第一篇：水工結(jié)構(gòu)抗災(zāi)理論及應(yīng)用

淺談水利抗災(zāi)減災(zāi)

[摘 要]: 本文根據(jù)水利工程安全工作的長(zhǎng)期實(shí)踐和研究，論述了水利抗災(zāi)減災(zāi)的重要性；論述了水利安全工作以人為本，加強(qiáng)管理、開展非工程措施工作，打造安全可持續(xù)工程的做法及重大意義。最后，闡述了新世紀(jì)中國的水利抗災(zāi)減災(zāi)工作應(yīng)立足于社會(huì)、經(jīng) 濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]：水利工程；抗災(zāi)減災(zāi)；可持續(xù)發(fā)展

1.前言

水利是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)不可或缺的首要條件，足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可替代的基礎(chǔ)支撐，是生態(tài)環(huán)境改善不可分割的保障系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的公益性、基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性。加快水利改革發(fā)展不僅事關(guān)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展，而且事關(guān)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局；不僅關(guān)系到防洪安全、供水安全、糧食安全，而且關(guān)系到經(jīng)濟(jì)安全、生態(tài)安全、國家安全水利具有很強(qiáng)的公益性質(zhì)，從一定意義上說是一種公共產(chǎn)品，不僅關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，而且關(guān)系到人民群眾的生產(chǎn)生活和生命安全。因此，在大力加強(qiáng)水利建設(shè)的過程中，必須采取綜合措施，提高水利的防災(zāi)減災(zāi)能力，確保廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2.我國水利抗災(zāi)進(jìn)程

新中國成立以來，人民政府領(lǐng)導(dǎo)全國人民進(jìn)行了大規(guī)模的水利水電建設(shè)，取得了舉世矚目的偉大成就。截止1999年底，全國累計(jì)建成水庫大壩8.6萬多座,3其數(shù)量居世界首位；因此而形成的水庫總庫容達(dá)4 6 0 0億m,約為全國河川總

徑流量的17％，初步控制了大江大河的常遇洪水;并形成了5 6 0 0多億m3的年供水能力，建成了水電裝機(jī)7927萬k W。水利水電建設(shè)為保障國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮了重要的作用。但是，大壩是一把雙刃劍。一旦大壩失事潰決，一百多萬方，一千多萬方，甚至數(shù)億方庫水在幾小時(shí)，甚至幾十分鐘內(nèi)，奔騰而下，形成數(shù)米高，甚至幾十米高的水墻席卷下游，所到之處，萬物蕩然無剩，不僅給 水電廠帶來巨大損失，而且給下游人民生命財(cái)產(chǎn)、生存及發(fā)展環(huán)境造成毀滅性的災(zāi)害。1963年8月上旬，當(dāng)海河出現(xiàn)特大洪水時(shí)，水庫大壩沖毀319座，其中中型水庫5座，死亡人數(shù)達(dá) 1464人，財(cái)產(chǎn)損失約60億元。1 975年8月，淮河發(fā)生大洪水，潰壩22座，其中包括板橋、石漫灘兩座大型水庫潰壩，造成二萬多人死亡，京廣鐵路中斷48d，財(cái)產(chǎn)損失約100億元，生態(tài)環(huán)境也遭到嚴(yán)重破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國至今約3000座壩垮壩失事，潰壩率達(dá) 3 ．5 ％，高于世界平均潰壩率。因此，大壩急需加強(qiáng)管理。1985年11月，水利電力部批文成立了水電站大壩安全監(jiān)察中心。對(duì)部屬水電站(國務(wù)院體制改革后，國家經(jīng)貿(mào)委授權(quán)對(duì)全 國電力系統(tǒng))大壩安全工作進(jìn)行規(guī)劃、監(jiān)督、指導(dǎo)和服務(wù)。“ 安全第一，預(yù)防為主”是大壩安全管理的基本方針。根據(jù)這一方針，水利部以人為本，做了大量非工程措施的工作，并取得了較好的效益。

3．水利抗災(zāi)減災(zāi)的措施

3.1積極運(yùn)用傳感技術(shù)和傳感網(wǎng)預(yù)防洪水、滑坡、泥石流等災(zāi)害

隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的不斷深人，集信息獲取、數(shù)據(jù)傳輸與處理、智能決策于一 身的新興傳感技術(shù)和傳感網(wǎng)，在防災(zāi)減災(zāi)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。發(fā)達(dá)同家利用傳感 網(wǎng)進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)起步早，很多同家已經(jīng)形成了準(zhǔn)確獲取災(zāi)害信息、及時(shí)發(fā)布災(zāi)害信息和應(yīng)急處置聯(lián)動(dòng)的快速反應(yīng)機(jī)制，取得了顯著成果。比如，在洪水監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，日本已經(jīng)建立了高密度的地面自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站。在200 km左右的小流域設(shè)置水文觀測(cè)站點(diǎn)就達(dá)4 0多個(gè)，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)小范圍洪水災(zāi)害并及時(shí)通知人員避險(xiǎn)發(fā)揮 了重要作用。美國、加拿大、澳大利亞等幅員遼闊、人口密度較低的同家則采用適當(dāng)密度的地面自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)和高頻次衛(wèi)星對(duì) 地觀測(cè)相結(jié)合的模式進(jìn)行水文監(jiān)測(cè)。在滑坡、泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，日本建立了災(zāi)害多發(fā)地區(qū)泥石流預(yù)警系統(tǒng)，通過上游泥石流形成區(qū)降雨資料的統(tǒng)計(jì)分析和比較判別，確定臨界雨量報(bào)警線，并自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。美國1985年就在舊金山灣地區(qū)建立了滑坡泥石流預(yù)警系統(tǒng)，運(yùn)川地面伸縮儀、傾斜儀、地聲監(jiān)測(cè)儀、地下水壓力傳感器和雨量計(jì)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

我國是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，近年來頻繁發(fā)生的洪水、泥石流、滑坡等自然災(zāi)害給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)造成重大損火。由于資金、技術(shù)等原因，多年來，我預(yù)防洪水、泥石流、滑坡等自然災(zāi)害方面一直注重傳統(tǒng)的“群測(cè)群防 ”。以人丁巡視巡查為主，雖然也取得了很大成效，但由于技術(shù)手段比較落后，在夜晚或惡劣大氣時(shí)很難取得準(zhǔn)確的觀測(cè)結(jié)果，從而在災(zāi)害險(xiǎn)情出現(xiàn)時(shí)及時(shí)通知災(zāi)區(qū)居民的難度較大。極易錯(cuò)失預(yù)警時(shí)機(jī)，巡視巡查人員的自身安全也受到威脅。近年，我同積極運(yùn)用傳感網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi),但從總體上看，與發(fā)達(dá)同家仍有較大差距，存在一些有待解決的問題。比如，在水情監(jiān)測(cè)方面我國水文站網(wǎng)大部分分布住較大河流和大型水庫，而中小河流站點(diǎn)極少，特別是在洪災(zāi)害多發(fā)區(qū)，捕捉突發(fā)性暴雨山洪第一于實(shí)測(cè)信息的能力史差。這種狀況難以適應(yīng)日益嚴(yán)峻的防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)。有關(guān)研究表明，防災(zāi)減災(zāi)傳感網(wǎng)建設(shè)所需的資金投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由于災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)不及時(shí)所造成的財(cái)產(chǎn)損失和救災(zāi)重建費(fèi)用。因此、在“ 十二五” 期間，應(yīng)制定和完善有關(guān)政策措施，盡快推廣普及傳感技術(shù)和傳感網(wǎng)在預(yù)防洪水和滑坡、泥石流等災(zāi)害方面的應(yīng)用。應(yīng)在科學(xué)規(guī)劃、合力布局、改造原有網(wǎng)站和建設(shè)新網(wǎng)站齊頭并進(jìn)的基礎(chǔ)上，增加傳感網(wǎng)建設(shè)投入，簡(jiǎn)化項(xiàng)目審批程序，加快建設(shè)進(jìn)度，推動(dòng)動(dòng)我科技防災(zāi)減 災(zāi)能力實(shí)現(xiàn)跨越式提升。同時(shí)，應(yīng)完善有關(guān)法律法規(guī)。明確地方政府相關(guān)職責(zé)，增加人力、技術(shù)、管理等方面專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，以保障傳感觀測(cè)站點(diǎn)的日常維護(hù)和傳感網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。

3.2開展廣泛而持久的安全教育

依法治壩、科學(xué)防災(zāi)，這是完全不同于以往傳統(tǒng)的管壩思路和管壩方式。為了使依法治壩、科學(xué)防災(zāi)深入人心，就需要對(duì)大壩運(yùn)行管理人員進(jìn)行廣泛而持久的大壩安全教育。國家電力公司歷來重視大壩安全教育。堅(jiān)持每年汛前召開水電站防汛和大壩安全工作會(huì)議，宣傳防汛和大壩安全工作意義，總結(jié)和交流上一年防汛經(jīng)驗(yàn)，分析當(dāng)前防汛形勢(shì)，落實(shí)責(zé)任制，落實(shí)防汛任務(wù)和要求。大壩安全培訓(xùn)是大壩安全教育的重要形式，根據(jù)我國電力系統(tǒng)現(xiàn)階段 的管理格局，大壩安全培訓(xùn)采用三級(jí)培訓(xùn)。

采用請(qǐng)進(jìn)來和走出去的辦法，加強(qiáng)了與國外的技術(shù)交流，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)管理技術(shù)。1 9 9 2年，在杭州舉辦了大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)國際學(xué)術(shù)會(huì)議，1999年，又在三峽舉辦了大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)國際學(xué)術(shù)會(huì)議。為了普及和交流大壩安全科學(xué)

知識(shí)，成立大壩安全監(jiān)測(cè)信息網(wǎng)?，F(xiàn)有教育、科研、設(shè)計(jì)、施工、儀器廠家、管理部門、運(yùn)行單位等近2 0 0家參加。每年開展活動(dòng)，進(jìn)行多學(xué)科交流 ；成立水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)下的大壩安全管理專業(yè)委員會(huì)和大壩安 全監(jiān)測(cè)專業(yè)委員會(huì)，開展科學(xué)普及和信息交流工作。

3.3持續(xù)不斷地開展安全檢查

安全檢查是及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩安全隱患的一項(xiàng)重要手段，與儀器監(jiān)測(cè)相輔相成。通過安全檢查可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩一些異常現(xiàn)象，如裂縫產(chǎn)生，新增滲漏點(diǎn)，混凝土沖刷和凍融，壩基析出物，局部變形等等，這些缺陷用儀器監(jiān)測(cè)常常反映不出來；并且，當(dāng)前儀器是采用單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方法，很難做到監(jiān)測(cè)部位恰恰是大壩出事地點(diǎn)，如美國1971年提堂壩失事，當(dāng)時(shí)在右岸的一個(gè)窄斷層 突然發(fā)生管涌，不到6h就造成垮壩，而監(jiān)測(cè)儀器對(duì)此卻沒有記錄。據(jù)捷克斯洛伐克和法國統(tǒng)計(jì)大壩7 0％的老化現(xiàn)象和異常現(xiàn)象是由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)檢查 中發(fā)觀的。我國柘溪和梅山大壩出現(xiàn)險(xiǎn)情，也是在現(xiàn)場(chǎng)檢查中發(fā)現(xiàn)的。因此，只有儀器監(jiān)測(cè)是不夠的，必須同時(shí)開展安全檢查。根據(jù)安全檢查的不同深度，大壩安全檢查分為日常巡查，年度詳查，定期檢查和特種檢查四種。

3.4強(qiáng)化法制建設(shè)推行依法治壩

大壩安全管理工作千頭萬緒，抓制度、抓法治是根本。國家提出實(shí)行依法治國，建立社全主義法治國家，這一治國方略落實(shí)到大壩安全管理上，就是依法治壩。因此，“大壩中心 ” 在邊組建的情況下，就組織力量，代部編制了《 水電站大壩安全管理暫行辦法》，經(jīng)過大量工作，1987年9月由水利部頒布試行，這是我國第一部專門性的大壩安全管理法規(guī)?！?水電站大壩安全管理暫行辦法》對(duì)大壩安全管理內(nèi)容、工作程序、要求都做了規(guī)定，特別是明確了防災(zāi)減災(zāi)主體，明確了生態(tài)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)主體，明確了大壩安全責(zé)任制。根據(jù)“誰管的水電站，誰承擔(dān)大壩安全責(zé)任” 的原則，規(guī)定了電力系統(tǒng)各級(jí)管理機(jī)構(gòu)在大壩安全管理中的責(zé)任，規(guī)定了勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等參加水電站大壩建設(shè)單位對(duì)大壩安全應(yīng)負(fù)的責(zé)任，也規(guī)定了政府 的責(zé)任。它是中國現(xiàn)階段工程建設(shè)的管理體制和大壩安全工作機(jī)制的反映。當(dāng)大壩安全責(zé)任 制在行政法規(guī)上作出規(guī)定后，使一級(jí)管一級(jí)，一級(jí)抓一級(jí)更具確定性、權(quán)威性和嚴(yán)肅性，這非常有利于大壩安全管理工作的開展。

3.5實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)一步做好水利安全工作

新世紀(jì)中國的水利建設(shè)將立足于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展，這也是時(shí)代向大壩安全管理提出的要求。中國是世界上最大的發(fā)展中國家，為了確保中國人民生存和發(fā)展所需要的水資源，保護(hù)和改善人民居住環(huán)境，提供優(yōu)質(zhì)的電力，管好大壩，責(zé)無旁貸。實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，安全工作是重要 內(nèi)容之一。

4.結(jié)語

水利工程安全工作至關(guān)重要，它涉及到千百萬人民生命財(cái)產(chǎn)的安全、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定，是全社會(huì)所關(guān)心的公共安全問題，責(zé)任重于泰山。因此，做好水利的防災(zāi)減災(zāi)工作是必要與刻不容緩的。水利防災(zāi)減災(zāi)工作取得了很多成功，也面臨很多困難和挑戰(zhàn)，等待著我們?nèi)ソ鉀Q。水利防災(zāi)減災(zāi)能力的提高是我們持續(xù)面臨的一個(gè)問題，我們?cè)谖找M(jìn)消化創(chuàng)新方面已經(jīng)取得了很大成效，更好的服務(wù)于我國的水利事業(yè)又不斷鞭策著我們?yōu)樗踩龀鑫覀兏蟮呐Α?/p>

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第二篇：現(xiàn)代機(jī)械強(qiáng)度理論及應(yīng)用

關(guān)于鋼絲繩的疲勞斷裂綜述

課程：現(xiàn)代機(jī)械強(qiáng)度理論及應(yīng)用姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)：機(jī)械工程

關(guān)于鋼絲繩的疲勞斷裂綜述

摘要

本文主要是對(duì)國內(nèi)關(guān)于鋼絲繩疲勞斷裂問題研究的報(bào)告論文進(jìn)行綜述性的的總結(jié)，主要是關(guān)于鋼絲繩在材料選擇，加工工藝，熱處理，表面磨損，疲勞強(qiáng)度等方向上的國內(nèi)論文進(jìn)行綜述性的總結(jié)歸納，以更好的了解國內(nèi)對(duì)鋼絲繩疲勞斷裂問題的研究進(jìn)展。

Abstract This paper mainly reviewed the summary of the domestic research on the problem of wire rope fatigue fracture report papers, mainly on the wire rope in the choice of materials, processing technology, heat treatment, surface wear, fatigue strength and direction of the domestic paper reviewed the summary of domestic research on the steel wire rope fatigue fracture problems the progress in understanding better

關(guān)鍵字 疲勞斷裂、磨損、引言

鋼絲繩是一種柔性空間螺旋結(jié)構(gòu)鋼制品，將熱軋鋼線材冷拉成鋼絲，然后按一定規(guī)則捻制成螺旋狀鋼絲束，其承載力和強(qiáng)度較高，且具有柔軟性和吸收阻尼等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、航空航天、機(jī)械加工、建筑施工、橋梁建設(shè)和交通通訊等領(lǐng)域，其安全與否直接影響到各行業(yè)的安全生產(chǎn)使用和經(jīng)濟(jì)問題。例如，電梯鋼絲繩安全與否是保障電梯安全運(yùn)行的重要因素，直接影響到人流的運(yùn)輸甚至危及生命，所以在對(duì)電梯進(jìn)行安全檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將電梯鋼絲繩的安全檢測(cè)作為核心部分;起重機(jī)用鋼絲繩一般用來懸吊重物并傳遞動(dòng)力，其安全性是人們長(zhǎng)期以來一直關(guān)心的問題;在架空索道中，鋼絲繩扮演著纜車牽引的角色，鋼絲繩是否安全可靠直接關(guān)系到纜車的安全性能;礦井提升鋼絲繩擔(dān)負(fù)著提升煤炭、升降人員和下放材料等重要任務(wù)，是維系井下和地面的主要運(yùn)輸工具，在整個(gè)煤礦生產(chǎn)中占有非常重要的地位，其可靠性直接關(guān)系到礦井正常生產(chǎn)和人員生命安全，一旦出現(xiàn)鋼絲繩斷裂，輕則財(cái)產(chǎn)損失，重則井毀人亡，造成重大事故。

目前，國內(nèi)對(duì)鋼絲繩的研究已經(jīng)十分豐富，研究手段也越來先進(jìn)，比如，應(yīng)用顯微鏡觀察鋼絲繩微觀裂紋，研究其斷裂源的萌生及裂紋的擴(kuò)張。運(yùn)用金相分析研究其表面磨損材料的組成等。下面我們就幾種典型的方法進(jìn)行綜述。

一、國內(nèi)狀況

1.微動(dòng)磨損對(duì)疲勞斷裂的影響

張德坤等采用拉-拉疲勞試驗(yàn)并在顯微鏡下觀察微動(dòng)磨損導(dǎo)致鋼絲繩磨損深度與橫截面積損失對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。得到了疲勞試驗(yàn)中軸向應(yīng)變隨載荷變化保持穩(wěn)定而疲勞壽命隨磨損深度與橫截面積損失而減小的結(jié)論。證明在微動(dòng)磨損中疲勞強(qiáng)度與軸向應(yīng)變關(guān)系不大，疲勞壽命減小的主要原因是:隨著時(shí)間的增加微動(dòng)磨損缺口處磨損深度不斷增加應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，使缺口深度進(jìn)一步增加并向周圍擴(kuò)散形成裂紋源，隨著施加應(yīng)力裂紋進(jìn)一步擴(kuò)散造成大量橫截面積損失致使疲勞強(qiáng)度下降超過其斷裂強(qiáng)度導(dǎo)致材料斷裂。

2.小直徑鋼絲繩的軸向疲勞特征分析

王春暉等通過運(yùn)用合聲發(fā)射技術(shù)與顯微分析手段對(duì)小直徑鋼絲繩進(jìn)行疲勞斷裂分析畫出其S-N曲線。發(fā)現(xiàn)：以第六根鋼絲斷裂為準(zhǔn)，第一根斷絲與第二根斷絲斷絲時(shí)間間隔較長(zhǎng)而后三根斷絲時(shí)間間隔較短且后斷絲所受載荷大小對(duì)其壽命影響不明顯。當(dāng)疲勞載荷降低到某一值時(shí)后三根鋼絲幾乎同時(shí)斷裂而繼續(xù)下降則疲勞壽命又極大增長(zhǎng)。這說明正根鋼絲繩并不存在真正的疲勞壽命極限，主要原因是鋼絲繩是絲股捻織成的復(fù)雜組合體，絲與絲之間股與股之間在運(yùn)作過程中存在接觸應(yīng)力，摩擦應(yīng)力以及微動(dòng)磨損導(dǎo)致其疲勞失效原因十分復(fù)雜。同時(shí)通過顯微觀察先斷絲疲勞區(qū)大瞬斷區(qū)小斷面更光滑，這主要是由于先斷區(qū)受力較小且被夾在諸絲之間不斷被擠壓研磨，而后斷絲瞬時(shí)區(qū)較大且較為松散斷裂較為迅速致使其斷裂面較為粗糙。3.斷裂區(qū)表面材料金相分析鋼絲繩斷裂原因

張德英通過宏觀檢驗(yàn)與金相分析研究發(fā)現(xiàn)：在同一截面斷裂處磨損一側(cè)有白亮層其為馬氏體組織，而未磨損一側(cè)處為正常索氏體組織與少量鐵素體鋼絲繩外表面馬氏體連續(xù)而鋼絲表面馬氏體不連續(xù)，從而說明鋼絲繩在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于潤(rùn)滑不良而產(chǎn)生極大的摩擦使鋼絲繩表面產(chǎn)生大量馬氏體組織而馬氏體相本身是一脆性相，耐磨性極差疲勞裂紋首先在馬氏體處產(chǎn)生使鋼絲繩斷裂，所以表面馬氏體極大降低了鋼絲繩的疲勞強(qiáng)度。

4.鋼絲繩的外觀缺陷對(duì)其疲勞強(qiáng)度的影響

徐濤通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩表面損傷，腐蝕，斷絲與鋼絲交錯(cuò)對(duì)鋼絲繩疲勞強(qiáng)度都有影響，首先繩股松弛不均一般其疲勞強(qiáng)度與正常鋼絲繩無異，但其會(huì)使鋼絲繩更易于與滑輪發(fā)生摩擦導(dǎo)致其疲勞強(qiáng)度下降。銹蝕與表面磨損易使鋼絲繩產(chǎn)生表面裂紋，其在拉力作用下發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象從而使裂紋不斷擴(kuò)張直到鋼絲繩斷裂。存在斷絲會(huì)使其余鋼絲上的載荷加劇，而斷絲處往往又是應(yīng)力集中處這樣又會(huì)使此處鋼絲繩載荷加大斷裂進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)鋼絲繩斷裂。鋼絲的交錯(cuò)對(duì)鋼絲繩的拉伸性能影響并不明顯，但是鋼絲的交錯(cuò)處是疲勞裂紋，應(yīng)力集中發(fā)生的根源，發(fā)生交錯(cuò)會(huì)極大減少鋼絲繩的疲勞壽命。5.鋼絲繩的熱處理及拔拉過程對(duì)其強(qiáng)度的影響

黃忠渠通過分析鋼絲繩熱處理過程中的索氏體化是否完全發(fā)現(xiàn)：在熱處理過程中如果淬火階段鋼絲繩索氏體化越完全其疲勞強(qiáng)度高，但由于鋼絲繩加熱溫度，淬火溫度及淬火速度不易控制致使鋼絲繩索氏體化不完全從而極大降低了鋼絲繩的強(qiáng)度。

同時(shí)，在鋼絲繩的拔拉過程中由于拔模質(zhì)量的原因致使鋼絲繩在拔?？字凶冃尾痪鶆?，在遠(yuǎn)離鋼絲繩中心的邊緣區(qū)受到過多外摩擦力與孔模影響使其變形較大硬度較高，所以當(dāng)孔模表面較粗糙時(shí)，由于受力變形不均致使鋼絲繩內(nèi)部殘余應(yīng)力較大疲勞強(qiáng)度降低。

二、國外情況

Jeong-In Suh運(yùn)用了拉丁方設(shè)計(jì)法進(jìn)行吊橋鋼絲繩繩的疲勞試驗(yàn)，以測(cè)試其應(yīng)力范圍，平均應(yīng)力和試樣長(zhǎng)度三種參數(shù)對(duì)吊橋鋼絲繩的軸向疲勞的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)力范圍的影響結(jié)果和預(yù)期是一致的，但試樣長(zhǎng)度的影響卻與預(yù)期結(jié)果相悖，而平均應(yīng)力的影響則隨著所選的應(yīng)力范圍的變化而變化。Marco Giglio等進(jìn)行了在恒定載荷下直升機(jī)救援提升鋼絲繩的彎曲疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如果減少要鋼絲繩的機(jī)械性能的損傷，必須限制測(cè)試裝置的擺角在28。以下這樣才不會(huì)發(fā)生疲勞損傷，而在較大擺角的情況下，鋼絲繩內(nèi)部會(huì)經(jīng)常斷絲，Paton等開展了六股繩與螺旋鋼絲繩的拉一拉疲勞行為研究，來檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中鋼絲繩強(qiáng)度和剛度度的變化，得出了剛度和強(qiáng)度之間的線性關(guān)系，并且確定了剩余疲勞強(qiáng)度和疲勞周期的關(guān)系，并且確定了六股繩和螺旋繩新的疲勞下界為其損失10%的強(qiáng)度，它有益于制定鋼絲繩報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn) 展望

現(xiàn)在關(guān)于鋼絲繩的疲勞斷裂問題國內(nèi)國外多是集中在其磨損裂紋，材料性質(zhì)，加工工藝等方面，而對(duì)鋼絲繩具體的受力分析，及每條鋼絲的受力狀態(tài)的分析很少，這主要是應(yīng)為鋼絲繩及其每條鋼絲應(yīng)為加工工藝，捻股及工作環(huán)境不同使其受力很難分析，今后可能會(huì)在鋼絲繩鋼絲受力分析上及運(yùn)用能量法等方式對(duì)其疲勞斷裂的研究。

參考文獻(xiàn)：

鋼絲的微動(dòng)磨損及其對(duì)疲勞斷裂行為的影響研究_張德坤

徐濤，徐臻，黃志偉，等.鋼絲繩外觀缺陷對(duì)其力學(xué)性能影響的研究 張德英，單聯(lián)敏.鋼絲繩使用中斷絲原因分析

影響鋼絲繩疲勞斷裂的因素及提高疲勞壽命的技術(shù)措施_黃忠渠 小直徑鋼絲繩的軸向疲勞斷裂特征分析_王春暉

第三篇：水工結(jié)構(gòu)計(jì)算與應(yīng)用題庫

1.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)中，沒有 A.強(qiáng)度高

B.耐久性好

C.耐火性好

D.自重大

D

2.鋼筋和混凝土能共同工作的主要原因之一是 A.承載能力得到提高

B.變形性能得到改善

C.兩者之間有良好的黏結(jié)力

D.兩者能相互保溫、隔熱

C

3.下列不屬于混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的是 A.耐久性好

B.耐火性好

C.可模性好

D.抗裂性好

D

4.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最主要缺點(diǎn)是： A.使用階段帶裂縫工作

B.自重大

C.施工周期長(zhǎng)

D.承載力低

A

5.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在下列缺點(diǎn)，但不包括 A.自重大

B.抗裂性較差

C.建造較費(fèi)工

D.整體性較好

D 6.既能減輕混凝土結(jié)構(gòu)自重，又能提高混凝土構(gòu)件抗裂性的方法是 A.大力研究輕質(zhì)、高強(qiáng)混凝土

B.采用預(yù)應(yīng)力混凝土

C.采用預(yù)制裝配構(gòu)件

D.采用工業(yè)化的現(xiàn)澆施工方法

B

7.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)除了能合理利用鋼筋和混凝土兩種材料的性能外，還具有下列優(yōu)點(diǎn)

A.耐久性、耐火性、抗裂性

B.整體性、重量輕、耐火性

C.可模性、節(jié)約鋼材

D.抗震性、便于就地取材

C

8.普通混凝土是由

A.水泥、沙子和石子三種材料及水按一定配比拌合而成

B.水泥、沙子、石子和鋼筋四種材料及水拌合而成

C.水泥、沙子、石子、水和鋼筋四種材料組成

D.水泥、沙子和石子三種材料及水組成

A

9.以下哪項(xiàng)不是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) A.耐久性好

B.耐火性好

C.整體性好

D.自重輕

D

10.以下哪項(xiàng)不是鋼筋和混凝土兩種材料能結(jié)合在一起共同工作的原因 A.鋼筋與混凝土之間存在良好的粘結(jié)性

B.具有相近的溫度線膨脹系數(shù)

C.混凝土保護(hù)鋼筋，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性

D.混凝土具有較好的延性

D

11.鋼筋混凝土梁工作中由于產(chǎn)生過大的裂縫而影響正常使用，則可認(rèn)定此構(gòu)件不滿足下列哪項(xiàng)功能要求 A.安全性

B.適用性

C.耐久性

D.上述三項(xiàng)均不滿

B

12.以下哪項(xiàng)不是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。

A.施工復(fù)雜，工序多，工期長(zhǎng)，施工受季節(jié)、天氣的影響較大

B.修復(fù)、加固、補(bǔ)強(qiáng)比較困難

C.現(xiàn)澆費(fèi)模板

D.強(qiáng)度低

D

13.以下哪項(xiàng)不是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn) A.自重大

B.抗裂性差

C.現(xiàn)澆費(fèi)模板

D.強(qiáng)度低

D

14.鋼筋與混凝土這兩種性質(zhì)不同的材料之所以能有效地結(jié)合在一起而共同工作，主要是由于

A.混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)

B.混凝土對(duì)鋼筋的包裹

C.砼硬化后，鋼筋與砼能很好粘結(jié)，且兩者線膨系數(shù)接近

D.兩者線膨系數(shù)接近

C

15.以下哪項(xiàng)不是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) A.耐久性好

B.耐火性好

C.整體性好

D.自重輕

D 1.結(jié)構(gòu)的可靠性不包括下列哪項(xiàng)

A.安全性

B.耐火性

C.耐久性

D.適用性

B

2.我國規(guī)范以何種概率法為基礎(chǔ)？ A.半概率。

B.近似概率。

C.全概率。

D.半概率、半經(jīng)驗(yàn)

B

3.安全等級(jí)為二級(jí)的建筑，屬脆性破壞的構(gòu)件，其β值為： A.3.7

B.3.2

C.4.2

D.2.7

A

4.結(jié)構(gòu)使用年限超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期后： A.結(jié)構(gòu)即喪失其功能

B.可靠度不變

C.可靠度減小

D.可靠度增加

C

5.我國目前規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為： A.20

B.30

C.50

D.100

C 6.混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的判別基礎(chǔ)是： A.大面積內(nèi)出現(xiàn)縱向裂縫

B.到達(dá)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期

C.混凝土出現(xiàn)碳化

D.鋼筋出現(xiàn)局部銹蝕

A

7.在正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中，材料強(qiáng)度的取值應(yīng)為下列哪項(xiàng)。A.設(shè)計(jì)值

B.均可

C.標(biāo)準(zhǔn)值

D.D與C相反

C

8.下列哪項(xiàng)關(guān)于可靠指標(biāo)β與失效概率Pf之間的關(guān)系敘述是正確的。A.可靠指標(biāo)β愈小，失效概率Pf愈大

B.可靠指標(biāo)β愈小，失效概率Pf愈小

C.可靠指標(biāo)β愈大，失效概率Pf愈大

D.可靠指標(biāo)β愈大，失效概率Pf不變

A

9.1級(jí)水工建筑物基本組合時(shí)的承載力安全系數(shù)K應(yīng)取下列哪項(xiàng)。A.1.35

B.1.25

C.1.20

D.1.0

A

10.1級(jí)水工建筑物的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)為下列哪項(xiàng) A.25年

B.50年

C.75年

D.100年

D 11.凡是具有獨(dú)立設(shè)計(jì)文件，竣工后可以獨(dú)立發(fā)揮生產(chǎn)能力或效益的工程為 A.1.35

B.1.25

C.1.20

D.1.15

D

12.下列哪項(xiàng)不屬于永久荷載。A.梁的自重

B.風(fēng)荷載

C.固定設(shè)備自重

D.板的自重

B

13.當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，不是超過了承載能力極限狀態(tài)。A.整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分失去剛體平衡，如擋土墻的滑移等

B.結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞），或因過度變形而不適于繼續(xù)承載

C.結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定，如柱壓曲等

D.影響結(jié)構(gòu)正常使用或外觀的變形

D

14.1級(jí)水工建筑物發(fā)生延性破壞的目標(biāo)可靠指標(biāo)應(yīng)為下列哪項(xiàng) A.2.7

B.3.2

C.3.7

D.4.2

C

15.下列哪種荷載屬于可變荷載 A.雪荷載

B.樓面活荷載

C.浪壓力

D.結(jié)構(gòu)自重

B

16.下列哪種荷載屬于可變荷載 A.結(jié)構(gòu)自重

B.固定設(shè)備重量

C.地震作用

D.風(fēng)荷載

D

17.荷載效應(yīng)S、結(jié)構(gòu)抗力R作為兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)變量，其功能函數(shù)Z=R－S，下列敘述正確的是哪項(xiàng) A.Z＞0 結(jié)構(gòu)安全

B.Z=0 結(jié)構(gòu)失效

C.Z=0 結(jié)構(gòu)失效

D.Z＞0 結(jié)構(gòu)失效

A

18.以下哪項(xiàng)不是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

A.施工復(fù)雜，工序多，工期長(zhǎng)，施工受季節(jié)、天氣的影響較大

B.修復(fù)、加固、補(bǔ)強(qiáng)比較困難

C.現(xiàn)澆費(fèi)模板

D.材質(zhì)均勻

D

19.以下哪項(xiàng)不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的功能要求

A.安全性

B.耐久性

C.抗凍性

D.適用性

C

20.荷載標(biāo)準(zhǔn)值是具有下列哪項(xiàng)保證率的荷載取值 A.85%

B.90%

C.95%

D.98%

C

21.下列哪個(gè)梁需要設(shè)置腰筋。A.梁高h(yuǎn)=300mm

B.梁高h(yuǎn)=400mm

C.梁高h(yuǎn)=450mm

D.梁高h(yuǎn)=500mm

D

22.結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)取值與下列哪項(xiàng)無關(guān)。A.建筑物級(jí)別

B.極限狀態(tài)

C.破壞性質(zhì)

D.結(jié)構(gòu)種類

C

23.承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)不需要考慮下列哪種組合。A.基本組合

B.偶然組合

C.長(zhǎng)期組合

D.A+B

C

24.以下哪項(xiàng)不是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過承載能力對(duì)應(yīng)的狀態(tài) A.整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分失去剛體平衡

B.結(jié)構(gòu)構(gòu)件因超過材料強(qiáng)度而破壞

C.影響結(jié)構(gòu)正常使用或外觀的變形

D.結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定

C

25.可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值具有的保證率應(yīng)為下列哪項(xiàng)。A.85%

B.90%

C.95%

D.100%

C

26.建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的功能要求是下列哪些。A.經(jīng)濟(jì)、適用、美觀

B.安全性、適用性、耐久性

C.安全、舒適、經(jīng)濟(jì)

D.可靠性、穩(wěn)定性、耐久性

B

27.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的混凝土抗壓強(qiáng)度是下列哪項(xiàng) A.立方體強(qiáng)度

B.棱柱體強(qiáng)度

C.彎曲抗壓強(qiáng)度

D.圓柱體強(qiáng)度

B

28.荷載標(biāo)準(zhǔn)值是具有多少保證率的荷載取值。A.80%

B.85%

C.90%

D.95%

D

1.混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸是 A.150×150×150

B.150×150×300

C.200×200×400

D.150×150×400

A

2.屬于有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋有 A.冷拉鋼筋

B.鋼絲

C.熱處理鋼筋

D.鋼絞線

A

3.混凝土中以下何項(xiàng)敘述為正確 A.水灰比愈大徐變愈小

B.水泥用量愈多徐變愈小

C.養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度愈大徐變愈大

D.骨料愈多徐變愈小

D

4.高碳鋼筋采用條件屈服強(qiáng)度，以σ0.2 表示，即： A.取極限強(qiáng)度的20 %

B.取應(yīng)變?yōu)?.002 時(shí)的應(yīng)力

C.取應(yīng)變?yōu)?.2 時(shí)的應(yīng)力

D.取殘余應(yīng)變?yōu)?.002 時(shí)的應(yīng)力

D

5.混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fc＝fck/γc，γc是由下述方法確定 A.工程經(jīng)驗(yàn)

B.保證率 95%

C.滿足β＝ 3.2 的要求

D.滿足β＝ 3.7 的要求

B

6.立方體抗壓強(qiáng)度的測(cè)試中，標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的尺寸為 A.200×200×200mm

B.150×150×150mm

C.100×100×100mm

D.115×115×115mm

B

7.規(guī)范規(guī)定的受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度ｌa為： A.隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大

B.隨鋼筋等級(jí)提高而降低

C.隨混凝土等級(jí)提高而減少，隨鋼筋等級(jí)提高而增大

D.隨混凝土及鋼筋等級(jí)提高而減少

C

8.鋼絲的直徑一般小于等于下列哪項(xiàng) A.3mm

B.4mm

C.5mm

D.6mm

C

9.硬鋼的條件屈服極限是指下列哪項(xiàng) A.鋼筋應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)變

B.由此應(yīng)力卸載到鋼筋應(yīng)力為零時(shí)的殘余應(yīng)變?yōu)?.2%

C.鋼筋彈性應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力

D.鋼筋彈性應(yīng)變?yōu)?.02%時(shí)的應(yīng)力

B

10.軟鋼經(jīng)冷拉后按下列哪項(xiàng)變化。A.屈服強(qiáng)度提高但塑性降低

B.屈服強(qiáng)度提高塑性不變

C.屈服強(qiáng)度提高塑性提高

D.屈服強(qiáng)度合抗壓強(qiáng)度均提高但塑性降低

A

11.混凝土的最大壓應(yīng)變一般與下列哪項(xiàng)最接近。A.0.002

B.0.0033

C.0.001

D.0.005

B

12.鋼筋的最小錨固長(zhǎng)度la與下列哪種因素?zé)o關(guān) A.鋼筋類型

B.混凝土強(qiáng)度等級(jí)

C.結(jié)構(gòu)級(jí)別

D.鋼筋直徑

C

13.為了保證綁扎的粘結(jié)強(qiáng)度的可靠性，規(guī)范規(guī)定下列哪項(xiàng)是正確的 A.所有鋼筋末端必須做成半圓彎鉤

B.所用光圓鋼筋末端必須做成半圓彎鉤

C.受拉的光圓鋼筋末端必須做成半圓彎鉤

D.受拉的帶肋鋼筋末端必須做成半圓彎鉤

C

14.鋼筋半圓彎鉤的長(zhǎng)度應(yīng)為下列哪項(xiàng) A.3.25d

B.4.25d

C.5.25d

D.6.25d

D

15.混凝土的徐變與下列哪個(gè)因素?zé)o關(guān) A.應(yīng)力

B.溫度

C.加荷齡期

D.應(yīng)變

D

16.鋼筋機(jī)械連接接頭連接區(qū)段的長(zhǎng)度應(yīng)為下列哪項(xiàng)(A.35d

B.40d

C.45d

D.50d

A

17.適量配筋的鋼筋混凝土梁與素混凝土梁相比，其承載力和抵抗開裂的能力的敘述中，下列哪項(xiàng)是正確的 A.均提高很多

B.承載力提高很多，抗裂提高不多

C.承載力提高不多，抗裂提高很多

D.相同

B

18.受壓鋼筋的錨固長(zhǎng)度與受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度相比，下列哪項(xiàng)是正確的。A.施工資料分類組卷歸檔移交

B.相同

C.受壓鋼筋的錨固長(zhǎng)度小

D.不確定

B

19.如混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30，則下列哪項(xiàng)敘述正確 A.抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=30MPa

B.抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=30MPa

C.立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k=30MPa

D.抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=30MPa

C

20.混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C20變?yōu)镃30時(shí)，受拉鋼筋的最小錨固長(zhǎng)度la按下列應(yīng)是 A.增大

B.減小

C.不變

D.基本不變

B

21.材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與其標(biāo)準(zhǔn)值相比的大小關(guān)系為下列哪項(xiàng) A.大于

B.小于

C.等于

D.大于或等于

B

22.某鋼筋混凝土梁的箍筋為Φ6@100，則拉筋應(yīng)配下列哪個(gè)比較合適 A.Φ6@200

B.Φ6@400

C.Φ6@500

D.Φ6@800

C

23.混凝土的彈性模量隨強(qiáng)度的增大按下列哪項(xiàng)變化 A.增大

B.減小

C.不變

D.無關(guān)

A

24.混凝土的最大拉應(yīng)變與下列哪項(xiàng)最接近A.（1~1.5）×10-4

B.（2~3）×10-4

C.（3~4）×10-4

D.（0.5~0.8）×10-4

A

25.若混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C20，則數(shù)字20表示下列哪項(xiàng)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20N/mm2。A.軸心受拉

B.立方體抗壓

C.軸心抗壓

D.圓柱體抗壓

B

26.若混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C25，則下列哪項(xiàng)敘述是正確的。A.抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=25MPa

B.抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=25MPa

C.立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k=25MPa

D.抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=25MPa

C

27.以下哪項(xiàng)不是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。A.耐久性好

B.耐火性好

C.整體性好

D.強(qiáng)度高

D

28.HRB335中的335代表下列哪種含義。A.鋼筋強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值

B.鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值

C.鋼筋強(qiáng)度的平均值

D.鋼筋強(qiáng)度的最大值

A

29.混凝土的水灰比越小，水泥用量越少，則徐變及收縮值按下列哪種情況變化。A.越大

B.越小

C.基本不變

D.不變

B

30.關(guān)于受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度la的說法正確的是 A.隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大

B.隨鋼筋直徑的增大而減小

C.隨鋼筋等級(jí)提高而提高

D.條件相同，光圓鋼筋的錨固長(zhǎng)度小于變形鋼筋

C

31.條件屈服強(qiáng)度的假定屈服點(diǎn)應(yīng)變相應(yīng)于殘余應(yīng)變的A.0.033%

B.0.2%

C.0.12%

D.2%

B

32.混凝土的徐變與下列哪個(gè)因素?zé)o關(guān)

A.應(yīng)力

B.溫度

C.加載齡期

D.應(yīng)變

D

33.下列哪項(xiàng)不屬于可變荷載。A.雪荷載

B.樓面活荷載

C.浪壓力

D.結(jié)構(gòu)自重

D 34.混凝土強(qiáng)度等級(jí)是根據(jù)下列哪項(xiàng)確定的。

A.立方體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

B.立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

C.立方體抗壓強(qiáng)度平均值

D.具有90%保證率的立方體抗壓強(qiáng)度

B

35.下列哪項(xiàng)不是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求。A.一定的強(qiáng)度

B.足夠的塑性

C.良好的粘結(jié)力

D.耐久性

D

36.現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的紀(jì)念性建筑的設(shè)計(jì)使用年限為 A.5年

B.25年

C.50年

D.100年

D

1.受彎構(gòu)件斜截面承載力計(jì)算中，通過限制最小截面尺寸的條件是用來防止 A.斜壓破壞

B.斜拉破壞

C.剪壓破壞

D.彎曲破壞

A

2.（）作為受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算的依據(jù) A.Ⅰa狀態(tài)

B.Ⅱa狀態(tài)

C.Ⅲa狀態(tài)

D.第Ⅱ階段

C

3.（）作為受彎構(gòu)件抗裂計(jì)算的依據(jù) A.Ⅰa狀態(tài)；

B.Ⅱa狀態(tài)

C.Ⅲa狀態(tài)

D.第Ⅱ階段

A

4.受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算中基本假設(shè)中，下面（）是錯(cuò)的 A.截面應(yīng)變保持平面

B.考慮混凝土抗拉強(qiáng)度

C.混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用簡(jiǎn)化形式

D.鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

B

5.計(jì)算斜截面受剪承載力時(shí)未考慮 A.剪跨比

B.混凝土強(qiáng)度

C.配箍率和箍筋強(qiáng)度

D.縱向鋼筋配筋率

D

6.梁的斜拉破壞一般發(fā)生在 A.剪跨比很小時(shí)

B.剪跨比較大時(shí)

C.與剪跨比無關(guān)

D.無

B

7.提高受彎構(gòu)件正截面受彎承載力最有效的方法是 A.提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)

B.增加保護(hù)層厚度

C.增加截面高度

D.增加截面寬度

D

8.鋼筋混凝土梁的斜壓破壞主要是通過()來避免的。A.設(shè)計(jì)計(jì)算

B.限制彎起鋼筋用量

C.限制截面尺寸

D.按構(gòu)造要求配置箍筋

C

9.受彎構(gòu)件斜截面破壞的主要形態(tài)中，就抗剪承載力而言 A.斜拉破壞>剪壓破壞>斜壓破壞

B.剪壓破壞>斜拉破壞 >斜壓破壞

C.斜壓破壞>剪壓破壞> 斜拉破壞

D.剪壓破壞> 斜壓破壞>斜拉破壞

D 10.A.A

B.B

C.C

D.D

D 11.A.A

B.B

C.C

D.D

D

12.鋼筋混凝土梁正截面設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)成 A.少筋梁

B.適筋梁

C.超筋梁

D.部分超筋梁

B

13.梁中縱向鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度是指 A.箍筋外表面至梁表面的距離

B.縱筋截面形心至梁表面的距離

C.縱筋內(nèi)表面至梁表面的距離

D.縱筋外表面至梁表面的距離

D

14.下列哪種不是斜截面受剪承載力的剪力計(jì)算位置 A.支座邊緣處

B.受拉區(qū)彎起鋼筋彎起點(diǎn)處

C.支座中心處

D.箍筋用量改變處

C 15.鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件屬大偏心受壓破壞的是

A.A

B.B

C.C

D.D

A

16.適筋梁的破壞特點(diǎn)是;

A.受拉鋼筋先屈服，然后受壓混凝土被壓碎

B.不會(huì)破壞

C.受壓混凝土被壓碎，受拉鋼筋不屈服

D.受拉鋼筋被拉斷

A

17.設(shè)計(jì)適筋梁時(shí)以哪一狀態(tài)作為受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算依據(jù) A.將裂未裂狀態(tài)

B.帶裂縫工作階段末

C.破壞階段末

D.第II階段末和第III階段始

C

18.沒有均布荷載作用的梁段，彎矩圖是 A.水平線

B.斜直線

C.拋物線

D.無

B

19.超筋梁的極限彎矩 A.與配筋率及混凝土等級(jí)無關(guān)

B.基本上與配筋率無關(guān)

C.基本上與混凝土等級(jí)無關(guān)

D.與配筋率及混凝土等級(jí)有關(guān)

B 20.梁的配筋率不變的條件下，h 與 b 相比，對(duì)Mu A.h 影響小

B.兩者相當(dāng)

C.h 影響大

D.不一定

C

21.超筋梁破壞時(shí)，受拉鋼筋應(yīng)變?chǔ)舠 和壓區(qū)邊緣混凝土應(yīng)變?chǔ)與 A.εs＞εy，εc＝εcu

B.εs＜εy，εc＝εcu

C.εs＜εy，εc＞εcu

D.εs＞εy，εc＞εcu

C

22.與界限受壓區(qū)高度系數(shù)ξb 有關(guān)的因素為 A.鋼筋等級(jí)及混凝土等級(jí)

B.鋼筋等級(jí)

C.鋼筋等級(jí)，混凝土等級(jí)及截面尺寸

D.混凝土等級(jí)

B

23.條件相同的矩形截面梁加配了壓筋后，其實(shí)際受彎承載力與不配壓筋相比

A.僅在ｘ＞ 2ａ's的情況下提高

B.僅在ｘ＜ 2ａ's的情況下提高

C.不一定提高

D.肯定提高

D

24.四個(gè)截面僅形式不同：

1、矩形；

2、倒Ｔ形；

3、T 形；

4、Ｉ形。它們的 b 和 h 相等，ｂ'f＝ｂf，在相同的 M 作用下，配筋量As A.As1＝As2＞As3＝As

B.As1＞As2＞As3＞As4

C.As1＞As2＝As3＞As4

D.As2＞As1＞As3＞As4

A

25.計(jì)算雙筋梁時(shí)，何時(shí)令ｘ＝ξbｈo A.As、A's均已知

B.A's，As 均未知

C.上述兩者均可

D.已知As，求A's

B

26.在雙筋梁計(jì)算中滿足 2ａ's ≤ｘ≤ξbｈo 時(shí)，表明 A.拉壓鋼筋均屈服

B.拉筋屈服，壓筋不屈服

C.拉壓筋均不屈服

D.拉筋不屈服，壓筋屈服

A

27.屬第一類 T 形梁時(shí)，應(yīng)滿足 A.M≤ｆcmｂｈ'f（ｈo－0.5ｈ'f）

B.M≤ｆcｂ'f ｈ'f（ｈo－0.5ｈ'f）

C.M≤ｆcmｂ'f ｈ'f（ｈo－0.5ｈ'f）

D.M≤ｆcｂｈ'f（ｈo－0.5ｈ'f）

C

28.何種情況下可不驗(yàn)算最小配筋率？ A.單筋梁

B.雙筋梁

C.第一類Ｔ形梁

D.倒Ｔ形梁

B

29.驗(yàn)算第二類 T 形梁最大配筋率時(shí) A.ρ＝As／（ｂｈo）

B.ρ＝As2／（ｂｈo）

C.ρ＝As2／（ｂ'f ｈo）

D.ρ＝As／（ｂ'f ｈo）

B

30.驗(yàn)算第一類 T 形梁最小配筋率時(shí) A.ρ＝As／（ｂｈo）

B.ρ＝As／（ｂf ｈo）

C.ρ＝As2／（ｂｈo）

D.ρ＝As／（ｂ'f ｈo）

B

31.三種受彎截面，略去自重影響時(shí)，正截面抗裂度最小的是 A.T

B.倒T

C.工字型

D.無

A

32.提高截面的抗彎剛度的最有效措施是 A.增大受拉鋼筋的配筋率

B.提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)

C.增大截面有效高度

D.增大截面寬度

C

33.條件相同的無腹筋梁，由于剪跨比不同發(fā)生剪壓、斜壓、斜拉破壞，其承載力

A.剪壓＞斜壓＞斜拉

B.斜壓＞剪壓＞斜拉

C.剪壓＝斜壓＞斜拉

D.斜壓＞剪壓＝斜拉

B

34.梁發(fā)生剪壓破壞時(shí) A.斜向棱柱體破壞

B.梁斜向拉斷成兩部

C.穿過臨界斜裂縫的箍筋大部分屈服

D.以上都對(duì)

C

35.梁內(nèi)箍筋過多將發(fā)生;A.斜壓破壞

B.剪壓破壞

C.斜拉破壞

D.僅發(fā)生彎曲破壞，不發(fā)生剪切破壞

A

36.梁的剪跨比減小時(shí)，受剪承載力 A.減小

B.增加

C.無影響

D.不確定

B

37.一般梁截面滿足Ｖ≤ 0.25ｆcｂｈo后，所配箍筋 A.當(dāng)Ｖ較大時(shí)會(huì)超配箍

B.不再發(fā)生超配箍情況

C.還應(yīng)驗(yàn)算是否超配箍

D.還應(yīng)驗(yàn)算是否少配箍

B

38.受均布荷載梁受剪計(jì)算時(shí)，何條件下須驗(yàn)算最小配箍率？ A.Ｖ＞ 0.07ｆcｂｈo

B.Ｖ＞ 0.1ｆcｂｈo

C.Ｖ＜ 0.10ｆcｂｈo

D.Ｖ＜ 0.25ｆcｂｈo

D

39.對(duì)薄腹梁，截面限制條件要嚴(yán)格些的原因是防止 A.斜拉破壞

B.剪壓破壞

C.斜壓破壞

D.縱筋錨固破壞

C

40.在受剪承載力計(jì)算中為什么不反映翼緣的作用？ A.缺少資料

B.對(duì)有腹筋梁的作用小，可略去

C.實(shí)際上不起作用

D.與此無關(guān)

B

41.為什么簡(jiǎn)支梁受拉縱筋伸入支座的錨固長(zhǎng)度與剪力值有關(guān)？ A.支座有一定嵌固作用

B.此處鋼筋無應(yīng)力，系構(gòu)造

C.鋼筋中應(yīng)力隨剪力增大而增加

D.鋼筋中應(yīng)力與剪力成正比

C

42.梁內(nèi)彎起多排鋼筋時(shí)，相鄰上下彎點(diǎn)間距應(yīng)＜Ｓmax，其目的是保證： A.斜截面受剪能力

B.斜截面受彎能力

C.正截面受彎能力

D.正截面受剪能力

A

43.梁的抵抗彎矩圖不切入設(shè)計(jì)彎矩圖，可保證 A.斜截面受彎能力

B.斜截面受剪能力

C.正截面受彎能力

D.正截面受剪能力

C

44.梁受剪承載力公式是根據(jù)何破壞形態(tài)建立的？ A.斜壓破壞

B.剪壓破壞

C.斜拉破壞

D.錨固破壞

第四篇：《復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用》讀后感

《復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用》第二版，為龔曉南著，中國建筑工業(yè)出版社出版發(fā)行。

《復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用(第2版)》全面地介紹了復(fù)合地基理論和工程實(shí)踐方面的研究成果，在《復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用》(第一版)的基礎(chǔ)上對(duì)復(fù)合地基理論框架作了進(jìn)一步完善，較系統(tǒng)地介紹了復(fù)合地基理論和實(shí)踐的新發(fā)展。

全書共16章：緒論，土和復(fù)合土的基本性狀，復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)理和位移場(chǎng)特點(diǎn)，復(fù)合地基的形成條件，復(fù)合地基在基礎(chǔ)工程中的地位，復(fù)合地基常用形式及選用原則，樁體復(fù)合地基承載力，水平向增強(qiáng)體復(fù)合地基承載力，復(fù)合地基沉降計(jì)算，基礎(chǔ)剛度對(duì)復(fù)合地基性狀的影響，墊層對(duì)復(fù)合地基性狀的影響，復(fù)合地基振動(dòng)反應(yīng)與地震響應(yīng)，復(fù)合地基和上部結(jié)構(gòu)共同作用分析，復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)和按沉降控制設(shè)計(jì)，復(fù)合地基工程應(yīng)用及實(shí)例，以及復(fù)合地基發(fā)展展望。

讀完本書，我對(duì)復(fù)合地基有了進(jìn)一步的了解和理解，目前在我國復(fù)合地基淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，已經(jīng)成為常用的三種基礎(chǔ)形式。復(fù)合地基在建筑工程、市政工程、道路工程以及堤壩工程中得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合地基已經(jīng)不是陌生的詞匯，但對(duì)復(fù)合地基，無論是學(xué)術(shù)界還是說工程界至今尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，復(fù)合地基是一個(gè)新概念。

復(fù)合地基的形式、組成復(fù)合地基增強(qiáng)體的材料、復(fù)合地基增強(qiáng)體的施工方法均對(duì)負(fù)荷地基的效用產(chǎn)生影響。復(fù)合地基的效用主要有樁體作用、墊層作用、擠密作用、加速固結(jié)作用、加筋作用。

了解了土和復(fù)合土的基本性狀，讓我明明白了地基加固區(qū)的組成，對(duì)形成復(fù)合地基的常用增強(qiáng)體材料也有了進(jìn)一步的理解，知道了復(fù)合地基的荷載傳遞機(jī)理以及復(fù)合地基的形成條件，學(xué)習(xí)了復(fù)合地基樁體承載力以及水平向增強(qiáng)體復(fù)合地基承載力、復(fù)合地基沉降計(jì)算。

通過復(fù)合地基工程應(yīng)用及實(shí)例學(xué)習(xí)，知道了復(fù)合地基有初期的局限于采用散體材料加固軟土地基（碎石樁復(fù)合地基）發(fā)展到各類柔性樁復(fù)合地基、剛性樁復(fù)合地基以及水平向復(fù)合地基（水泥土樁復(fù)合地基、低強(qiáng)度樁復(fù)合地基、樁網(wǎng)復(fù)合地基、鋼筋混凝土樁復(fù)合地基、加筋土地基等），知道了各類復(fù)合地基的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。

復(fù)合地基概念源自國外，但是近年來在我國發(fā)展很快。復(fù)合地基理論與工程應(yīng)用發(fā)展與我國國情息息相關(guān)，我國深厚軟弱地基分布廣、種類多、數(shù)量大，自改革開放以來土木建設(shè)規(guī)模大、發(fā)展快，我國又是發(fā)展中國家，建設(shè)資金短缺，這些給復(fù)合地基理論與工程應(yīng)用的發(fā)展提供了很好的機(jī)遇，可以相信在未來的幾年，我國復(fù)合地基和工程實(shí)踐兩個(gè)方面都將有長(zhǎng)足的發(fā)展，取得更大的進(jìn)步，復(fù)合地基的理論也會(huì)得到進(jìn)一步的完善。

第五篇：論文翻譯——超表面理論及應(yīng)用

超表面理論及應(yīng)用-超材料的平面化

An Overview of the Theory and Applications of Metasurfaces: The Two-Dimensional Equivalents of Metamaterials Christopher L.Holloway1, Edward F.Kuester2, Joshua A.Gordon1, John O’Hara3, Jim Booth1, and David R.Smith4

三碗

譯

摘要

超材料通常由按一定規(guī)律排布的散射體或者通孔構(gòu)成，由此來獲得一定的性能指標(biāo)。這些期望的特性通常是天然材料所不具備的，比如負(fù)折射率和近零折射率等。在過去的十年里，超材料從理論概念走到了市場(chǎng)應(yīng)用。3D超材料也可以由二維表面來代替，也就是超表面，它是由很多小散射體或者孔組成的平面結(jié)構(gòu)，在很多應(yīng)用中，超表面可以達(dá)到超材料的效果。超表面在占據(jù)的物理空間上比3D超材料有著優(yōu)勢(shì)，由此，超表面可以提供低耗能結(jié)構(gòu)。文章中將討論到超表面特性的理論基礎(chǔ)和它們不同的應(yīng)用。我們也將可以看出超表面和傳統(tǒng)的頻率選擇表面的區(qū)別。

在電磁領(lǐng)域超表面有著很廣泛的應(yīng)用（從微波到可見光波段），包括智能控制表面、小型化的諧振腔、新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、角獨(dú)立表面、吸收器、生物分子設(shè)備、THz調(diào)制和靈敏頻率調(diào)節(jié)材料等等。文中綜述了近幾年這種材料或者表面的發(fā)展，并讓我們更加接近一百年前拉姆和Pocklington或者之后的Mandel和Veselago所提出的令人驚訝的觀點(diǎn)。

引言

最近這些年，超材料這方面一直引領(lǐng)著材料的潮流。超材料是一種新的人工合成材料來得到自然材料所不具備的一些特性。在電磁背景中，這方面最早的實(shí)例就是人工電介質(zhì)。之后，我們將會(huì)看到和經(jīng)典結(jié)構(gòu)完全不同的超材料和超表面，比如光子能帶隙結(jié)構(gòu)（PBG）、頻率選擇表面（FSS）。雙負(fù)指數(shù)（DNG）超材料是一種盛行的超材料，也叫作負(fù)指數(shù)材料（NIM）、左手材料等（LHM）。這種材料的特性是在給定的頻率帶寬內(nèi)其有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是負(fù)的。另一種特性是近零折射率。在這種材料中，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都被設(shè)計(jì)成接近于零。擁有這些特性的材料可以應(yīng)用在很寬的頻率范圍（微波到可見光頻段），并且其應(yīng)用也很廣泛，如隱身、低反射材料、新型結(jié)構(gòu)、天線、電子調(diào)諧、超透鏡和諧振器等。

現(xiàn)在的超材料研究來源于對(duì)Bexelago理論的仿真，或者是基于之后Pendry、Smith等人所實(shí)現(xiàn)的超材料結(jié)構(gòu)。然而，這個(gè)領(lǐng)域中很多研究者并沒有認(rèn)識(shí)到負(fù)折射率超材料的概念和它們令人吃驚的性能可以回溯至那么早的時(shí)間段。實(shí)際上，這種材料的理論可以回推到一個(gè)世紀(jì)以前。早在1967年，一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)超材料做出了研究，而更早的Sivukhin在1957年對(duì)超材料的特性做了簡(jiǎn)單的描述。Malyuzhinets和Silin都相信L.I.Mandel在更早的時(shí)間里做過超材料研究。Mandel提到關(guān)于Lamb的1904年的報(bào)紙，稱Lamb或許是這一領(lǐng)域的第一人。Lamb提出了反波的存在性（在相反方向上擁有相位和群速度的波，他的實(shí)例包含機(jī)械系統(tǒng)而不是電磁波）。Schuster在他1904年的可見光書中簡(jiǎn)短的談及了Lamb的工作，并提出了在可見光介質(zhì)中或許也有著反波的特性。1905年，Pocklington展示在某種情況下靜止的自行車鏈條可以產(chǎn)生反波，加上突然的激勵(lì)可以產(chǎn)生一種擁有遠(yuǎn)離波源的群速度和朝向波源的相速度。

超材料通常是用規(guī)律排列的小散射體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，以此來獲得期望的性能。超材料可以被擴(kuò)展成二維分布的電子散射體圖1.圖1a闡述一種普遍的散射體排布，而圖1b-1d展示更多的特殊例子。圖1b展示一種金屬散射體排布，它可以獲得與經(jīng)典開口環(huán)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的磁響應(yīng)類似的電響應(yīng)。圖1c展示一種球粒陣列（基于此引入了3D超材料，來源于早期Lewin的工作，但更早的是100年前Gans和Happel的預(yù)測(cè)）。圖1d為陶立方排布。超材料的這種表面結(jié)構(gòu)最初命名為超薄膜，表示一個(gè)表面上分布著小的散射體。值得一提的是每個(gè)散射體的都是很薄的（甚至比晶格常數(shù)小），可以有任意的形狀，可以有亞波長(zhǎng)尺度。與超材料類似，超薄膜也可以通過其散射體的排布來有其特有的電磁特性。超薄膜又稱超表面或單層超材料。在1.1和1.2部分我們將簡(jiǎn)化其稱呼。

對(duì)于很多應(yīng)用，超表面可以用于放置超材料。超表面相對(duì)于3D超材料來說有著占有更小物理空間的優(yōu)勢(shì)，由此，超表面可以提供更低能耗的結(jié)構(gòu)。近幾年，超表面在從微波到可見光波段的應(yīng)用取得了巨大的成就。除了可用在上面所說的超材料的應(yīng)用外，超表面還可以實(shí)現(xiàn)智能表面控制、小型化諧振腔、新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單而寬角度吸收器、阻抗匹配表面和生物分子器件。下面也將會(huì)更詳細(xì)的談到其中的一些應(yīng)用。

1.1 超表面與頻率選擇表面

下面說一說超材料（MM）和傳統(tǒng)光子帶隙(PBG)或電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別，另外超材料和傳統(tǒng)頻率選擇表面（FSS）的區(qū)別。第一種超材料可以使用超表面來發(fā)展創(chuàng)新。對(duì)于超材料來說，能熟知周期材料在不同頻率或者不同尺寸的電磁響應(yīng)非常重要。這種復(fù)合材料可以分成三種完全不同的部分（圖2）。對(duì)于3D超材料來說，第一部分是準(zhǔn)靜態(tài)部分。這就暗含低頻的意思（亞波長(zhǎng)段頻率）。這種散射體將會(huì)具有誘導(dǎo)的或者永久的偶極柜，這也是經(jīng)典材料的性質(zhì)。另外，這種散射體可以通過改變形狀或者位置來獲得想要性質(zhì)的人工復(fù)合材料。在這一部分，描述使用經(jīng)典的材料混合來得到目標(biāo)特性（介電常數(shù)、磁導(dǎo)率）

當(dāng)波長(zhǎng)可以與結(jié)構(gòu)周期相近或者比周期小時(shí)，會(huì)有特別的響應(yīng)發(fā)生，見圖2的第三部分。在這種頻率下，存在一種更加復(fù)雜的場(chǎng)，這就需要用更加精密的分析技術(shù)（全波方法）。傳統(tǒng)的分析方法是Floquet-Bloch理論，其中的場(chǎng)擴(kuò)展到有各種不同方向的平面波。當(dāng)波長(zhǎng)接近周期時(shí)，就需要考慮到更高要求的Floquet-Bloch理論。這種高要求模型就會(huì)通過復(fù)合材料干擾基波的傳播，在這種頻率范圍中我們稱復(fù)合材料為光子帶隙或者電磁帶隙材料。在某種頻率范圍，光子帶隙和電磁帶隙材料會(huì)阻礙到EM波的傳播，這種頻率帶就稱為阻帶。別的頻率中，這種材料的通過率很高，這種頻率就為通帶。布拉格散射效應(yīng)就是與這種頻率有聯(lián)系，它是很多實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。

圖2的第二部分也是處在亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，不過期單元散射體可以達(dá)到共振。這就實(shí)現(xiàn)了另一種人工材料（MM），實(shí)現(xiàn)了自然材料所沒有的特性（如雙負(fù)或近零指數(shù)材料）。第二部分，那些共振體是其成為超材料的原因所在。我們可以通過有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來標(biāo)明超材料的特性。

二維陣列（超表面）也有相似的特性。對(duì)于二維格子陣列來說，第一部分復(fù)合材料屬于經(jīng)典薄膜材料，第三部分是周期性的共鳴器。另一方面講，當(dāng)我們談及超表面時(shí)，就是在說第二部分的共鳴器散射體而不是周期性結(jié)構(gòu)。普通的頻率選擇表面有時(shí)會(huì)是運(yùn)行在這種體制下，但這種類型的操作和第三部分的并沒有明確的標(biāo)出。

值得注意的是圖2所示的第二部分并不常見。這種散射體需要特別的設(shè)。例如，如果是 圖7中球形粒子的特性或者半徑非常小，或者是散射體的形狀、尺寸沒有做合適的選擇，散射體的共振將會(huì)趨向于Floquet-Bloch模型，就實(shí)現(xiàn)不了雙負(fù)材料。在Floquet-Bloch模型中散射體共振將會(huì)被吸收，這種介質(zhì)模型就不能充分描述復(fù)合材料?？偟膩碚f，圖2中第一、第二部分會(huì)出現(xiàn)在某種復(fù)合材料介質(zhì)的情況中。第一部分（經(jīng)典混合理論），其有效特性不依賴頻率。第二部分（散射體共振），其材料具有頻率依賴特性。在這部分中，可以實(shí)現(xiàn)3D雙負(fù)指數(shù)材料和別的共振器。最后一部分中，電磁場(chǎng)和周期材料的相互作用非常復(fù)雜。我們不再將復(fù)合材料稱為有效介質(zhì)。當(dāng)波長(zhǎng)接近結(jié)構(gòu)周期時(shí)，更高要求的Floquet-Bloch模型需要考慮進(jìn)去，超材料和超表面就是這樣。

1.2 超表面類型

超表面結(jié)構(gòu)就是二維的周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。在一般的研究中，我們將超表面列為兩類。一種是有著陶瓷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（一種絕緣散射體）圖1a所示，稱其為超薄膜，有著很多應(yīng)用。另一種是漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)（圖3），稱為元幕。這些材料是由在阻抗表面周期排列的孔制成。別的種類超表面基于這兩者之間。例如，平行導(dǎo)線光柵在垂直導(dǎo)線方向表現(xiàn)出超薄膜的特性，而在沿軸方向就表現(xiàn)為元幕性質(zhì)。

1.3超表面模型

模擬超材料的傳統(tǒng)的、最方便的方法是有效介質(zhì)理論。在這種方法中，某些類型的平均是用在超材料周期單元結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)上面。從這些平均值中，可以確定超材料的有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率（以及折射率）。值得一提的是，只有當(dāng)波長(zhǎng)相對(duì)于晶格常數(shù)足夠大時(shí)候平均才是有效的。對(duì)于場(chǎng)的周期單元平均定義有效材料性能是正確的方法（那種勻質(zhì)平均的類型），許多研究人員已經(jīng)在實(shí)踐中使用根據(jù)一些計(jì)算出厚度的超材料樣品來得到期望的反射和透射系數(shù)。尼科爾森-羅斯-韋爾（NRW）的方法或它的變形，可以用于獲取超材料的有效材料性能。需要注意的是，當(dāng)使用范圍是負(fù)指數(shù)材料時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的NRW方法必須進(jìn)行修正。典型地，一個(gè)平方根的符號(hào)的選擇是由明確的通過確保在傳播方向正功率溢流。在某些情況下，還必須考慮到樣品的邊界附近局部影響。如果使用得當(dāng)，有效介質(zhì)的方法是用于表征超材料的很合適的方法。

嘗試使用類似的超表面參數(shù)分析很少成功。一些以前的超表面研究把其當(dāng)做是單層超材料薄膜，這種模型的材料特性是任意的引入一個(gè)非零厚度參數(shù)來獲得的。這有一些人為物理結(jié)構(gòu)參數(shù)的問題：這些超表面的參數(shù)特征是錯(cuò)誤的。傳統(tǒng)計(jì)算方法的展開可以給我們一些提示，當(dāng)以樣品尺寸建模時(shí)，必須考慮樣品邊界效應(yīng)，就像兩個(gè)不同切面上的效應(yīng)一樣。

為了說明其中難點(diǎn)，我們使用圖1中對(duì)等的厚度為d（圖4）的材料層來代替超表面。其有效特性是由上文中HRW方法所得出。問題是上述所得有效特性對(duì)于超表面來說并不唯一，雖然散射體的幾何特性和晶格常數(shù)一定，但厚度d不確定。實(shí)際上，d在合理限制中可以任意取值。由于d不是唯一確定的，所以由其而得的超表面特性也不是唯一的。因此，與報(bào)道中相反的是，把超表面看成等效介質(zhì)所得的有效特性都是不合適的并且導(dǎo)致了錯(cuò)誤的闡釋。Smith等人堅(jiān)持這個(gè)觀點(diǎn)，認(rèn)為‘εd’很可能是常量。在文獻(xiàn)[101]中介紹了易受影響的表面和有效特性直接的關(guān)系，認(rèn)為對(duì)于超表面來說，不能定義獨(dú)立于d的ε和μ。由此說明ε和μ是d的函數(shù)，并且唯一確定。這種結(jié)果就是說d、ε和μ是任取的。也就是我們?nèi)绻俣ê穸纫矠槌Ａ烤涂梢允褂眠@種有效特性。但對(duì)于不同的厚度來說，這種有效特性并不適用，非平面形狀也一樣。如果我們想在一定厚度基礎(chǔ)上使用這種有效特性的話，那是沒問題的。從另一方面說，如何改變了厚度而繼續(xù)使用之前的特性，那就是錯(cuò)誤的了。

圖5和圖6強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。圖5展示了球粒陣列中通過這種方法使用不同的有效厚度d所得的介電常數(shù)。圖6展示不同厚度下的負(fù)折射率。圖5和圖6中可以看出有效特性是厚度

d的函數(shù)，說明有效特性并不是超表面所固有的本質(zhì)特性。同樣我們也應(yīng)該指出通過這種方法所獲得的超薄膜或超表面的有效特性并不能展示其物理特性。例如，因果顛倒或者負(fù)材料呈現(xiàn)出大的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率（在文中基于時(shí)間t假設(shè)的ejwt的正虛部）。

在文獻(xiàn)[100]中，論證了超薄膜表面的唯一性，由此，也定義了超表面特性的唯一性。從物理上講，超表面是一種極小的板：當(dāng)電磁波與其作用是會(huì)產(chǎn)生相移或者是振幅的改變。這種超表面最好的定義是通過普通的板過渡理論（GSTCs），是對(duì)比于使用在超材料上的有效介質(zhì)描述來說的。這種方法使用在超表面與電磁場(chǎng)交互作用時(shí)候，且符合廣義等效面轉(zhuǎn)換理論。

對(duì)于超薄膜來說，在文獻(xiàn)[23]中所述廣義等效面轉(zhuǎn)換條件與超表面的兩個(gè)面上的電磁場(chǎng)有關(guān)（見圖1a）：

式中av代表超表面兩邊的平均場(chǎng)，t為到z的距離，是單位矢量。?ES和?MS分別是兩

....表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這有著計(jì)量單元，并且與散射體的電磁極化密度相關(guān)。當(dāng)散射體有缺失 這種性質(zhì)會(huì)消失并且方程（1）中E和H的非相關(guān)條件將會(huì)減少。簡(jiǎn)便起見，我們認(rèn)定散射體和晶格對(duì)稱，則表面并失如下：

在這篇文章和文獻(xiàn)[101]中，我們對(duì)于?MS有一個(gè)約定，在H場(chǎng)中右邊項(xiàng)前加一個(gè)負(fù)號(hào)，而E場(chǎng)右邊項(xiàng)加正號(hào)（見方程1）。這種符號(hào)約定與文獻(xiàn)[100]中不一樣。我們選這種約定是因?yàn)楫?dāng)表面磁密度與H在同一方向時(shí)Re(?MS)為正，這也是經(jīng)典磁材料特性定義的組成部分。這種廣義等效面轉(zhuǎn)換條件可以應(yīng)用在更多的方面，如不對(duì)稱性、不均材質(zhì)、以及雙各向異性表面，而且這方面的理論已經(jīng)有了發(fā)展。值得注意的是方程1的約定條件僅適用于超薄膜。具有不同結(jié)構(gòu)的超表面將需要其他的理論條件。例如，周期性隔離孔組成的元幕有著零厚度理想導(dǎo)體，這與廣義等效面轉(zhuǎn)換理論相悖，這可以寫成：

其中E場(chǎng)和B場(chǎng)在元幕中是連續(xù)的。這里，?ES和?MS分別是元幕的電特性和磁特性，并且，與超薄膜表面相似，它們有著長(zhǎng)度。當(dāng)孔不存在時(shí)，就只剩了理想導(dǎo)體平面，那些由孔引起的電、磁特性將會(huì)消失，并且方程3中電場(chǎng)E的切量會(huì)減小。元幕的經(jīng)典邊界條件還沒有定義出，還需要補(bǔ)間斷的工作來發(fā)展。像導(dǎo)線光柵這種擁有超薄膜和元幕兩種特性的超材料的邊界條件也一樣需要發(fā)展（在[102][103]中廣義等效面轉(zhuǎn)換條件應(yīng)用在了薄導(dǎo)線光柵上）。

廣義等效面轉(zhuǎn)換條件同樣可以用于阻抗邊界條件。對(duì)于平面波電磁的變量，它是平行于超薄膜的

....我們可以利用麥克斯韋方程將方程1寫成：

其中表面轉(zhuǎn)移導(dǎo)納和轉(zhuǎn)移阻抗由下式給出：

這種邊界條件也可以等效成傳輸線電路。

這種廣義邊界條件可以讓超表面可以有一個(gè)有著無限薄等效表面的模型。表面幾何的細(xì)節(jié)包含在表面特性的邊界條件中。應(yīng)用在廣義等效面轉(zhuǎn)換條件中的場(chǎng)是一種宏觀場(chǎng)，相比于散射體、孔和晶格來說，其并不具備長(zhǎng)度，但當(dāng)波長(zhǎng)在介質(zhì)周圍是它就有著更大的值。值得注意的是，這種廣義條件由于方程1和3中表面梯度的影響而存在著誤差。如果表面特性可以使用矢量波（沿波的傳播方向）來計(jì)算的話，這種邊界條件的計(jì)算將更加精確。

如果不需要空間場(chǎng)變量的精細(xì)的結(jié)構(gòu)的話，這種廣義等效面轉(zhuǎn)換條件和麥克斯韋方程一樣都需要分析場(chǎng)與超表面的相互作用。這種邊界條件中的表面特性是位移確定的，并且可以作為描述超表面的物理量?；谶@種模型的檢索技術(shù)將在下部分來描述。

1.4 超表面的特性

如上部分所述，超表面的有效特性和磁導(dǎo)率（與負(fù)折射率相同）并不唯一確定。這一部分我們將綜述一種超薄膜的唯一的特性，主要是基于反演其反射和傳輸系數(shù)來獲得。超薄膜的反射（R）和傳輸(T)系數(shù)不管是對(duì)于TE或者是TM波（圖7）都來源于文獻(xiàn)[24]。

對(duì)于TE波來說：

對(duì)TM波來說：

其中k0是真空波矢。這種反射和傳輸系數(shù)可以用于有著足夠?qū)ΨQ性反射體的超薄膜上。同樣的方法也可以用于更多非對(duì)稱不規(guī)則表面特性，如元幕或更多普通的超表面。這些理論尚有待發(fā)展。

一旦確定了表面的反射和傳輸系數(shù)，表面特性就確定了。在這個(gè)實(shí)例中，每個(gè)偏振波都需要兩種R和T系數(shù)。對(duì)于TE波，其三個(gè)未知特性的推導(dǎo)如下：

其中R(0)和T(0)是正入射波的反射和傳輸系數(shù)，R(θ)和T(θ)是以θ角入射波的反射和傳輸系數(shù)。而對(duì)于TM極化波，其未知特性的推導(dǎo)如下：

在文獻(xiàn)[100]中的符號(hào)錯(cuò)誤已經(jīng)在上式中修正。同樣文獻(xiàn)[101]也做出了修正。

這種方法既可以從理論上又可以從實(shí)驗(yàn)方面確定R和T的值。而對(duì)于普通入射測(cè)量技術(shù)來說，很難分辨其入射和反射成分，如果入射角不為零則結(jié)果會(huì)好很多，祥見文獻(xiàn)[100]。有趣的是，當(dāng)推斷超材料模型的有效特性時(shí)，這種反演方法來求解超薄膜特性既不用特定的取符號(hào)的平方根，也不需要假定表面層的厚度。

為了確認(rèn)超薄膜這種反演的特性，我們引入一種球粒型超薄膜如圖1c。其中a=10mm, p=25,59mm, εr=2, μr=900, tanδ=0.04。這種結(jié)構(gòu)的極化度是可解析的，因此其表面特性可以根據(jù)文獻(xiàn)[100]給出的方程計(jì)算。如上所說，可以通過設(shè)置不同的R,T來確定未知量，文獻(xiàn)[100]給出了一些方法。

Figure 8.The surface susceptibilities for a metafilm composed of spherical particles.圖8所示?ES和?ES的實(shí)部和虛部。其結(jié)果是通過30入射角的數(shù)值仿真所得的R和T。

0zzyy超薄膜模型是球粒陣列，有著對(duì)稱傳輸陣列（）。同樣圖中也給出了文獻(xiàn)[100]分析結(jié)果。通過對(duì)比，這種反演方法所得結(jié)果和方程計(jì)算結(jié)果一樣。

上述例子和文獻(xiàn)[100]都說明了反演方法的正確性。更重要的是，這種計(jì)算結(jié)果說明了超薄膜特性是唯一的。

超薄膜也可以用來計(jì)算3D超材料的有效特性。在這種技術(shù)中，和上面一樣，超薄膜的平面波反射和傳輸系數(shù)用來計(jì)算表面特性。通過文獻(xiàn)[23]中應(yīng)用，之后就可以獲得單個(gè)散射體的極化率。通過把這種超薄膜嵌入三維超材料里，就可以通過Clausius-Mossottii關(guān)系來得到有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。這種技術(shù)是一種很有用的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的方法，尤其是當(dāng)波在一個(gè)很小的多層樣本中傳輸時(shí)候。

在本文的其他部分，我們將討論近幾年超表面的各種應(yīng)用?？烧{(diào)表面

對(duì)于一個(gè)給定的超表面，我們可以通過很多商用模型來分析它與電磁場(chǎng)的反應(yīng)。然而，如我們所見，可以通過廣義等效面轉(zhuǎn)換條件來獲得平面波的傳輸和反射系數(shù)。對(duì)于超薄膜，適用于方程7和方程8.這些特性與超薄膜的表面特性有關(guān)。這些方程的好處是可以讓我們從物理方面洞察表面特性與反射、傳輸系數(shù)的關(guān)系。方程7和方程8闡釋了通過控制表面的反射和傳輸系數(shù)可以改變表面特性。

以方程7和方程8為例，我們可以寫出在全反射或者全透過時(shí)電、磁特性的關(guān)系。在全反射時(shí)：

而對(duì)于全透過時(shí)所需的條件是：

理論上控制反射和傳輸系數(shù)可以通過以下機(jī)制來完成：1，通過改變散射體的電磁特性；2，通過改變基板（材料特性或者幾何構(gòu)造）的結(jié)構(gòu)。以球磁粒子組成的超薄膜為例，圖9所示為R關(guān)于散射體磁導(dǎo)率的曲線。圖中可以看出，基于散射體磁導(dǎo)率的變化，超薄膜從全反射變化到了全透射。這種可控表面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，其組成是由球形YIG粒子所組成的超薄膜，控制激勵(lì)是外加DC磁場(chǎng)。圖10所示為這種超薄膜的傳輸特性隨外加DC磁場(chǎng)的變化。一些其他的方法也已經(jīng)可以用來控制超表面，并且在動(dòng)態(tài)控制領(lǐng)域也有許多研究在開展，我們將在第7和第9部分做討論。各向異性超表面：角獨(dú)立特性、吸波器和阻抗匹配表面。

各向異性散射體所組成的超薄膜可以用來獲得與各項(xiàng)同性超表面所不同的很多應(yīng)用。這些應(yīng)用中的一個(gè)有趣的體超材料是在其內(nèi)設(shè)計(jì)出各向異性的表現(xiàn)。實(shí)際上這個(gè)主意來著隱身斗篷材料，其有著很大的關(guān)注度。這種材料是通過在超材料里設(shè)計(jì)各向異性材料來設(shè)計(jì)的，覆蓋有這種材料的物體可以使光在其表面?zhèn)鞑セ蛘邚澢?。?jīng)過合理設(shè)計(jì)的各向異性超材料可以達(dá)到既不散射又不吸收能量，這樣就可以在電磁波里實(shí)現(xiàn)隱身效果?，F(xiàn)在可以在理論上實(shí)現(xiàn)從射頻到可見光的隱身。但由于材料和結(jié)構(gòu)的本質(zhì)屬性，在獲得寬帶隱身效果來說還有著技術(shù)難點(diǎn)需要突破。試驗(yàn)證明窄帶單偏振的隱身實(shí)例已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。

同樣，這種概念也可以擴(kuò)展到超表面中。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，其表面設(shè)計(jì)將選用散射體所組成的超表面來達(dá)到期望的性能。例如，理論上可以可以設(shè)計(jì)出一種超表面來達(dá)到將EM波聚焦到目的區(qū)域，與聚焦天線陣列很像。如果可以按照期望的控制超表面的散射體，就可以得到一種能夠改變能量聚焦所在的方向和頻率的超表面，這種概念現(xiàn)在正在研究。

另一個(gè)例子是怎樣獲得不依賴角度（至少是某種參數(shù)范圍中）的反射和傳輸系數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定的入射角，方程13給出了在發(fā)生全反射時(shí)表面電和磁的磁化系數(shù)。方程13給出了一種可以在這種全反射狀態(tài)下獲得近似角獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。以TE波為例，當(dāng)?MS>>?ES時(shí)，角依賴性被削弱，這是基于方程13中圓括號(hào)前部分控制第二角依賴部分。同樣地，對(duì)于TM波，當(dāng)?MS>>?ES時(shí),其角依賴性同樣變?nèi)?。?dāng)超薄膜的散射體結(jié)構(gòu)達(dá)到諧振頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生這種性質(zhì)。當(dāng)所指部分占優(yōu)勢(shì)時(shí)，方程13中全反射條件變成： yyzzzzyy

如果超表面設(shè)計(jì)成這種傳輸成分的表面特性的共振相比于普通成分來說非常高，則這種超表面或許會(huì)產(chǎn)生角獨(dú)立特性。這種特性在圖11中闡釋出來，其中我們畫出了超表面的反射系數(shù)，這個(gè)超表面是由圖1b所示金屬結(jié)構(gòu)組成。在圖中可以看到這個(gè)表面在600入射角處獲得近似角獨(dú)立。

我們可以將這個(gè)概念擴(kuò)展到很多其他的結(jié)構(gòu)上。例如，具有高的各向異性材料的板也可以獲得角獨(dú)立特性。文獻(xiàn)[61]展示，這種特性可以通過檢測(cè)不同各向異性基板的反射系數(shù)來觀測(cè)。另外，引進(jìn)計(jì)算電磁學(xué)中的完美匹配層（PML）可以減少輻射邊界所產(chǎn)生的誤差，同樣它也需要這種角獨(dú)立特性。這種PML可以通過超表面的理念來實(shí)現(xiàn)，這種課題正在研究中。

這種結(jié)構(gòu)為發(fā)展緊密的電磁吸波器提供了可匹配的能耗材料，并且使獨(dú)特的阻抗匹配表面得以實(shí)現(xiàn)。基于這種想法的吸波器最近開始出現(xiàn)在文獻(xiàn)中[53-58]。這種結(jié)構(gòu)通常由覆蓋有金屬板的能耗基板和其前部的超表面組成（圖1b的第二幅圖）。這種結(jié)構(gòu)或許會(huì)是窄頻的，但它同樣也是很緊湊的。使用超表面的這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它有著很好的角獨(dú)立特性，這在理論和實(shí)驗(yàn)中都是已經(jīng)證明的了。對(duì)于角獨(dú)立特性的物理說明如上述或者文獻(xiàn)[60]。

不同的團(tuán)隊(duì)同樣也研究了超表面在阻抗匹配表面的應(yīng)用。與圖12a所示的金屬陣列相似的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被用來制作寬角度的阻抗匹配表面。這種結(jié)構(gòu)具有高各向異性，可以使角獨(dú)立特性得以實(shí)現(xiàn)。這種薄各向異性超表面的反射特性在圖12b中展示。諧振器尺度的優(yōu)化

Engheta展示了當(dāng)孔中部分填充負(fù)折射率材料時(shí)候，在λ/2尺寸規(guī)模的諧振器結(jié)構(gòu)的尺度還可以再減小。文獻(xiàn)[35,36]中擴(kuò)展了這個(gè)理論，使用超表面也達(dá)到了同樣的效果。利用超表面的優(yōu)勢(shì)是可以理論上比利用3D超材料所實(shí)現(xiàn)的尺寸要小。距離為d的兩個(gè)金屬板之間放置超表面，達(dá)到共振所需要的相位匹配條件是

當(dāng)?M??0時(shí)，n=0不成立。通過這個(gè)方程，可以看出如果合理設(shè)計(jì)超表面的話，諧振器尺寸可以超越λ/2波長(zhǎng)的限制。

例如，一個(gè)由兩金屬板及其之間的方形片狀物構(gòu)成的超薄膜。圖13所示為三種不同板的諧振頻率關(guān)于l/p（p為周期，l為單個(gè)方形物的尺寸）。當(dāng)l/p=0時(shí)，就是經(jīng)典結(jié)果d=λ/2。對(duì)于一個(gè)給定的d來說，電容性超表面可以很大程度上減小諧振頻率，或者是減小諧振器尺寸以得到期望的諧振頻率。方形片超薄膜諧振器的頻率減小在表1中展示，周期p=500μm。在表中，對(duì)于不同的l/p值列出了相對(duì)應(yīng)的減少值。這個(gè)表的結(jié)果展示了這種結(jié)構(gòu)可以減少共振器尺寸高達(dá)56%。如果經(jīng)過精細(xì)制作超表面散射體的極化特性，還可以達(dá)到更好的減少尺寸效果。實(shí)際上通過控制超表面的特性可以實(shí)現(xiàn)頻率靈活的諧振器。波導(dǎo)

對(duì)于一種入射波來說，超表面可以經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)來使其發(fā)生全反射，這就使俘獲并傳輸電磁能到兩個(gè)超表面之間成為了可能。圖14闡釋了波導(dǎo)的一些現(xiàn)象（與圖7不同的結(jié)構(gòu)使其具有了沿z軸方向傳播的性能）。假定波導(dǎo)方向沿z軸，??k0sin?，對(duì)于TE模型，從方程13可以看出傳輸常量須符合下式以達(dá)到全反射

對(duì)于漏模來說，這個(gè)常量通常很復(fù)雜。如果所選超表面滿足上述標(biāo)準(zhǔn)并且β一定，則x方向的傳輸波數(shù)如下

兩超表面的間距d

其中虛部ne越小越好，需要滿足

和

（后者條件是由于在接近兩個(gè)超表面時(shí)候模型將表現(xiàn)出一種表面波特性，很可能會(huì)增加其衰減）。對(duì)于TM模型類似的方程也在文獻(xiàn)[37]中提出了。

這種波導(dǎo)可以使其變得簡(jiǎn)潔，使用更少的材料，更低的輻射能耗。如果超表面由聚合物組成，則也可以得到一種柔性的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，再加上合適的超薄膜的話，可以實(shí)現(xiàn)柔性低損耗的波導(dǎo)，在THz頻段有著很大的應(yīng)用潛力。這可以用來設(shè)計(jì)智能可調(diào)頻率靈活的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。超表面上的復(fù)合波和表面波

有著傳統(tǒng)電介質(zhì)片的超表面在適當(dāng)?shù)臈l件下也能支持表面波的傳輸。然而，與傳統(tǒng)介質(zhì)片不同的是，通過設(shè)計(jì)超薄膜散射體特性，可以同時(shí)產(chǎn)生向前、后的表面波以及復(fù)合波。實(shí)際上，可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)散射體來使表面被或者復(fù)合波只在指定的頻率出現(xiàn)。在文獻(xiàn)[109]中給出了詳細(xì)的平面波的產(chǎn)生。超表面上線波源的反射系數(shù)的極值是超表面表面特性的函數(shù)。如果這些極值確定，在不同條件下表面?zhèn)鬏敳ǖ膫鬏敵Ａ坑上率浇o出

式中βs在表2中給出，數(shù)據(jù)為電波線源的不同條件，對(duì)于磁波，見文獻(xiàn)[109]。當(dāng)表面磁化率符合其中一個(gè)條件時(shí)，就會(huì)激發(fā)表面波或者復(fù)合波。圖15闡釋了頻率激發(fā)的超表面平面波或者是復(fù)合波。數(shù)據(jù)顯示當(dāng)磁波線源放置在球粒陣列上方時(shí)電場(chǎng)的大小。圖15a展示一種表面波的激發(fā)。圖15b展示復(fù)合波的例子。通過改變散射體的特性，表面磁化率也隨之改變。由此，從表2中看出，在任何想要的頻率下產(chǎn)生表面波或者復(fù)合波都是理論可行的，同樣也適用于頻率靈活的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

Figure 15.The magnitude of the E field(on a linear scale)from a magnetic line source placed 45.49mm above an array of spherical particles:(a)f=1.42GHz,one surface wave;and(b)f=1.5GHz,complex mode THz器件

可調(diào)表面可能有利于THz頻段的設(shè)備和構(gòu)成?；旧峡烧{(diào)表面是通過改變電環(huán)境、電流或者元件環(huán)境來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電環(huán)境 改變時(shí)（通常由散射體內(nèi)半導(dǎo)體引起），這就是混合超材料。THz頻段范圍內(nèi)可調(diào)超表面具有舉足輕重的地位。這主要是由于實(shí)際應(yīng)用中缺乏THz技術(shù)。使用在微波和光子波段的器件，比如開關(guān)和調(diào)節(jié)器，并不能再THz范圍內(nèi)使用。一個(gè)主要的挑戰(zhàn)在于找到在THz波段可調(diào)并有強(qiáng)的響應(yīng)的天然材料。

眾多的實(shí)例證明THz超材料具有這種優(yōu)勢(shì)。THz超材料有利于更高的調(diào)節(jié)能力、簡(jiǎn)單的工藝、低損耗和動(dòng)態(tài)調(diào)控。第一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)控的實(shí)現(xiàn)是利用近紅外激光通過調(diào)節(jié)超表面基板的電導(dǎo)率來調(diào)節(jié)諧振響應(yīng)。模型由銅開口環(huán)諧振器和高阻抗砷化鎵基板組成。激光照射之后，砷化鎵帶隙激發(fā)傳導(dǎo)電子，使其具有類金屬性質(zhì)。這就使開口環(huán)諧振器的電容帶隙發(fā)生短路，以此調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)諧振功能及改變超表面的宏觀響應(yīng)。這個(gè)觀念可用短載流子壽命的半導(dǎo)體來展示，它可以實(shí)現(xiàn)極快的調(diào)節(jié)，開關(guān)功能可以在20ps實(shí)現(xiàn)。光控很快被電控所取代。這里，通過分子束外延生長(zhǎng)出的適度參雜的砷化鎵層，其上排布金開口環(huán)陣列而形成一個(gè)肖特基結(jié)。超材料陣列被歐姆接觸環(huán)繞，以實(shí)現(xiàn)二次電連接。由于參雜的砷化鎵不足引起諧振，在自然狀態(tài)超表面沒有諧振。施加偏壓后，開口環(huán)在接近砷化鎵帶隙區(qū)域形成增大的耗盡區(qū)。這在開口環(huán)區(qū)域形成了一個(gè)絕緣的帶，重置了諧振效應(yīng)，因此改變其宏觀特性。使用這種方法實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅和相位調(diào)制，其中一個(gè)根據(jù)是Kramers-Kronig關(guān)系。盡管開口環(huán)諧振器應(yīng)用存在窄帶寬的缺陷，但寬帶的調(diào)制是確實(shí)存在的。這是固態(tài)THz斬波器實(shí)現(xiàn)的起源，其可調(diào)制頻率達(dá)到30kHz，通常THz束受限于1kHz。這實(shí)例形象的闡釋了在室溫下調(diào)制THz波的改進(jìn)。

別的許多THz調(diào)節(jié)器也通過可調(diào)諧超材料實(shí)現(xiàn)了。這包括頻率可調(diào)超表面，其中諧振頻率可在近紅外波段調(diào)諧。圖16所示為開口環(huán)結(jié)構(gòu)里植入了硅元。其自然狀態(tài)下，硅是絕緣的，因此對(duì)于整個(gè)開口環(huán)結(jié)構(gòu)來說其所增加的電容只有很小的數(shù)值。加入激勵(lì)光，半導(dǎo)體顯示器類金屬性質(zhì)，開口環(huán)電容增加，由此導(dǎo)致諧振頻率降低。其中的創(chuàng)新點(diǎn)是，與以前的調(diào)諧不同，這種不需要損壞開口環(huán)。這既證明了可動(dòng)力調(diào)諧諧振器，也使一種新的頻率調(diào)諧結(jié)構(gòu)成為了可能，這種結(jié)構(gòu)可以使寬帶THz入射波調(diào)制成1/2的頻率窄帶輸出。

可調(diào)THz超表面仍在新應(yīng)用以及新結(jié)構(gòu)上發(fā)展。調(diào)幅也被用在更精細(xì)的應(yīng)用上如空間光調(diào)制和量子激光調(diào)制?？烧{(diào)超材料也可以用另外的方法來得到，比如MEMS，其中開口環(huán)制作在懸臂上使開口環(huán)可以通過溫度的改變來調(diào)節(jié)共振頻率。別的溫度調(diào)節(jié)方法也在研究。有一種是通過溫度改變半導(dǎo)體載流子濃度，然后可以在THz范圍來改變其電容率。制作在一個(gè)基板上的超表面可以作為一個(gè)溫度調(diào)控功能的應(yīng)用。其他的方法中，二氧化釩也可以作為其基板。隨著溫度的變化，二氧化釩由金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變，特別是其電介質(zhì)特性的變化，由此也引起宏觀超材料共振的變化。有一種有趣的記憶超材料也由這種概念得以發(fā)展。這里，二氧化釩的磁滯特性使電介質(zhì)特性溫度可調(diào)成為現(xiàn)實(shí)。制作在這種基板上面的THz超表面可以得到持久的共振頻率，可以制作成電磁響應(yīng)記憶材料。

近來的研究，HTz超表面通過改變諧振器的環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)是通過在超表面的表面鍍電介質(zhì)層。這種想法可以用來實(shí)現(xiàn)遙感技術(shù)，因?yàn)槌砻嬷C振器鍍電介質(zhì)環(huán)境的改變非常敏感，特別是對(duì)于開口環(huán)帶隙處來說。這種觀念擴(kuò)展到了微波頻率，流體也使用在了可調(diào)表面、生物分子感測(cè)和微波輔助化學(xué)方面。這將會(huì)在后面詳細(xì)的談到?？梢姽獬砻?/p>

提到這部分，我們僅僅談?wù)摰匠砻嬖谏漕l、微波和THz的應(yīng)用。很少有應(yīng)用在可見光波段的超表面。在最近幾年，相對(duì)于射頻和微波頻率，可見光波段的超材料研究具有更大的魅力。在可見光頻率對(duì)材料實(shí)現(xiàn)自由的電磁控制使其可以解釋新的現(xiàn)象包括optical magnetism，負(fù)折射和超透鏡。在可見光頻率，由金和銀的納米結(jié)構(gòu)激發(fā)的等離子諧振器提供了同時(shí)控制超材料的電矩和磁矩的方法。這種結(jié)構(gòu)包括等離子納米結(jié)構(gòu)、球粒、有縫金屬薄膜、金屬漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)和雙層或者單層開口環(huán)諧振器。由于其在可見光頻率的所具有的高吸收特性和等離子材料，可見光超材料與實(shí)際應(yīng)用緊密的連接在一起。同樣的，克服等離子體損耗也被列上日程。這種結(jié)構(gòu)在新的特性和器件方面展示出很強(qiáng)的活力，如可見光調(diào)制頻率選擇表面和受激輻射所產(chǎn)生表面等離子體的應(yīng)用。另一可見光超材料、表面的研究是納米傳輸線。

受限于制作規(guī)模，可見光超材料常常會(huì)單層二維散射體陣列，也就是超表面。很多發(fā)表出來的關(guān)于可見光超材料的東西也就是期望的可見光超表面。如上述，應(yīng)用體超材料須謹(jǐn)慎，廣義等效面條件為可大范圍的應(yīng)用在可見光方面的二維散射體陣列提供了獨(dú)特的描述。由此，這也是一種描述超表面的更為合適的方法，而不是使用那些適合描述體材料的方法。

盡管大部分所謂的可見光超材料就是超表面，我們也要提及最近的實(shí)現(xiàn)真正3D可見光超材料的研究，其中體特性如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和折射率可以合適的并且唯一的確定。創(chuàng)新的制作技術(shù)如壓條發(fā)及堆垛法可以實(shí)現(xiàn)散射體的空間陣列。例如，有負(fù)折射率材料所制成的棱鏡已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光的負(fù)折射現(xiàn)象。用于可調(diào)表面、輔助化學(xué)及生物分子傳感器的微流體

超材料和超表面有一個(gè)缺陷，就是在期望的頻率范圍可使用的頻帶很窄。然而，這種缺陷在某種應(yīng)用上也可以變成優(yōu)勢(shì)。有三種這樣的應(yīng)用如流體調(diào)諧表面、微波輔助化學(xué)和生物分子傳感器。

9.1 流體調(diào)諧表面

超材料和超表面的高共振特性為這種結(jié)構(gòu)提供了可調(diào)諧頻率響應(yīng)。擾動(dòng)超表面的電或磁響應(yīng)可以實(shí)時(shí)的實(shí)施，由此可以改變材料的有效響應(yīng)。在第2部分中提到可以通過改變磁偏場(chǎng)來改變球粒超表面的磁電介質(zhì)的極化，在第7部分也提到了在THz頻段的應(yīng)用。然而，許多超材料和超表面電磁特性從屬于其金屬的幾何結(jié)構(gòu)。除了其幾何尺寸以外，這種金屬的極化率也受等離子諧振引起的電容或者感應(yīng)特性的影響。電連接諧振器提供了一種直接控制電容響應(yīng)的方法，通過電帶隙中材料的電特性來實(shí)現(xiàn)。一種實(shí)現(xiàn)這種控制的方法是使用不同的液體來填充縫隙。

圖17所示為一種電場(chǎng)耦合諧振器，所使用是流體調(diào)諧表面來使其運(yùn)行在S波段（2.6GHz-3.9GHz），其尺寸如下：t=w=0.5mm, d=9.5mm, l=5mm, g=0.15mm.如果單元結(jié)構(gòu)具有合適的導(dǎo)向，則這種單元結(jié)構(gòu)很容易受入射波電場(chǎng)的激發(fā)。

制作在超表面上的單元結(jié)構(gòu)具有以下誘人的特性：a 基于平面工藝，并由微波電路、聚乙烯和微流體管道組成，b 通過流體管道可以同時(shí)控制電容性縫隙，由此可以允許多種單元結(jié)構(gòu)公用流體管道，c 可以使流體管道直接與單元結(jié)構(gòu)的電容性縫隙接觸，這就有利于縫隙中激發(fā)的電場(chǎng)與流體管道的耦合。

圖18所示為一個(gè)3*6的方向陣列組成的流體調(diào)諧超表面。單元結(jié)構(gòu)的周期是11mm。圖19所示為通過72 x 34mm S波段的波導(dǎo)激勵(lì)下的仿真響應(yīng)。這個(gè)仿真是使用Ansoft HFSS實(shí)現(xiàn)的。

這種3x6陣列通過Duroid 6002 高頻壓制成0.017mm厚的銅板覆在0.508mm厚的基板上，可以用來研究流體調(diào)諧。流體管道由聚合物制成。聚合物管道通過氰基丙烯酸鹽粘合劑粘貼在超表面上。圖20a展示了一種有聚合物管道并穿過縫隙的超表面。圖20b展示了由金、玻璃和聚乙烯管道構(gòu)成的另一種結(jié)構(gòu)。

這個(gè)超表面陣列由填充了2/3波導(dǎo)區(qū)域的聚苯乙烯泡沫支撐，被用作超表面的把手可以方便其移動(dòng)，可以更快的填充流體管道。之后波導(dǎo)的輸入和輸出就連接到矢網(wǎng)分析儀上來校準(zhǔn)。經(jīng)過校準(zhǔn)之后，我們測(cè)量了在波導(dǎo)2.6GHz到3.95GHz散射體的參數(shù)。這種方法對(duì)反射系數(shù)測(cè)得的不確定度是?|S11|?0.02。

管道中有沒有流體的測(cè)量可以用來定義傳輸共振。有著相對(duì)介電常數(shù)為81的去離子水被用來測(cè)超材料調(diào)節(jié)頻率的能力，在S波段其具有易操作、低揮發(fā)、高介電常數(shù)和低損耗。流體管道使用注射器填充。圖21是實(shí)驗(yàn)中波導(dǎo)下的超表面。

圖22為其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果證明其在150MHz的調(diào)諧能力。具有代表性的是，在有和沒有流體填充時(shí)其反射發(fā)生了明顯的滑移，從3.75GHz到3.6GHz。對(duì)于圖19的仿真結(jié)果與圖中沒有填充水時(shí)結(jié)果的不一致估計(jì)來源于工藝錯(cuò)誤。另外，附加的噪聲擾動(dòng)也來源于工藝的不均性及周期誤差，還有來源于管道與超表面粘結(jié)出產(chǎn)生的干擾。將來，工藝方面的進(jìn)展將會(huì)減小這種誤差。

此外，除了這種流體調(diào)諧作用，通過改變管道中流體而改變共振特性也是一種新的方法。這種方法以及應(yīng)用在了制造業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥和化學(xué)工程。超材料或超表面在感測(cè)和影響的應(yīng)用將會(huì)在后面做更細(xì)的論述。

9.2 微波輔助化學(xué)

處在諧振狀態(tài)的超薄膜可以在單元結(jié)構(gòu)里存儲(chǔ)電磁能。這種特性可以用來增加電磁場(chǎng)與流體管道中流體之間的相互作用?，F(xiàn)在有很多研究將微波能量來催化化學(xué)或者生物反應(yīng)，其中有許多是得益于超薄膜來增加電磁場(chǎng)與流體的相互作用。這里所說的超薄膜方法對(duì)于反應(yīng)來說非常重要，這種方法是通過控制反應(yīng)物的流動(dòng)來控制其化學(xué)反應(yīng)，流體中的能量可以通過調(diào)節(jié)電磁波的頻率和能量來控制。由于超薄膜陣列的諧振頻率可以通過單元結(jié)構(gòu)的形狀和排列來調(diào)控，有不同諧振頻率的不同超薄膜可以通過單一波導(dǎo)的不同頻率來產(chǎn)生激勵(lì)。上面所說的超表面結(jié)構(gòu)可以證明流體調(diào)諧性，也被研究用于集中波導(dǎo)的電磁場(chǎng)。

S頻段波導(dǎo)產(chǎn)生激勵(lì)時(shí)在波導(dǎo)中對(duì)電磁場(chǎng)強(qiáng)度做了仿真。每輸入1W3.29GHz波源，其中所計(jì)算的最大場(chǎng)強(qiáng)是800V/m。將超表面放入同一個(gè)波導(dǎo)中心，最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到125000.這就加強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)至少有兩個(gè)量級(jí)，對(duì)于吸收增強(qiáng)了至少四個(gè)量級(jí)。圖23展示了處于單元結(jié)構(gòu)中心的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖23所示電場(chǎng)結(jié)構(gòu)證明了超材料結(jié)構(gòu)在精確傳輸電磁能量方面的能力。上面所說的流體調(diào)諧超材料明確的證明了流體管道與組成超表面單元結(jié)構(gòu)縫隙的相互作用。由此可以想象得到這種覆有流體網(wǎng)絡(luò)的超表面通過流體管道可以用于精確傳輸微波場(chǎng)，這可以用于輔助化學(xué)反應(yīng)。

9.3 生物傳感器應(yīng)用

上面所說的流體調(diào)諧超材料可以擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)高的諧振頻率以及小片結(jié)構(gòu)的傳感應(yīng)用。單一單元結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一種環(huán)形或者網(wǎng)格超材料，這可以制作小巧傳感器以用于醫(yī)藥應(yīng)用，在液體中計(jì)算細(xì)胞數(shù)或者監(jiān)測(cè)反應(yīng)。圖24就是這樣的一種例子。兩個(gè)開口環(huán)連接在一起成一種共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。單元結(jié)構(gòu)縫隙處連接一個(gè)流體管道，用來調(diào)節(jié)對(duì)單元結(jié)構(gòu)電容的影響。通過改變管道中液體的電磁特性，可以調(diào)諧共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸特性。

圖25是這種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，流體的相對(duì)介電常數(shù)從81變到58.當(dāng)流體改變時(shí)，反射系數(shù)滑移幾十個(gè)MHz。這種通過使用一種流體管道來影響諧振特性的能力使小巧傳感器的實(shí)現(xiàn)成為了可能，這種傳感器可以應(yīng)用于生物傳感比如計(jì)算細(xì)胞數(shù)或者流體的細(xì)節(jié)。未來或許會(huì)實(shí)現(xiàn)這種類型的傳感，定義電容率的微小變化以及使用儀器計(jì)算微粒。同樣，別的類型的小巧傳感器也將會(huì)繼續(xù)研究，這將對(duì)綜合的傳感器件發(fā)展有莫大好處?，F(xiàn)行的研究主要在將這種概念應(yīng)用在流體中測(cè)定和計(jì)算微粒，如白細(xì)胞數(shù)。

結(jié)論

超表面是3D超材料的另一種補(bǔ)充。由于二維超表面的特性可以使其占用更少的物理空間因此可以有更小的損耗。我們指出有效特性模型可以適合于三維超材料，同時(shí)對(duì)于超表面和超薄膜來說，有效表面電、磁極化率會(huì)有更合適的效果，其中這些表面電、磁特性與組成超表面的散射體密切相關(guān)。在這篇文章中我們討論了從微波到可見光波段超表面的不同應(yīng)用。所談及的應(yīng)用只是現(xiàn)實(shí)的小小的小部分。同時(shí)提出了一些超材料可以使用的新的方面，并為超表面在新領(lǐng)域的應(yīng)用打開了希望的大門。這里提及的分析工具使我們可以在新的應(yīng)用中對(duì)建模、分析和生產(chǎn)有了可用之法。

那么什么是一維超材料呢？二維超表面的概念可以延伸到一維，僅僅使用線性單元而不是方形或者其他形狀，也就是說僅僅使用一種單一的亞波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)期望的效果。實(shí)際上，這種概念已經(jīng)有了一些新的應(yīng)用。具有代表性的應(yīng)用是一種使用單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電力小巧天線。在這個(gè)天線應(yīng)用中，單元結(jié)構(gòu)充當(dāng)天線的輻射元件的一個(gè)寄生元件，可以用來將電力小巧輻射單元與傳輸線和自由空間。納米微粒同樣用于所謂的調(diào)諧可見光納米天線。另一個(gè)例子是將一維單元結(jié)構(gòu)用作平面?zhèn)鬏斁€的調(diào)諧結(jié)構(gòu)，就像圖24所示的傳感器一樣。另一種新興的應(yīng)用領(lǐng)域是將一種一維納米微粒鏈用作波導(dǎo)來支持表面波。

然而更多的工作需要繼續(xù)來加強(qiáng)對(duì)超材料和超表面的理解、分析、設(shè)計(jì)以及制作技術(shù)，我們看到近些年超材料和超表面的發(fā)展帶我們走近了一百多年前Lamb,Schuster,Pocklington所作出的預(yù)言。這些材料發(fā)展永遠(yuǎn)的改變了射頻、微波、可見光和光子在未來的應(yīng)用。