般年份和干旱年无法保证蔬菜需水要求,只有超采地下水,遇到丰水年部分地下水可以得到一定恢复,部分地区恢复很慢,甚至无法恢复。因此,蔬菜生产基地必须重视利用客水和当地多余雨洪水补源,使地下水采补平衡,保证蔬菜稳产、高产、优质。
(5)在保证山东省粮食平衡的基础上,根据水资源承载力,以供定需,适当发展蔬菜生产。粮食安全不仅是关系到国家的稳定和发展,也是我省面临的一个重大问题。从我国经济发展来看,粮食生产由“南粮北运”到目前每年“北粮南运”1 400万t,这相当于从北方向南方调出140~200亿m3的水,这是非常不合理的农业生产布局和水资源利用的配置[5]。但这种结果也是市场经济必然导致的结果,随着南方改革开放经济的快速发展,粮食生产比较效益下降,水利设施数量和粮食播种面积减少,导致粮食增产在全国的贡献率大幅减少。这种发展趋势目前已在山东省重演。未来水资源开发利用的重心向城市供水转移,农业用水总量不但不会增加,减少是必然的。因此在粮食价格较低的情况下,如何保证粮食安全、农业灌溉水利设施的稳定和不减少将是一项艰巨的任务,同时根据山东省水资源的承载力和发展“二高一优”,提高农民收入的战略,以供定需,适度发展蔬菜生产,这方面需作进一步的研究。构筑虚拟水战略,即缺水国家或地区通过贸易的方式从富水国家或地区购买水密集型农产品-例如蔬菜,来获得水和粮食的安全。国家和地区之间的农产品贸易,实际上是以虚拟水的形式在进口或出口水资源。中东地区每年靠粮食补贴购买的虚拟水数量相当于整个尼罗河的年径流量。从虚拟水的概念可以看出,虚拟水以无形的形式寄存在其他的商品中,相对于实体水资源而言,其便于运输的特点使贸易变成了一种缓解水资源短缺的有用工具[6]。
(6)污染严重的沿河地区采用地下水灌溉或种植林带,防止水污染带来的食品安全。由于山东省河流主要为季节性,枯水期干枯,加上处理或未处理的城市和工业污水排放,许多河流水环境容量已满足不了要求。例如小清河沿岸,旱季在水质未能达到灌溉水质之前,禁止引用污水灌溉,政府应投资在解决农民吃水的基础上,沿河岸一定距离打井取浅层地下水灌溉,利用第四系地层处理,有效地将有毒有害重金属去除,保证农产品安全。如果土壤已严重污染,应改种林地,发展林纸产业,增加农民收入。
(7)海咸水入侵区发展旱作农业,沿咸淡水界线应建立地下水水位和水质监测系统。在海水入侵区发展旱作农业,选择耐盐碱抗旱作物品种,推广地膜覆盖技术,大力发展节水灌溉,利用滨海地区入海河流多余洪水回灌补源,以淡压咸。沿咸淡水界线建立地下水位和水质监测系统,划分地下水禁采区、限采区、可开采区。合理指导农民灌溉开采地下水。考虑到造成海水入侵容易,恢复难以及滨海井灌区,农灌机井数量多且分散的特点,应建立海水入侵区农民水环境保护协会[7],发动广大农民有意识的保护地下水环境,可持续发展。
4 结 语
农业是保障国计民生的基础产业,灌溉又是保证农作物稳产高产的充分必要条件。但是随着工业化和城镇化的进程,工农业争水和水污染加重,农业供水的保证程度逐渐降低和供水水质下降,水环境恶化,尤其北方地区地下水是农业供水的主要水源,地下水超采带来了一系列地质环境灾害,同时城市污水灌溉也带来一系列食品安全问题,因此,根据当地水资源的数量和质量,调整农业结构和生产布局势在必行。然而,区域农业产业结构的形成是个长期发展的过程,不仅受水资源的约束,还有人才、技术、资金、政策等综合方面的影响。因此,政府应该从水资源管理的角度上,在政策上出台鼓励、限制和禁止发展的结构调整政策,并进行适当的补贴和补偿,避免竭泽而渔,走可持续发展的道路。水资源高效利用是解决农业灌溉供需矛盾的根本措施。随着国民经济的发展,有了经济实力,对农业水资源高效利用的投入也会相应增加,节水灌溉,城市生活污水处理灌溉等高效措施才能成为现实和必然趋势。
参考文献
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