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關鍵詞:工程測量;土木工程;應用時效;測量新技術
測量是所有工程中必不可少的環節,有預測和度量的兩層含義。工程測量實際上就是一種數據的采集、處理、放樣、校對以及最終達到監測目的的綜合操作過程,應用于建設工程中的所有測繪日程中,在土木工程中的應用也極其廣泛,其實效性尤為突出。
一 工程測量的含義
工程測量有兩層含義:1)用儀器確定空間、時間、溫度、速度、功能等的有關數值。2)有關地形、地物等的測定工作。它是兼顧施工組織設計各環節的協調、發展和可持續的有力保障,擁有測量理論與度量數據、科學的方式方法和準確的組織推斷憑證三要素。
二 工程測量的重要性
工程測量是土木工程作業的一部分,因為土木工程龐大,具有工種繁多,交叉作業明顯,干擾大,更改難度大等特點,所以必須做好準備工作和有效實施。測量的質量將直接影響工程建設的質量,鑒于土木工程的特性,故工程測量應建立健全的檢查制度,確保測量工具的精度,測量方法得當,測量數據全面,測量人員的安全意識。工程測量包括距離測量、角度測量和高程測量三部分。由于誤差具有累加性和傳遞性,如不對工程測量誤差做限值規范,那么工程測量將對整個工程造成非常大的影響,輕者造成停工誤工、返工上的浪費,嚴重則造成工程功能性喪失的毀滅性傷害。
三 工程測量在土木工程中的應用
工程測量應用于土木工程的所有工序服務中,可以認為沒有工程測量就無法進行工程建設,任何工序都是空談。下面舉例說明其中土木工程的相關應用實例。
(1)施工前勘測
施工測量應建立健全測量組織、操作規程和檢查制度,在施工測量前應實地踏勘施工現場,對工程項目的地質、地形、地貌和周邊環境進行全面勘測,根據實際情況編制測設詳圖,計算測設數據。測量前應檢驗和校正施工測量所用的儀器和工具,同時保證測量人員具有測量資質。施工前的工程測量是土木工程開展施工的前提,為施工組織設計書提供數據理論基礎。
(2)施工階段的測量
在施工階段進行的測量工作是將圖紙上設計建筑物的平面位置和高程,按設計與施工要求,以一定的精度標定到實地,作為施工的依據。在施工過程中仍需進行一系列的測量工作,主要內容有:建立施工控制網;依據設計圖紙要求進行工程放樣;每道施工工序完成后,通過測量檢查各部位的平面位置和高程是否符合設計要求;隨著施工的進展,對一些大型、高層或特殊建筑物進行變形觀測等。
(3)設備安裝過程中的測量
使用測量儀器根據設計圖紙和基準,測定設備安裝的標高基準點和中心線,并在安裝過程中檢測和復驗安裝設備的偏差和精度,保證將設備安裝在正確位置上的工作。內容包括:參與基準控制網、基本水準點的定位定點的測量;檢查、復測與驗收設備基礎的中心線、標高及沉降觀測數據,復測基礎輪廓及與設備相關的孔、洞、槽的尺寸和定位距離,地腳螺栓的精度保持一致;在連續性生產線上,各設備中位線、標高等,確認基礎已具備安裝條件;測定設備基礎的主要基準點應與原始水準點組成水準環線,按二等分安裝的基準點、沉降觀測點、基準線和輔助線等;設水準測量精度和方法觀測,全部基準點的高程測量應具備安裝中的找平、找正和找標高的測定等測量工作,連續進行,以避免基礎沉降而影響設備的安裝精度;自設備安裝到設備投產的全過程的定期基礎沉降測量,實施設備安裝測量的全過程包括施工前觀測,并跟蹤由于沉降而引起的設備標高的更改度量、施工測量和沉降觀測三個階段,中心線的位移和水平度的變化;安裝結束時土木工程中設備安裝位置、安裝方式、整裝協調性都需要工程測量。
(4)竣工監測
土木工程中竣工驗收監測工作程序中的現場勘察、現場監測和數據統計處理的方式中都離不開工程測量,以此作為報告編制和報告審核階段的數據憑證。同時項目驗收時的關鍵點,如批復中專門提及的要求(監測工況和必要的原材料)、人環問題和總量問題等都需要嚴格測量,提供達標數據。
(5)后續維護測量
質量是企業的生命,更是土木工程的生命。在土木工程處于保修階段時,工程監理檢查工程質量狀況、鑒定質量責任問題都需要一定的數據依據,此依據的出具仍需要精準的工程測量。
四 工程測量新技術
隨著土木工程行業的不斷發展與進步,企業對質量關注度的提升,工程測量的技術革新勢在必行。數字化技術、全球定位技術GPS、地理信息技術GIS、遙感技術RS等高新技術已逐步應用于工程測量中,給測量帶來了便捷和高的可靠性,縮短了工時,提升了測量效率,從而大大增加了工程測量的營運效率和工程安全系數。如工程測量中的遙感RS技術,由于大面積的同步觀測、時效性、數據的綜合性和可比性及經濟性等優勢得到快速的普及多光譜航空攝影和高分辨率的遙感衛星將成為對地表觀測獲取基礎地理信息的重要手段。
五 結語
工程測量在土木工程中有舉足輕重的作用,應用也是極其廣泛的。隨著人們對質量關注度的不斷溫升,土木工程中的工程測量工序也備受關注,新技術的引進著實給工程測量帶來了便捷,同時也使得土木工程的運營效率逐步提升,質量得以保障,工程測量在土木工程中的應用價值更加顯著。
參考文獻
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關鍵詞:水利土木工程,擴充現實,技術,可視化
近年來,隨著水利土木工程規模的越來越宏大,對環境的沖擊力越來越大,為了預測工程對自然環境、人類健康和生活質量的影響,就要在工程開工前對其沖擊力做出評價。最初主要應用可視化沖擊評價(VIA)對環境作評價,是一種更加感官化的和描述性的方法,它主要關心人類的欣賞觀以及人類同環境的交互關系。它通過在圖紙和文字資料中查閱或通過繪圖和尺度化的模型等方法來顯示,這些方法不直觀或不能很好地反映客觀情況。后來虛擬現實系統(VRS)開始盛行,在英法海底隧道工程、香港機場填海工程、三峽截流工程等大型工程中得到了廣泛應用。雖然VRS可以讓用戶對計算機合成的虛擬環境進行體驗和交互作用,但VRS通常需要繁重的建模和昂貴的三維圖形加速器來快速繪制復雜的場景,并且繪制的畫面不夠自然逼真。而擴充現實技術(AR)將擁有豐富視覺信息的真實世界與VRS相結合,實現了虛擬世界與真實世界的結合。基于實景圖形構造出的虛擬圖像比VRS的逼真度要高,易于實現實時交互,免除了建模工作的繁瑣程度且不需要昂貴的三維圖形加速器,大大提高了工作效率,給水利土木工程領域帶來了巨大的經濟效益。
1. 擴充現實技術
VRS技術是一種通過計算機圖形學、人機交互、傳感、人工智能等技術用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺,使人通過適當裝置,作為參與者自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用的技術。由于VRS給人的感覺不真實,人們便將擁有大量有效信息的真實世界與VRS相結合,擴充現實技術(AR)就誕生了。AR使觀察者不僅能夠看到真實世界,還可以看到擴充了的真實世界的、來自于計算機模型的信息,從而具有更豐富的空間信息。AR技術是將科學技術轉化為生產力的一個結合點,它可以廣泛應用于大型土木工程建設的仿真、城鎮與環境規劃、環境評價等,還可以用于醫療、娛樂和軍用飛機等。將AR技術較好地應用于大型水利土木工程可以實現更加客觀地對方案進行設計,對工程施工過程進行指導和對工程信息平臺進行建設,為專家和領導提供準確、及時的支持決策。
2. 方法
擴充現實最本質問題就是將計算機所產生的虛擬物體準確地添加到圖像序列當中。實現擴充現實技術的方法以及輔助工具較多,在這篇文章里,討論了更加實用的擴充現實技術,這種方法不需要使用己知的三維標定物對像機參數事先標定,即基于視覺的免標定擴充現實。當將三維虛擬物體放進用戶環境的過程中,首先要確定虛擬物體在三維場景中的準確位置,通常用仿射或透視進行定位,然后當像機位置改變時,虛擬物體應相對像機做正確的投影。由于虛擬物體添加到場景中的過程中,有可能和場景中的實物之間產生遮擋,故在實際的算法中,須考慮這一點。
2.1 基于四點的仿射結構
根據運動的仿射結構,可以推出點的仿射重建特性。假設O,P1,P2,P3是場景中的四個非共面點,由這四個點構成空間仿射系的基。假設P為空間中的任意一點,則P的投影可以表示為:
公式(1)
m表示第m幀圖像, 是點P的投影,P1,P2,P3是基點,u、v為P的投影坐標, 是原點的投影, 是P點仿射坐標的齊次表示,公式(1)表示仿射框架下的投影方程。由此可知只要在每幀圖像中獲得場景的任意四點坐標就可以得到投影矩陣。
2.2 虛擬物體的定位
在仿射坐標下,基點位置決定虛擬物體的位置,諸如Z緩沖、剪切等圖形操作可以進行,這樣可以對空間物體在深度方向上進行排序,進行消隱。光軸η可以表示為
公式(2)
空間點P的變換可表示為
公式(3)
w是P的z值。
2.3 虛擬物體的放置
采用交互式方法確定虛擬物體上一點在兩幀圖像中的位置。兩幀圖像中點P的位置是有關聯的,只要確定點P在一幀圖像中的位置,就可以根據對極幾何確定點P在另一幀圖像中的位置。點P的位置確定后就可以求出仿射坐標,實現重投影。
2.4 擴充現實中的遮擋問題
以上方法可以使虛擬物體疊加到真實場景中,但是虛擬物體與真實場景會出現相互遮擋的問題。可通過立體圖像的密度圖導出其深度圖來解決這個問題,然而這種方法的精確度不高。為此我們提出了一種采用基于輪廓關鍵點的方法,這種方法通過三維重建把阻擋輪廓恢復。通過兩幀圖像中阻擋輪廓關鍵點的坐標來得到每一幀圖像阻擋輪廓的重投影。
3. 結果
本研究用數字照相機、帶VC++軟件的計算機來驗證上述方法的有效性。首先用大方盒來模擬真實場景,取大方盒上的任意四個頂點為追蹤點,構成仿射原點和基點。用小盒子模擬虛擬物體,交互獲取小盒子的頂點坐標,解得小盒子各頂點的仿射坐標,重投影并消隱。結果表明利用此方法可以快速、準確地將虛擬物體投影到不同視點下的三維場景中,從而顯示了此方法的有效性。
4. 結論
現實擴充技術通過虛擬物體與現實圖像的融合為水利土木工程項目的可視化評價提供了一種手段,僅需一臺數字攝像機和計算機,就可以對水利土木工程對環境的沖擊做出評價,改善水利土木工程的仿真效果,對避免環境質量退化及實際工作有著特殊的意義,為水利土木工程的可視化沖擊評價提供了廣闊的應用前景,并且可以大大提高工作效率,給社會帶來巨大的經濟效益。
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關鍵詞:彈性力學;土木工程;教學;探索
彈性力學是高等學校土木水利等專業的一門理論性與應用性都很強的基礎課程,目前各高校很多學科根據本專業本科教育培養目標,實現寬口徑、厚基礎的教學基本要求,減少課時和精簡內容。另外,土木類專業所面臨的現代工程結構設計問題大多為非桿系的復雜結構體系,所以許多高等院校要求開設彈性力學和有限元課程,其目的是加強土木類本科生對復雜結構數值分析能力的培養,以提高他們從事科學研究和現代結構設計的能力。然而學生普遍認為彈性力學解決實際工程的能力遠不如材料力學和結構力學,而且彈性力學理論抽象,數學推導麻煩,課程枯燥乏味,提不起學習興趣。因此在現有的學時下如何保證教學的基本要求和基本內容,用什么方法和手段達到既增大信息量,減少教學時數,又能強化學生能力的培養,成為彈性力學教學中需要關注的問題。
一、高校彈性力學教學現狀
為了提高結構力學和彈性力學的相關教學水平和研究成果,教育部高等學校力學教學指導委員會力學基礎課程教學指導分委員會結構力學及彈性力學課程教學指導小組定期召開工作會議,2006年工作會議在武漢理工大學召開,2009年工作會議在成都西南交通大學舉行,2014年10月工作會議在北京工業大學舉行,各高校在每次會議中都對彈性力學的教學進行了教學改革成果和經驗交流,對教學實踐、課程建設和資源積累等問題進行了研討。北京工業大學在彈性力學的教學中也進行了很多研究和改革,北京工業大學彈性力學課程的設置和教學與國內其他高校具有類似特點與問題。2006年之前彈性力學作為土木工程本科專業的必修或必選課,學時一般為40學時左右,使用教材以徐芝綸《彈性力學簡明教程》為主要教學參考書。在2007版本科教學改革之后,彈性力學在土木工程專業本科中仍然設置為學科基礎必修課,但學時改為16學時,考試時采用閉卷考試,對學生學習要求較高,較多學生仍然認為太偏重于理論,理論抽象,數學推導煩瑣難以理解,并且其解決實際工程的能力遠不如結構力學。在2012版教學計劃后,課程性質以及學時都沒變,但考試時采用開卷考試,對學生的公式推導要求降低。改為16學時時,教師和學生的感覺都是時間太緊張,學習壓力大,所以在剛完成的2015版土木工程本科教學計劃中,彈性力學進行了很多變化,首先課程性質發生了改變,由學科基礎必修課改為學科基礎選修課,讓學生有選擇的空間,其次學時增加為24學時,讓選修彈性力學的同學能真正學習到彈性力學的主要內容。所以目前在現有的學時下,如何保證教學的基本要求和基本內容,用什么方法和手段達到既增大信息量,減少教學時數,又能強化學生能力的培養,成為教學中關注的問題,由此也產生了彈性力學教學內容多和學時少的矛盾。許多高校和研究者在彈性力學課程教學和研究上進行了教學改革,取得了較多有益成果,盡管如此,土木工程專業彈性力學課程在以下幾方面尚有待研究與改革:
(1)教學對象上,彈性力學通常主要在工程力學專業開設,需要充分考慮結合土木工程專業的特點。
(2)教學思路上,仍然偏向工程力學方法,在內容選擇上較偏向數學,主要是理論上的教學,對理論分析和數值分析結合對比方面缺少。
(3)講課內容中未能充分引入彈性力學領域的最新進展,尤其是與土木工程結構相關進展,因此在彈性力學課程的教學方式、教學內容、考試形式等方面需要進行一些思考和探討,對彈性力學教學中的普遍與特殊問題進行研究與實踐,將促進學校土木工程學科力學教學的發展。
二、盡可能地提高學生的“計算分析”理論水平
根據高等院校土木類專業本科指導性專業規范以及2015版培養方案規定的學時,需要考慮在既有學時下,使學生的理論水平能達到當今土木類專業的培養要求。
1.重點突出彈性力學分析思路和概念。在教學中,在分析思路上,一般重點講授彈性力學平面問題的相關問題,并且對彈性力學平面問題基本理論采取精講的形式,對空間問題基本理論采取和平面問題基本理論相對比方法進行講解。如果根據實際,直接從實際工程的三維問題,再到講授二維問題可能更符合思維過程以及實際工程問題,使得思路更加自然,并且能節省教學課時。另外,在講授方法思路中應突出思路、概念與結論。如彈性力學中的概念問題:彈性力學中應力的方向以及正負號的定義,平面應力問題和平面應變問題的區分,應力邊界條件和位移邊界條件的確定方法,處理局部邊界條件的圣維南原理,等等,這些都是講述平面問題基本理論中要熟練掌握的概念。
2.結合具體土木工程實例教學,附加一些分析程序和工具的介紹,拓寬學生分析方面的應用能力。在介紹分析思路時,需要結合有實際工程背景的工程算例來分析,這樣可以明確學習目的,激發學生的學習動力。在理論分析完成后,還可以介紹相應的數值分析方法,介紹Matlab計算程序或有限元分析工具,對理論分析過程數值化,讓學生自己操作計算,分析結果。最后由于土木工程專業學生在實際工作中需要學會運用,可以結合一些設計規范進行學習,如:公路隧道設計規范(JTGD70-2004)建議采用彈性力學數值方法—有限元法計算圍巖的隧道支護結構內力和變形等,通過在理論分析結果和數值分析對比的同時,還可以通過規范要求進行驗算。
三、根據當今土木類本科生的培養要求,編寫適合土木工程專業學生使用的教材
就目前而言,對于土木類本科生的彈性力學課程,各高等院校所安排的教學內容、教學時數及選用的教材均存有不同。換言之,對教學內容、教學時數及教材均沒有統一的指定,仍處在各高校教師根據自己的教學經驗進行不斷地探索與總結。目前已出版的彈性力學教材有很多種,所使用的教材一般為《彈性力學簡明教程》,徐芝侖編,高等教育出版社出版。這本教材所涵蓋的內容較多、較全面,也比較深刻,對概念思路的解釋較為簡潔,但仍然有需要改進之處:
(1)基本上從平面問題到空間問題最后到板殼一些特殊問題,分析講解思路可以變化,讓學生更快更容易的理解。
(2)理論講解較多,實際土木工程案例的分析較少。
(3)理論推導比較多,數值分析對比較少,數值分析工具的應用較少等,另外學生學習的課余指導用書比較少。為此,編寫更加適合土木工程專業的教材以及教材指導用書是有必要的。
四、改革單一的板書教學模式,研制《彈性力學》的CAI電子教案
作為一門強調理論與應用的課程,僅以單一的板書教學模式明顯不足。例如,本課程中復雜的理論推導數學演示,這些均可通過CAI電子教案的教學來表述。此項教改工作的目的是在教學時數不足的情況下,就如何實現課堂教學氣氛活躍、高效率地完成教學內容、突出理論聯系實際等方面而為之。根據本課程教學大綱中教學內容的要求及依據更加豐富的教材,可以編制本門課程的CAI電子教案。在實際教學中,采用多媒體與板書相結合的教學模式,預期可以達到較好的教學效果,授課學生能給出較好的評價。另外,課內教學是本課程的主要任務。但由于本門課程在土木專業上的應用性較強,學生的課程設計、畢業設計均會遇到實際結構問題的數值分析,對此需要課外指導,因此建立教師學生互動平臺和窗口也是有必要的。
五、結語
為了提高土木工程專業彈性力學課程教學質量和效果,本文分析了土木工程專業彈性力學課程的教學相關問題,并探索了土木工程專業彈性力學課程的教學改進方法。
1.盡可能地提高學生的“計算分析”理論水平,使學生的理論分析水平達到當今土木類專業的培養要求。
2.根據當今土木類本科生的培養要求,編寫適合土木工程專業學生使用的教材。
3.改革單一的板書教學模式,研制《彈性力學》的CAI電子教案,并建立教師互動平臺和窗口。
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Teaching research and practice of environmental geotechnical engineering
RAO Pingping, SONG Zhongqiang, ZHANG Feixiang
(Department of Civil Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P. R. China)
Abstract:
關鍵詞:土木工程生產實習改革與實踐
中圖分類號:K826.16 文獻標識碼:A 文章編號:
隨著科技的進步,新材料、新技術、新工藝不斷涌現并應用到建筑結構中,對土木工程專業從業人員的理論知識、實踐能力和創新能力提出了新的挑戰。土木工程生產實習是土木工程專業教學計劃中重要的實踐環節,是鞏固深化學生所學理論知識,培養學生實踐能力和創新精神的重要手段。在學校卓越應用型人才的培養目標和實習教學資源越發緊缺的條件下,研究如何提高生產實習教學效果和加強學生實踐能力、創新精神顯得更加重要。
近年來,高校不斷擴招,越來越多的應屆畢業生缺乏實踐經驗和動手能力的形勢下,各招聘單位卻越來越注重畢業生實際的工作經驗和動手能力。為此,各個高校都在積極尋求加強實踐教學的措施和方法,本文將針對土木工程專業生產實習教學模式的改進進行初步的探索。
一、土木工程專業生產實習現狀
1、生產實習時間短,不能系統掌握建筑全部施工過程。
根據土木工程專業教學計劃,生產實習一般安排在第六、七學期,時間一般為兩周左右。由于建筑工程項目的龐體性、復雜性、綜合性、多樣性,施工周期往往較長、而實習時間相對較短,實習期間有的工地在施工主體,而有的工地才剛剛開挖或已封頂,學生接觸到的僅僅是一個或幾個分項工程,很難系統的掌握建筑施工全過程。同時,學生進入工地實習需要一個適應過程,很多學生剛剛適應工地環境,實習就將結束,達不到預期的實習效果。
2、聯系實習工地難度大。
建設項目參建單位多,關系較難協調。土木工程施工現場環境復雜,很多施工單位基于工程進度、施工安全等管理方面因素的考慮,不愿接收大批量的在校學生進場實習。部分施工單位雖然能接受部分學生實習,但是也不能確保施工實習的延續性和全面性。聯系建設單位、監理單位安排實習,因為現場施工工程師沒有得到實際利益,同時出于安全考慮,不允許學生親自實踐,限制了學生實習的范圍和深度,大大影響了實習效果。
3、實習指導教師業務水平有待提高
很多民辦高校教師隊伍兩極分化比較嚴重,多以外聘、返聘的老教師帶動青年教師,中生代教師較少,以青年教師為主。很多教師都是一畢業就直接走向工作崗位,沒有從事過土木工程設計、施工等工作,缺乏工程實踐經驗和管理經驗,對施工現場生產工藝流程、施工組織管理等方面還不很熟悉,在實習指導過程中無法起到應有的指導作用。
4、學生對生產實習不重視,害怕吃苦。
施工現場技術人員因沒有指導學生的義務,如果責任心不強的話會導致少數自我約束能力差的同學因為沒有指導老師的監督,可能會放任自由,三天打魚,兩天曬網,甚至不去工地實習。這樣在整個實習過程中,學生不可能去發現問題,更談不上去分析和解決問題。同時,越來越多的90后成為了教學主體,優越的生活條件導致了很多學生吃苦耐勞的精神嚴重缺失。進入施工現場嫌臟怕累,不愿意深入施工一線,游離在工程之外,不能夠掌握施工工藝、施工技術的精髓。實習結束后,指導教師對學生的實習成果性材料評價及考核不到位,流于形式。
5、實習地點分散,實習經費不足。
基于建筑行業特點,施工單位接收實習學生數量有限,一個項目部最多只能接收十幾名或幾名學生。學生實習地點多而分散,且外地實習單位居多,一名指導教師要聯系指導好幾個施工單位的實習學生,僅通過電話網絡聯系,很難起到監督指導的作用,定期赴施工現場檢查學生實習情況,必將帶來較多的交通、住宿、通信、伙食等費用。而實習經費不足是各高校普遍存在的問題,沒有足夠經費就難以選擇最優的實習地點,也很難保證有充足的實習時間、質量和效果。比如我校現行生產實習經費按人頭為100元/人,這些經費只能滿足本地區企業的入廠費、講課費和交通費等,無法滿足其他內容的生產實習,更談不上到外地企業。
二、生產實習教學的改革與探索
1、采取延續實習或跟蹤實習的方式進行生產實習。
將生產實習安排在第六學期最后兩周進行,有效利用暑假,延長工地實習時間。一般學生在進場兩周之后才能逐漸適應施工現場工作環境。此時延長實習時間,將有助學生提升動手能力,幫助現場工程師進行現場管理,積累真正的工程經驗。與實習單位保持聯系,要求學生與工地工程師保持溝通狀態,及時了解工程項目最新進展情況,并利用周末或假期時間進場繼續學習。
2、加強校內、校外企業的合作與交流,建設穩定的實習基地。
對土木工程專業來說,實習基地是重要的教學場所,基地建設的好與壞,直接影響著生產實習教學的質量。
(1)校內實習基地建設
結合我校“專業知識+現代技能+職業素養”的辦學理念,我院建立了建筑施工實習基地,引進了工作經驗豐富的不同工種技術人員來校工作,可以在校進行模板工程、鋼筋工程、混凝土工程、砌筑工程、腳手架工程、抹灰工程、建筑裝飾工程、建筑電氣工程、建筑安裝工程等多個分部分項工程的施工操作實習。學生在進入施工現場前,提前學習了解施工現場環境及各個工種操作的特點,將大大縮短學生進入工地后的適應時間。同時,校內實習基地的建設大大節約了實習經費,學生進入工地很快能夠上手,工地愿意接收學生實習,也節約了大量的實習入廠費。
(2)校外實習基地建設
通過協議,以校企聯合、雙方互惠的模式,建立實習教學基地。校方為企業優先輸送優秀學生,在人才培訓、委托培養、課程進修、技術咨詢服務、信息交流等方面提供方便。企業為校方提供實習場地和資料,負責對學生進行安全教育,并委派技術人員指導、管理學生實習,在實習費用等方面予以優惠,為學生就餐、住宿等提供方便。
與就業資源相結合。我院設有就業組織機構,由就業院長牽頭負責校企合作及畢業生就業推薦等事宜。通過多年的努力,積累了較為廣泛的合作基礎,已與多家建筑設計、施工單位建立了長期穩定的合作關系,并簽訂了協議,很多應屆畢業生在這些單位參加畢業實習。利用這些合作單位,進一步擴展生產實習事宜,能夠有效解決生產實習聯系難的問題。
3、提高指導教師業務水平。
針對生產實習教學的重要性和特殊性,在選擇指導教師時,要選擇敬業精神強、能吃苦耐勞、結構和施工等方面的教師組成。并組成相對穩定的師資隊伍,定期到施工現場學習,提高業務素質與實踐能力,形成生產實習是一門獨立專業課的概念,提高對生產實習重要性的認識。具體到某個實習工地,實習指導教師要先到工地熟悉有關情況,看懂圖紙,了解現場的施工工藝;對現場用到的新技術、新材料、新工藝、新方法要加強學習;對施工現場的臨時用電、機械設備、安全防護要做到心中有數。這些對提高學生的實踐能力、深化對專業知識的理解與應用、擴大知識面等均起著重要的作用。
4、加強教師、學生管理,做好實習前動員,嚴把實習質量關,督促學生認真完成實習。
(1)加大教師監管、指導力度。指導教師的職責是負責實習工作的組織領導、學生分組、考勤、實習進度和解答學生在實習中遇到的理論問題。每名指導教師應與工地工程師、實習學生保持聯系,及時掌握實習動態。在各個工地上指定學生負責人,當指導教師不能到場時,負責人應能及時總結和反饋工地實習學生狀況。
(2)進入施工現場前做好實習動員工作。要求學生明確實習的意義,在實習期間須根據實綱完成單位工程施工組織設計和施工日志。實習結束后,結合施工組織設計及施工日志積累的資料進行分析和總結,寫出圖文并茂的實習報告,并由指導工程師和實習單位給予學生鑒定,返校后學生進行實習答辯。
5、結合實習地點等實際情況,積極調整生產實習經費劃撥政策,適當增加實習經費投入。保證生產實習各個環節的運轉順暢,實習單位愿意接收學生參加實習,實習指導教師與學生、實習單位能夠經常溝通交流,實習學生與實習單位合作愉快。
三、結束語
生產實習是連接理論知識與實踐動手能力的橋梁。探索有效的土木工程專業生產實習方式,增強學生的實踐能力和創新精神,對培養優秀的應用型人才具有十分重要意義。學院高度重視、認真準備、積極聯系、有效組織、采取科學合理的指導方法,才會取得理想的效果。
參考文獻:
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[關鍵詞]土木工程材料;教學;方法;實踐
土木工程材料是我校材料科學與工程專業的一門專業選修課,該課程主要內容包括土木工程材料的性質、用途、制備和使用方法以及檢測和質量控制方法。通過對該課程的學習,學生能更深入地理解材料組分、結構與材料性質的關系、外界環境和施工工藝對材料性能的影響,以及材料性能改善的途徑,為以后畢業設計、進行科研以及從事專業技術工作提供必要的基礎理論和技能訓練。
1課程現狀
1.1課程內容多、范圍廣、與工程應用密切相關
土木工程材料種類繁多。根據材料的來源,有天然材料及人造材料;根據材料的功能,有結構材料及功能材料;根據材料的成分,有無機材料、有機材料及復合材料,這就使得“土木工程材料”課程的內容十分廣泛[1]。另外,課程的理論性、概念性及經驗性的內容比較多,以文字敘述為主,而計算推理的內容相對較少。土木工程材料與工程應用緊密相連,每種土木工程材料(原材料或產品)都有相關的技術指標,有些技術指標還在不斷修改和完善。在實際工程應用中,各種材料往往構成混合材料或產品,各種材料的性能以及它們之間的相互作用對整個混合材料或產品的性能都有重要影響。另外,工程應用環境對于材料的耐久性也有重要影響。因此,土木工程材料課程既要體現各類型材料的基本特性,又要在工程應用上形成統一體系。這些因素使教和學都有一定的難度。
1.2實踐課程缺乏,經費不足
實踐教學是我國高等教育特別是高等工程教育的一個薄弱點。傳統的三大實踐教學環節(實驗、實習和畢業設計),被越來越弱化[2]。“土木工程材料”作為我校材料科學與工程專業的一門專業選修課,同樣存在實驗設備老化、實驗經費短缺、缺乏實習基地等問題。另外,該課程的理論性、概念性及經驗性的內容比較多,且以文字敘述為主,容易使學生感到枯燥。作為在校學生,平時也無法接觸工程實踐,缺乏感性認識,如果實驗配套缺乏,更加無法調動學生的學習積極性。并且單純的理論學習,會使學生學到很多的知識“碎片”,缺乏整體性的概念。例如,只有通過實踐,才能更好地理解混凝土的耐久性是與組成材料、配合比設計、養護條件、結構和構件設計緊密相關的整體論,而不是由單一因素決定的。
1.3教材內容及教學大綱滯后
近年來,科學技術的飛速發展,以“三新”(新材料、新技術、新方法)技術為標志的工程建設新時代已經到來[3]。工程應用的實際需要也促進了新材料的發展。例如普通磚的磚塊體積小,施工效率低,而且磚塊燒制需要毀田取土,破壞生態環境,同時消耗大量能源,而加氣混凝土砌塊不但體積大、施工效率高,而且使礦渣、粉煤灰等工業廢物得到再利用,減少了環境污染。因此這種傳統的燒結磚正越來越多地被加氣混凝土所替代。但教材內容的更新速度總是較新材料的發展速度慢,而教學大綱是根據教材內容而制定的。我校的教學大綱修訂年限較長,進一步導致授課內容跟不上新材料的發展速度,學生畢業后不能很好地滿足工作的需要。
2教改方法
2.1結合工程案例,加強多媒體技術
在教學過程中采用工程案例教學法代替傳統的理論講授法能獲得較好的效果。因為土木工程材料中敘述性的內容較多,如采用平鋪直敘的教學方法,很難引起學生的學習興趣[4]。工程案例教學法就是利用多媒體展示實際工程中常出現的現象,然后分析問題,解決問題,使學生從感性認識上升到理性認識。這一認知過程也符合人類對事物的認知規律,因此學生容易理解和接受。例如通過多媒體展示工地上出現的石灰墻面鼓包、開裂現象,北方地區出現的路面、橋梁用水泥或混凝土剝落現象、沿海地區大壩的鋼筋、銹蝕現象,以及近幾年出現的整棟房屋突然垮塌現象,激發學生的學習興趣,結合各種材料特點及施工技術分析出現這些現象的原因,提高分析、解決問題的能力,增強學生的責任心。另外,由于課程中教學內容較多,通過制作多媒體課件,將文字、圖片、動畫、實例演示等教學信息通過屏幕呈現給學生,提高教學的形象性和生動性。例如對于鋼材的拉伸性能,混凝土抗壓強度的測試,以及時間長、操作難的實驗等,通過播放錄像的方式,讓學生更加直觀地了解實驗過程和操作方法,增強了學生的感性認識,從而提高了教學質量。
2.2加強實踐教學
實驗教學對于學生基本原理的掌握和工程實踐的培養,具有舉足輕重的作用,是學生能力和素質提高的重要環節。然而由于實驗學時有限,而涉及的內容較多,并且有些實驗周期很長,無法在課堂內把所有實驗都完成,因此應采用多種方式進行。首先,在實驗課上完成基礎實驗,例如完成水泥細度、標準稠度用水量的測定,膠砂強度試件的制作,水泥凝結時間的檢測,水泥水化產物的分析,石膏制品的制作,瀝青的粘度測試等實驗。其次可以利用開放實驗室,以教師指導及研究生助教的形式,在課余時間完成設計性或綜合性實驗。例如各種礦物外加劑和化學外加劑對混凝土流動性、保水性、凝結時間、水化熱、水化產物、強度等性能的影響。教師可以提供題目,學生確定選題,然后分組完成。最后每組同學遞交實驗結果及分析報告。為進一步提高學生的實踐能力,采用校企聯合培養模式,學生利用假期到企業實習,積累實踐經驗,鼓勵部分有能力的學生直接參與企業的材料性能檢測實驗、新材料的開發研究或者實際工程項目,提高學生分析和解決實際工程問題的能力。
2.3關注學科發展前沿
教材是教學的依據和根本[1],但教材內容的更新速度總是較新材料的發展速度慢,因此,教師應密切關注土木工程材料研究和工程應用的最新進展以及相關技術指標的更新,引導學生及時了解學科發展動態,拓寬專業視野,培養創新意識,以適應時展的需要。在關注學科前沿和培養創新意識上,特別注意要根據我國國情和工程實際情況,研發符合我國工程特點的新材料。例如,在國內外,聚氨酯外墻保溫材料得到了廣泛應用,但聚氨酯的防火性較差。許多事故表明,火災造成的巨大傷害都是由于所用材料的防火性差,并且燃燒釋放出大量的毒氣而造成的。由于我國的特點是人口密度大,建筑物密集且高大,聚氨酯作為外墻保溫材料必然存在重大安全隱患。因此,要引導學生這些事故中吸取教訓,并且研發符合我國國情特點的新材料。另外,應縮短教學大綱的修訂年限,同時應把教學內容的主動權交到教師手中,緊跟時展步伐,固有體制會制約教學的發展和提高。
2.4改變考核方式
閉卷考試是應試教學方式中的傳統評價方法,對培養提高學生的綜合業務素質存在著一定的弊端[5]。對于考核方式,本課程采取平時成績、實驗報告與開卷考試相結合的方式。平時成績的評定主要根據課堂出勤、上課聽講、平時作業完成情況等作為依據。平時作業緊扣教學重點,例如石灰的成分與性能的關系,骨料細度模數的計算,普通混凝土配合比設計,砂漿的配合比設計等,主要考察學生對基本知識掌握情況。實驗報告反應了學生的實踐動手能力,以及分析和解決問題的能力。本課程教材包含了大量關于材料的技術指標以及混凝土和砂漿配合比設計公式。隨著新材料和技術的發展,很多技術指標也會不斷地被修訂和完善。在信息時代,電腦能夠為人類提供海量數據,并可及時查詢,因此很多內容無需特別記憶。因此,開卷考試能夠回避很多需要記憶的內容,更多地考察學生對基礎知識的應用能力,以及分析和解決問題的能力。以上三種考核方式的結合,更能全面地考察學生的綜合素質。
3總結
“土木工程材料”課程教學改革緊密聯系工程實例,激發學生的學習興趣,開拓學生視野;通過實驗和實踐認識促進對課堂理論知識的理解和掌握,并且注重培養學生的創新意識;通過改革考核方式,全面考察學生的綜合素質。
參考文獻
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關鍵詞:土木工程:結構減震;原理;控制方法
中圖分類號:S969.1 文獻標識碼:A
地震災害是人類面臨的重要自然災害之一,它的發生具有突發性、隨機性,而且會對人民的生命財產安全產生了巨大的威脅。如何減少地震對人們的危害,是我們一直探索的。建筑作為人民生活的場所,更值得我們區深入探究如何加強其抗震性。結構減震控制是通過增加某些結構部位的強度和變形能力提高建筑結構的抗震性能,是土木工程中有效的防災減災方法。
1結構減震控制原理
結構減震控制指的是在建筑結構的某個特定部位設置某種控制裝置、機構或種子結構,當結構出現振動的時候,主動或被動的施加外力來改變或調整結構的動力作用或動力特性,從而有效降低結構的振動反應,其最終目的就是通過采取一系列控制措施和方法,降低建筑結構在地震等強動力荷載下的反應,增強建筑結構的穩定性能,為建筑結構的安全性提供保障。要減小結構的地震響應,需要從動力學角度出發,第一,考慮消震,即不讓地震輸入結構,從目前現狀來看,這種方法較難實現;第二,考慮減小建筑結構的慣性力,通過動力學原理發現,如果結構有著比較大的自振周期,那么它獲得的加速度就會相應減小,可通過隔震方法減小結構慣性力;第三,通過在結構上增加阻尼的方法,將一些地震作用轉移到阻尼上,降低結構所需負擔的地震作用;第四,人為增加構件,用這些構件的塑性變形消耗一部分能量,保護結構的整體性;第五,可考慮在建筑結構上附加一個當自身頻率合適時能夠使附加質量塊的運動方向與結構運動方向相反的系統,從而減小結構震動,達到結構減震的目的。
總之結構減震控制根據是否需要外部能量輸入可分為被動控制、主動控制、半主動控制、智能控制和混合控制。其中,被動控制指在結構的某些部件附加耗能裝置或子結構系統,或對結構自身的某些構件作構造上的處理以改變結構體系的動力特性。被動控制不需要外部能量輸入提供控制力,控制過程不依賴于結構反應和外界干擾信息。而且因其具有構造簡單、造價低、易于維護及無需外部能源支持等諸多優點,所以引起工程界的廣泛關注,成為應用開發的熱點,因而許多被動技術日趨成熟,并在實際工程中應用。
耗能減震是最常用的被動控制系統之一。耗能裝置 ( 元件) 和支撐構件共同構成耗能部件,裝有耗能部件的結構稱為耗能減震結構。結構耗能減震技術是在結構物的某些部件 ( 如支撐、剪力墻、結點、聯結縫或連接件、樓層空間、相鄰建筑間、主附結構間等) 設置耗能裝置或原件,通過耗能裝置產生摩擦,彎曲彈塑性滯形來耗散或吸收地震輸入結構中的能量,減少主體結構的地震反應。
2土木工程結構減震方法
2.1被動控制
被動控制是通過減震、隔震裝置來對振動能量進行消耗,并阻止振動在建筑結構中進行傳播,構造簡單,造價成本低,維護簡便,且不需要外部能源支持,在土木工程結構減震中的應用越來越廣泛。
(1)耗能減震
耗能減震是將結構中的一些構件比如支撐、支撐等設計成耗能部件,或者在建筑結構的某些部位比如連接處、節點處設置阻尼器,耗能部件和阻尼器在荷載作用較小的情況下處于彈性狀態,在強烈的荷載作用或振動作用下,耗能部件就會進入非彈性狀態,能夠大量消耗輸入結構的能量,避免荷載或振動作用進入主體結構造成結構進入非彈性狀態,為主體結構的安全提供了可靠保障。由于耗能裝置不同,耗能減震也可分為不同的體系,一種為耗能構件減震體系,常用的耗能元件有耗能支撐、耗能剪力墻等,另一種為阻尼器耗能減震體系,常用的阻尼器有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯性阻尼器等。耗能減震具有性能穩定、適用范圍廣、抗震性好、經濟實用、可靠性高、技術條件簡單等優點,比較適用于高層建筑和超高層建筑。
(2)基礎隔震
基礎隔震是在建筑物的上部結構與基礎之間設置控制機構,比如設置隔震消能裝置,從而減小或者隔離地震能量向建筑物上部結構傳輸,使上部結構的振動減小,避免地震給建筑物帶來危害。基礎隔震裝置必須具備一定的特性才能夠滿足結構減震需要,因此,裝置必須具有較大的變形能力,必須能夠提供較大的阻尼并具有較大的耗能,必須具有足夠的初始剛度和強度。比較常見的基礎隔震裝置有剛滯變阻尼器隔震裝置、夾層橡膠墊隔震裝置、摩擦隔震裝置等。基礎隔震對降低結構的自振頻率具有非常顯著的作用,是發展最早的結構減震方法,其在技術上比較成熟,具有構造簡單、性能穩定、耐久性高、經濟、減震效果顯著的優點,比較適用于剛性結構和中低層建筑。
(3)調諧減震
調諧減震主要是通過在建筑主體結構中附加一些子結構的方法,使主體結構在強震作用下,振動發生轉移,結構中的震動能量就能在原結構與附加結構之間得到重新的分配,大大降低了震動對原結構帶來的破壞。常用的調諧減震系統有調諧質量阻尼器、模式質量阻尼器、質量泵、調諧液體阻尼器、液壓質量振動控制系統等,這些調諧減震系統能夠有效減小地震反應。
2.2主動控制
主動控制是主要是以現代控制理論為基礎,通過外部能源的有效利用以及對結構反應的實時監測,當結構受到激勵振動的時候,計算出控制力,對結構施加控制力或者改變結構的動力特性,迅速將結構的振動反應降到最小,從而使結構在受派動過程中仍然能夠保持原始狀態,避免結構出現致命性損壞。主動控制主要是由傳感器、控制器和作動器三個部分組成的,傳感器的功能是對結構遇到振動時的反應情況進行測量,控制器則是對傳感器所測量到的信息進行處理,作動器可產生控制力,其所需的能量由外部能源提供。主動控制能夠很好的應用現代控制理論和最新研究成果。在主動控制中,作動器的控制力可連續變化,所以其有著極廣的控制頻率,對外界不同激勵具有很強的適應性,能夠取得很好的控制效果。常用的主動控制系統裝置主要有主動質量阻尼器、主動支撐系統、主動拉鎖系統等。
2.3半主動控制
半主動控制是通過少量的外部能源輸入提供控制力的,能夠通過控制裝置實時改變結構的剛度或阻尼等系統的參數,此,半主動控制屬于參數控制,控制過程主要依賴于結構反應信息或外干擾信息。半主動控制裝置不能同時實現與位移和速度相關的控制力,一般只能夠實現與速度有關的控制力。常見的半主動控制系統有主動調諧參數質量阻尼系統、可變阻尼系統、可變剛度系統等,此方法具有裝置經濟、系統可靠、維護要求較低的優點,己廣泛應用于土木工程結構減震中。
2.4混合控制
混合控制是將主動控制和被動控制聯合起來應用,即將主動控制和被動控制同時應用于同一建筑結構減震中,可以將主動控制和被動控制兩種方法的優點充分發揮出來,彌補了單一控制方法的制約和不足,只需要小功率的能量輸入就能直接提供控制力,控制效果非常明顯,調諧范圍得以擴大,結構抗震系統的穩定性、實用性和安全性大大提升。
3結語
總之,結構減震控制是一項系統且復雜的技術,在土木工程中應用結構減震控制能夠有效提高建筑結構的抗震性能,減小甚至消除地震反應給建筑帶來的危害,具有廣闊的發展前景。隨著結構減震技術的發展,減震控制系統的造價也在不斷降低,土木工程減震結構建筑的經濟效益將會越來越凸顯,未來,結構減震技術和方法必將成為土木工程重要發展和應用趨勢。
參考文獻:
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關鍵詞:現澆; 空心樓板; 施工應用
一、工程概況
隨著現代建筑業的發展,大空間建筑漸漸成為了我國社會建筑發展的主要趨勢,對空間的使用要求越來越高,而空心樓板的應用卻大幅度的減少了這一現象。空心樓板為無梁樓板,使建筑物的空間凈高更大、最大限度的節約了空間的使用,也正是因為運用空心樓板,許多大型空間并不需要進行吊頂。空心樓板特別適用于地下車庫、娛樂場所等建筑物中并且在這些建筑中可以發揮較大的優勢。
二、現澆砼空心樓板的設計原理
現澆混凝土空心樓蓋主要有兩種形式一種是有梁一種是無梁的,重量比實心樓板輕,而且承載能力等同于實心樓板,既具有安全性,又具有經濟性和美觀性。其設計原理依據是:在鋼筋混凝土構件中對正截面而言,可以把受拉區混凝土除去一部分,形成T型截面構件,這樣可節約材料和減輕自重。從正截面強度來看,兩種樓板的承載能力是等同的,基于這一原理,在現澆樓板中安裝內壁管形成孔洞,沿布管方向的板的正截面變成了“工”字形截面,垂直于布管方向的板的正截面和“工”型截面的承載能力等量的實心板是相同的。
三、內壁管內膜的材料控制
埋置在現澆砼空心樓蓋中用以形成空腔且不取出的筒芯、箱體和筒體、塊體的總稱,簡稱內模。內模的長度一般不超過1.5米。對于本工程來說,特指薄壁內壁管。內壁管的質量是保證混凝土澆筑后樓板空心率大小和結構受力性能的重要因素。內壁管進場時,應按同一生產廠家、同一材料、同一生產工藝、同一規格,且連續進場不超過5000件為一個檢驗批,檢查產品合格證、出廠檢驗報告,同時監理也應對內壁管進行見證取樣,送具有相應檢測資質的檢測單位進行復檢。對每個檢驗批內模的外觀質量應全數目測,并對其外觀質量、尺寸偏差進行檢查,符合規范允許偏差要求的方能使用。
四、施工工序及工序質量控制
1.施工工序
支板底模水暖電管盒等定位綁扎板底部鋼筋混凝土底部鋼筋混凝土支設砂漿墊塊電氣布通線管道安裝樓板內壁管內壁管的固定抗浮處理綁扎板上部鋼筋混凝土檢查驗收混凝土澆筑
2.搭設腳手架和板底模安裝
搭設現澆砼空心樓板模板的支架與普通的實心樓板支架不同,板的跨度、厚度相差較大,僅憑經驗搭設會不安全或造成浪費,故監理應要求施工單位相關技術人員通過受力計算,確定立桿特定距離,并根據支撐的大橫桿特定距離計算出木方的斷面。監理工程師應對施工單位呈報的計算書進行復核,復核無誤方能按照此計算書施工。
3.通線管道盒的預留、預埋定位
因正常建筑的需求,通線管道盒的預留、預埋較多,管線之間的距離比較緊密,特別是穿樓板的上下水管道,一旦埋下就不可以再移動位置;電氣管線盒的預埋應盡量減少對樓蓋斷面的削弱,使通線管道盒盡可能在內壁管間肋處預埋,必要時可以將內壁管斷開或將內壁管鋸開好騰出管線的距離。所以,安裝通線管道盒要先在樓板底模上放線定位,然后由施工項目部技術負責人組織土建和水電工長共同復查,無誤后方可進行樓板底部鋼筋混凝土的綁扎。
4.綁扎板底部鋼筋混凝土、底部鋼筋混凝土保護層處置
現澆空心樓蓋板的底部鋼筋混凝土設計一般都是雙向鋼筋混凝土。綁扎板底部雙向鋼筋混凝土必須按內壁管安裝圖放線后進行綁扎。底部雙向鋼筋混凝土綁扎完畢后,請監理進行底部鋼筋混凝土驗收,以免內壁管安裝完畢后,底部鋼筋混凝土無法檢查,并保證每個內壁管在每兩個最底層的鋼筋混凝土之間,同一個方向中間的正上方安裝。鋼筋混凝土綁扎正確為以后內壁管的抗浮處理打下基礎。
砂漿墊塊的安裝特定距離按要求不大于1米,墊塊要堅固,保證底部鋼筋混凝土和內壁管有足夠的保護層,確保現澆空心樓蓋底部混凝土受力的結構安全。
5.電通線管道盒的敷設
電氣布通線管道盒的敷設掌握幾個原則:
(1)參考內壁管安裝圖與土建進行配合安裝,電通線管道必須橫平豎直。
(2)按照事先的放線進行布管。
(3)必須安裝在梁邊、安裝在內壁管橫向或者縱向的間隙內。
(4)嚴格禁止穿透內壁管來安裝通線管道。
(5)線盒、水暖穿板管等預留、預埋無法避開內壁管的時候應采取斷開內壁管,事后封堵的措施,或采用小尺寸內壁管避讓埋件。
6.檢查驗收
鋼筋混凝土綁扎完畢由施工方自檢合格后,報監理驗收。驗收除符合現行的《混凝土結構工程施工質量驗收規范》外,還應按照《現澆混凝土空心樓蓋結構技術規程》對內模(內壁管)、模板進行驗收。
7.混凝土施工準備和振搗質量控制
混凝土澆筑是一系列工序的最后一個環節,特別是振搗的好壞直接影響現澆樓板的受力,所以混凝土施工前后需注意以下幾點:
(1)在驗收前,應將模板內的雜物清理干凈。經項目技術部門預驗收合格后,再請監理工程師共同進行隱蔽驗收。驗收后,及時辦理好簽證手續。
(2)采用定型馬凳,搭設施工馬道,防止施工人員行走,隨便踩踏內壁管和鋼筋混凝土,同時也可作為混凝土輸送管的支架。
(3)混凝土振搗宜優先選用平板振搗器和小直徑振搗棒。澆筑宜沿著內壁管縱軸單向進行,不宜沿著垂直內壁管方向做多點圍合式澆筑。
五、結論
現澆混凝土空心樓板技術克服了傳統預制混凝土空心樓板整體性差、跨度小、樓板容易出現裂縫、下雨天漏水還有發霉等諸多不利的現象。由于整體澆筑,無縫隙,整體性受力相對其他方式比較好。除此以外,現澆整體空心板技術,施工的步驟比較簡潔,進度比較快,耗時比較小,對于“一寸光陰一寸金”的現代社會這種方法是比較實用的。隨著社會的發展,科技的進步,高層建筑、大空間大跨度結構占據了現代建筑的主流位置,以輕型材料為填充的現澆混凝土空心樓板技術將發揮越來越重要的作用。
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[關鍵詞]土遺址保護;錨桿錨固技術;灌漿材料
[中圖分類號]K878 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-3115(2012)08-0104-03
土遺址是指主要建筑材料以土為主的古遺址,它屬于不可移動文物,如長城、西夏王陵、交河故城、高昌故城、良渚遺址等。這些土遺址由于長期遭受自然與人為破壞,大部分瀕臨傾圮倒塌,嚴重影響遺址的安全。土遺址保護是世界性難題,到目前為止還沒有形成一套完整的科學體系。隨著科學技術的發展,土遺址的保護越來越受到人們的普遍重視,人們對土遺址的認識逐漸加深,研究也在逐步深入。對土遺址的保護,主要需解決兩個問題:一是表面防風化問題;二是穩定性問題。錨桿錨固技術是加固土遺址的重要方法,可以有效地提高土遺址的穩定性。
一、錨固技術簡介
錨固技術是通過埋設在巖土體中的錨桿,將結構物與巖土體緊密地連鎖在一起。依賴錨桿和巖土體的抗剪強度傳遞結構物的拉力,使其巖土體自身的不穩定部分得到加固,以保持錨固系統(巖土體、灌漿體、錨桿桿體和這些介質之間的界面)的穩定。巖土錨固是巖土工程領域的重要分支。在巖土工程中采用錨固技術,能較充分地調用和提高巖土體的自穩能力和自身強度,大大減小結構物體積,減輕結構物自重,顯著節約施工材料,并有利于施工安全,目前己成為提高巖土工程穩定性和解決復雜的巖土工程問題最有效、最經濟的方法之一。
錨固技術經過幾十年的發展,幾乎已經應用于土木建筑的各個方面。如邊坡、建筑基坑、隧洞、地下工程、壩體、碼頭、海岸、橋梁、懸索建筑的拉力基礎等加固工程。錨固技術的各道工序——定位、鉆孔、桿體制作、注漿材料及其工藝、錨桿的張拉及鎖定等都有先進、專業的設備和操作規范。根據工程對象的工程地質條件和工作狀態,可以靈活地選擇、設計、采用各類錨固技術。依據不同功能,錨桿分多種類型。按錨固方式(機理),分為粘結型錨桿、摩擦型錨桿、端頭錨固型錨桿和混合型錨桿;根據錨桿作用力形式(范圍),分為端頭錨桿和全長錨固式錨桿;按是否預先施加預應力分為預應力錨桿和非預應力錨桿;按錨固體的傳力方式,分為壓力型錨桿、拉力型錨桿和剪力型錨桿;按錨固體的形態,分為圓柱形錨桿、端部擴大型錨桿和連續型錨桿等。
錨固技術用于文物保護加固工程始于20世紀80年代初甘肅麥積山石窟的加固保護工程,繼而云岡石窟、龍門石窟、炳靈寺石窟、蓬萊丹崖山、大足石刻等大型石刻造像的保護,相繼采用錨固技術,既起到了有效的加固作用,又符合文物保護原則的要求,取得了良好的效果。
二、土木工程錨固與文物保護工程錨固的差異
(一)工程對象的規模不同
土木工程錨固的對象一般是整個邊坡或巷道或地下工程的整個工程體,規模宏大。而文物保護工程的對象一般都是石窟崖壁或土遺址墻體某區段或某區域的不穩定塊體,亦稱為危巖體,其規模小。
(二)錨固體的錨固力不同
土木工程上的錨桿體一般要求達到幾百噸、上千噸的力;而文物體的工作對象,一般只要求幾噸、幾十噸的力。
(三)錨桿體的規模不同
土木工程上的錨桿體鉆孔孔徑大,一般為100~168毫米,長度幾十米至上百米;而文物保護工程錨桿體鉆孔孔徑從幾毫米至上百毫米,長度十幾厘米、幾米至二三十米。
(四)灌漿材料不同
粘接性錨桿在土木工程和文物保護工程中常用,在土木工程中常用的粘結劑有合成樹脂、水泥漿、水泥砂漿等,要求這些灌漿材料有足夠的粘接力;而文物保護工程中的灌漿材料,尤其是土遺址保護中的灌漿材料,其粘接力不能太大,現在一般采用粘接力較小的水泥砂漿和PS系列漿液。
由于文物的特殊性,在加固時,要特別注意,防止保護帶來的新危害。
三、錨固技術在土遺址保護中的研究
土遺址保護由于土體自身強度不夠,而且加固體積也不是很大,沒有必要也不能使用大噸位的預錨技術,采用預錨技術可能會造成土遺址內部應力過大,而引起其整體破壞,只需使用全長粘接式錨桿即可,加強其整體穩定性,這樣對土遺址的擾動最小,也能起到明顯的加固效果。錨桿在土遺址保護中的應用主要有兩方面:一是用于拉接新砌土坯和土遺址,對于有可能失穩的掏蝕區,補砌土坯是最有效的保護方法,為了使土坯和土遺址協同受力,補砌后砌筑體與文物本體應用錨桿連接,連接后的墻體整體性好,有利于提高其抗裂、抗震能力;二是采用錨桿加固可能造成墻體坍塌的墻體裂縫。裂縫發育能造成墻體坍塌而嚴重毀壞遺址,因此對于墻體裂縫,特別是對可能造成墻體坍塌的裂縫,應進行加固處理。墻體裂縫加固處理,通常采用錨桿錨固與裂隙灌漿或裂縫充填灌漿相結合的方法。
(一)土遺址保護錨固材料
應用于土遺址加固的錨桿材料主要有鋼筋、木材、FRP即增強纖維和楠竹。20世紀90年代開始探索利用錨桿加固土遺址的新技術,薄壁鋼管在甘肅安西破城子遺址進行了錨固試驗,但大口徑薄壁鋼管、鋼筋一方面造價高,另一方面易銹蝕,即耐久性差,經若干年后錨固強度大幅度下降,不符合文物保護加固的原則。根據實際調查,在西北的土遺址中保存有大量的木質結構,其耐用年限已經超過2000年,仍然能發揮很好的作用,而晚期的遺址中含有的鐵質材料已嚴重腐蝕,耐久性不如木質材料,因此用木錨桿被嘗試用來進行加固工程,常選用當地易于采購的楠竹、白蠟桿。通過對夯土加固采用木質錨桿的研究試驗結果表明注漿材料與土體及木質錨桿均有較好的固結性,試驗表明,木質錨桿的單位錨固力可采用 5 千牛/米,單根錨桿的錨固力大于45千牛/米,符合土遺址保護錨桿的要求。在試驗基礎上,敦煌研究院在玉門關、西夏王陵、河倉城、交河故城隙望臺加固工程中以木質錨桿對破損墻體進行錨固,工程應用效果良好。但木質錨桿只能對小體量的墻體進行錨固,其長度不宜超過 1.5~2米。2005年,在李最雄研究員的主持下,開始楠竹加筋錨桿加固土遺址的研究,取得了較好的效果,并且在交河故城保護中得以應用。楠竹加筋復合錨桿是專門針對大體量土遺址加固設計的一種新型錨桿,南竹加筋復合土錨桿直徑大且質量小,外部用環氧樹脂包裹2~3層玻璃纖維布面,表面粗糙,摩擦力大,錨固力大,適宜松軟土體的錨固。螺紋鋼、南竹用環氧樹脂封護后,有很好的防銹蝕和防腐蝕效果,錨桿的耐久性非常好,符合古代土遺址保護加固原則。
在高昌故城的保護中,還采用了一種新型復合材料錨桿——土工長絲,桿件以土工長絲作為增強纖維,采用樹脂浸裹,而后經擠壓成型。桿件表面為擠壓肋紋,桿中纖維的含量一般為70%~80%。它具有很好的強度和耐久性,對小型土建筑遺址墻體加固而言,土工長絲錨桿是一類優良的材料,可以代替鋼筋錨桿。
不管是薄壁鋼管錨桿、楠竹錨桿還是土工長絲錨桿,目前都只是在西北干旱地區土遺址保護當中使用,對中原地區含水率較高的土遺址,以及南方潮濕地區的土遺址,目前還沒有成熟的錨固材料。近年來,復合纖維增強塑料簡稱FRP材料在巖土工程中有了長足的發展,由于其特有的性質,有可能成為今后土遺址保護錨固材料的研究方向。
復合纖維增強塑料錨桿,是由多股纖維(如玻璃纖維、碳纖維、阿拉米德纖維等)采用基底材料(聚酞氨樹脂、聚乙烯樹脂或環氧樹脂等)膠合后,經過特制的模具擠壓、拉拔成型的。根據纖維的不同,FRP可分為玻璃纖維增強塑料(Glass FRP)、碳纖維增強塑料(Cabron FRP)、阿拉米德纖維增強塑料(Armadi FRP)。FRP桿材主要采用拉擠壓成形工藝生產制作而成。FRP具有輕質、高強(重量約為普通鋼筋的1/5,強度約為普通鋼筋的6倍)、抗腐蝕、低松弛、非磁性、抗疲勞等優點。
雖然碳纖維增強塑料錨桿的性能在三種纖維增強塑料筋中最適合土遺址保護用錨固材料,但其造價較高,且碳纖維錨桿的研究和制作工藝目前尚不成熟。而玻璃鋼錨桿不管是其研究還是制作工藝,都比較成熟,且其造價較低,滿足土遺址保護上大量使用的需求。
(二)土遺址保護灌漿材料
灌漿材料強度對錨桿錨固力影響很大,灌漿體強度越大,錨固力就越大,應力擴散得越慢。古遺址加固采用的灌漿體有環保、盡量保持遺址原貌的要求,所以灌漿體的選用受到限制,常用的傳統材料如水泥混凝土材料無法選用。目前土遺址保護工程中所用的灌漿材料主要有水泥砂漿和PS系列材料。用碳纖維楠竹錨桿加固高昌故城城墻遺址過程中,采用高強度改性泥漿(土:水泥:粉煤灰70:20:10、5%的膨脹劑,漿體的水灰比為31%);與土工長絲錨桿配合使用的灌漿材料配比為(采用粉質粘土、粉煤灰、水泥)85:10:5配制,采用5%有機硅改性丙烯酸樹脂乳液按水灰比0.38~0.45配成泥漿。必要時粉煤灰比例可以適當增大,以增強其流動性。考慮到文物的特性,水泥砂漿類灌漿材料可在土遺址載體上使用,但不能應用于土遺址本體,以免帶來保護性的破壞。而PS系列灌漿材料在遺址本體和載體上都可使用,PS系列灌漿材料包括PS-C、PS-F、PS-(F+C)三種,PS是高模數的硅酸鉀溶液,C是當地的粉土,F代表粉煤灰。目前的PS灌漿材料一般使用模數為3.9,濃度為24%,分別選用粉煤灰和當地粉土。粉煤灰和當地粉土各半配制漿液,水灰比控制在 0.55~0.65。
四、錨桿破壞形式研究
(一)錨桿的抗拉承載力不足
1.錨桿被拉斷
錨桿錨固段處在硬質巖當中時,灌漿體和巖體的粘結強度以及錨桿和灌漿體之間粘結強度足夠,且錨固段長度足夠,主要由錨桿的屈服強度來決定可以提供錨固力的大小。當錨桿所承受拉力超過鋼筋屈服強度時,錨桿就會被拉斷。
2.錨桿與錨漿體的結合面粘結破壞
錨桿錨固段處在硬質巖當中時,灌漿體和巖體的粘結強度可能比錨桿和灌漿體的粘結強度還要高,當錨桿和灌漿體的粘結強度不足以抵抗外荷載時,錨桿和灌漿體的結合面就會發生粘結破壞,導致錨桿被拔出。
3.灌漿體和巖土體的結合面粘結破壞
錨桿錨固段處在軟質巖或者土層中時,灌漿體和土體的粘結強度可能比錨桿和灌漿體的粘結強度要低得多,這使灌漿體和巖土體的粘結強度所能發揮的摩阻力比錨桿和光漿體的粘結強度所能發揮的摩阻力要低,導致破壞首先發生在灌漿體和巖土體的結合面,錨桿被拔出。
4.灌漿體的破壞
當施加于錨桿上的荷載向灌漿體傳遞時,灌漿體就會膨脹受壓,進一步通過灌漿體將荷載傳遞到土體上。荷載越大,灌漿體所受到的壓力越大,當壓力超過灌漿體的抗壓強度時,灌漿體就會被壓碎破壞,導致錨桿錨固失效。
(二)土體內部破壞
1.錨固段底端有膨脹體的錨桿內部土體的剪切或受壓破壞
當錨桿的錨固段底端有膨脹體且錨固段長度較短受荷相對較大時,膨脹體所受壓力較大,該處灌漿體和巖土體界面的剪應力以及膨脹體對周圍巖土體的亞應力都較大,和值增大到一定程度時,就有可能導致內部巖土體產生受剪破壞或受壓破壞,造成錨桿整體失效。如果錨桿錨固段長度足夠,一般不會出現此種破壞形式。
2.群錨效應引起的土體破壞
當錨桿布置較密時,巖土體受力區的重疊必然會引起應力和錨桿位移的疊加,就可能造成巖土體的破壞。遺址墻體錨桿加固破壞形式與傳統意義上錨桿破壞不完全相同。遺址墻體加固采用的土工錨桿是土工聚合物的一種,截面較小,內部有抗拉能力很高的纖維。外部增加纖維保護材料,同時為了增大錨桿與灌漿體之間的粘結能力,錨桿外部加工有斜向抗滑肋。導致錨桿和灌漿體之間的粘結力在光面錨桿情況下不易得到保證。抗滑肋的增加大大的提高了灌漿體和錨桿之間的粘結能力,使環保和保持遺址原貌的灌漿材料選用成為可能。錨桿加固主要用于分層、開裂墻體之間的連接來提高墻體整體的穩定性。
根據這一原則可判斷錨桿是否破壞。土遺址加固錨桿破壞可能有如下幾種形式:錨桿與錨漿體的結合面粘結破壞;錨桿外層保護和內部纖維粘結破壞;灌漿體和土體的結合面粘結破壞;群錨效應引起的土體破壞。
五、當前研究存在的問題
錨固技術在土遺址加固保護中得到廣泛應用,取得了不少成果。但由于文物本身破壞的不同和工程技術條件復雜多變,而錨桿又深埋在土體中,給錨桿力學行為及錨固機理的研究帶來了很大困難。而且目前各種新型錨桿應用在土遺址保護中沒有現成的規范可循,亟需要有一套詳盡的錨桿研究資料來指導加固設計及施工。總之,目前存在的問題表現在如下幾個方面:
第一,目前對錨固力的試驗研究中,考慮的因素太少。資料顯示,錨固力的大小與錨桿長度、鉆孔直徑、錨桿直徑、灌漿體強度、桿體表面狀態和傾斜角度都有關系,在以往土遺址的錨桿試驗中,僅有錨固長度和灌漿體強度對錨固力的影響研究,沒有考慮其他因素。
第二,缺少影響錨固體應力分布因素的系統研究。土遺址錨桿的試驗大多集中在對錨桿錨固力的研究上,很少有人關注在土遺址中錨桿應力的分布情況,這對錨固理論在土遺址抱桿中的應用研究造成了很大的障礙。
第三,缺少針對土遺址錨固系統具體的設計施工方法。目前土遺址所采用的錨桿研究主要是單根錨桿的研究,錨固技術僅作為一種構造措施,未對其提出一種具體的計算設計方法。
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