DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 1. 引言 诺贝尔奖得主费曼于1959年美国物理学会年会上提出了纳米科技的概念，揭开人类进军纳米科技的序幕。分子机器属于纳米科技范畴，它由分子构件组成，具有小尺寸、多样性、自适应，以及仅依靠热能、光照或者化学能驱动等其他人造机器难以比拟的优点，因而在许多领域中具有广阔的应用前景。由于在分子机器研究方面作出了杰出贡献 [ 1 ] - [ 6 ] ，索维奇、斯图达特和费林加共同获得2016年的诺贝尔奖。 分子机器常用热能进行驱动，期间将伴随着热传导。只有通过高效的热传导，才能使热量到达指定位置及部件而进行高效的热驱动。也只有通过高效的热传导，才能避免分子机器工作期间因聚集过多的热量，而使部件乃至整个分子机器因过热而失效。因此研究分子机器构件的热传导性质，显得十分重要的。由于尺寸过于微小，目前对分子机器构件的热传导性质进行实验研究还存在较大困难，只能在理论研究方面进行探索，然而遗憾的是，迄今为止也没有他人开展过这方面工作。由于晶格动力学考虑了晶格振动的量子效应，能得到比较准确的结果，并且基于该理论能推导得到热传导系数的解析公式，便于分析热传导性质的物理机制，因此我们曾用晶格动力学研究过分子机器中环状分子这种常用构件的热传导性质 [ 7 ] ，并得到了一些有意义的结果。作为分子机器中另一种最常用构件的链状分子，其结构与环状分子有很大的差异，由于在其两端处声波发生反射，致使它的热传导性质与环状分子肯定不会相同，因此有必要对链状分子的热传导性质单独进行理论研究。在本文中我们将用晶格动力学研究分子机器中链状分子的热传导性质，分析其物理机制，并将链状分子与环状分子的热传导性质进行比较。
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user: 2. 链状分子的晶格动力学与热传导理论 分子机器中链状分子构件的热学性质取决于其原子振动。在文献 [ 8 ] 中我们已经根据晶格动力学理论，得到和谐近似下链状分子中原子l的振动位移、动量公式和频率公式。设n个原子质量为m的相同原子构成链状分子，a为原子间距离，β为原子间线性力常数，和谐近似下链状分子中原子l的振动位移和动量可表示为： u l = ∑ j = 1 N − 1 ℏ N m ω j A j cos ( l − 1 2 ) j π N (1) p l = − i ∑ j = 1 N − 1 ℏ m ω j N B j cos ( l − 1 2 ) j π N (2) 其中， ℏ 为普朗克常数， A j 代表 a j + a j + ， B j 代表 a j − a j + ， a j 和 a j + 为声子产生与消灭算符，链状分子振动频率 ω j 可由下式计算： ω j = 2 β m sin j π 2 N (3) 由(1)式和(2)式可知，链状分子以驻波形式振动，波矢大小 k j 为 j π / N a ，其中， j = 1 ， 2 ， ⋯ ， N − 1 。 j = 0 对应于链状分子整体平动，此处不作考虑。 链状分子中原子的波动会引起能量传播，能量通量可由下式计算 [ 9 ] ： S = a β 2 m ∑ l = 1 N ( u l − u l − 1 ) ( p l + p l − 1 ) (4) 将(1)式和(2)式代入(4)式，通过计算得到链状分子振动的能量通量公式： S = ∑ j = 1 N − 1 ∑ j ′ = 1 N − 1 A j B j ′ η ( j ， j ′ ) (5) 其中， 1 ≤ j ， j ′ ≤ N − 1 ，且 j + j ′ 取奇数。 η ( j ， j ′ ) = i 2 ℏ V j V j ′ ω j ω j ′ N a ω j ′ ω j ′ 2 − ω j 2 (6) 其中， V j 为波矢 k j 对应的群速度，可由下式计算： V j = a β m cos π j 2 N (7) 将能量通量代入Green-Kubo公式 [ 9 ] ，即可计算系统的热传导系数λ。将时间积分区间扩展至 ( ∞ ， + ∞ ) ，Green-Kubo公式可表示为： λ = 1 2 N a k B T 2 ∫ − ∞ + ∞ d t 〈 S ( 0 ) S ( t ) 〉 (8) 其中，T为温度， k B 为玻尔兹曼常数， 〈 ⋯ 〉 为平均值。 将(5)式代入(8)式，并根据时间关联函数的解耦公式 [ 10 ] ： 〈 a b c d 〉 = 〈 a b 〉 〈 c d 〉 + 〈 a c 〉 〈 b d 〉 + 〈 a d 〉 〈 b c 〉 (9) 得： λ = − 1 4 N a k B T 2 ∑ j = 1 N − 1 ∑ j ' = 1 N − 1 ∫ − ∞ + ∞ d t { [ η ( j ， j ′ ) + η ( j ′ ， j ) ] 2 [ 〈 a j ( 0 ) a j + ( t ) 〉 〈 a j ′ ( 0 ) a j ′ + ( t ) 〉 + 〈 a j + ( 0 ) a j ( t ) 〉 〈 a j ′ + ( 0 ) a j ′ ( t ) 〉 ]         + [ η ( j ， j ′ ) − η ( j ′ ， j ) ] 2 [ 〈 a j ( 0 ) a j + ( t ) 〉 〈 a j ′ + ( 0 ) a j ′ ( t ) 〉 + 〈 a j + ( 0 ) a j ( t ) 〉 〈 a j ′ ( 0 ) a j ′ + ( t ) 〉 ] } (10) 根据文献 [ 10 ] ，上式中的声子产生算符与消灭算符之间的时间关联函数可由以下公式计算： 〈 a j ( 0 ) a j + ( t ) 〉 = ( n ¯ j + 1 ) e i ω j t − Γ j | t | (11) 〈 a j + ( 0 ) a j ( t ) 〉 = n ¯ j e − i ω j t − Γ j | t | (12) 其中， Γ j 为声子谱线宽度， n ¯ j 是平均声子数，其符合玻色统计： n ¯ j = 1 e ℏ ω j / k B T − 1 (13) 将(11)式和(12)式代入(10)式，并进行积分，得链状分子热传导系数计算公式： λ = 4 ℏ 2 k B T 2 N 3 a 3 ∑ j = 1 N − 1 ∑ j ' = 1 N − 1 ∑ ± [ ( n ¯ j + 1 2 ) ( n ¯ j ′ + 1 2 ) ± 1 4 ] ω j ω j ′ V j 2 V j ′ 2 ( ω j ± ω j ′ ) 2 ( Γ j + Γ j ′ ) ( ω j ± ω j ′ ) 2 + ( Γ j + Γ j ′ ) 2 (14) 上式中， j ± j ′ 取奇数。只对 j ′ 求和，即得声子j对热传导系数的贡献 Δ λ j 。由上面公式可知，链状和环状分子的能量通量及热传导系数公式完全不同 [ 7 ] ，因此有必要对其热传导性质单独展开研究。由(14)式可知，如果想通过该式计算链状分子的热传导系数，我们还必须计算各个声子的谱线宽度 Γ j 。
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user: 3. 链状分子的声子格林函数与声子谱线宽度 实际链状分子中原子间存在三阶非和谐相互作用势能，这将导致声子间发生相互碰撞，而使声子具有有限的寿命。实际链状分子振动哈密顿可表示为和谐项和三次非和谐项之和，根据计算得： H = ∑ j ( a j + a j + 1 2 ) ℏ ω j + ∑ j 1 j 2 j V 3 ( j 1 ， j 2 ， j ) A j 1 A j 2 A j (15) 其中， | V 3 ( j 1 ， j 2 ， j ) | 2 = 4 γ 2 ℏ 3 m 2 ( ω j 1 ω j 2 ω j ) 3 ( V j V j 1 V j 2 ) 2 9 N 3 β 5 a 6 ( ω j + j 1 + j 2 ω j + j 1 − j 2 ω j − j 1 + j 2 ω j − j 1 − j 2 ) 2 (16) 上式中，γ为三阶非和谐力常数。 j 1 + j 2 + j 为奇数时 V 3 ( j 1 ， j 2 ， j ) 取非零值。 定义时域声子Green函数 [ 7 ] [ 10 ] ： G j ， j ( t ; t ′ ) = − i Θ ( t − t ′ ) 〈 [ a j + ( t ) ， a j ( t ′ ) ] 〉 (17) 采用与文献(7)相同的方法，得频域声子Green函数： G j ， j ( ω ) = 1 2 π [ ω − ω j − M j ( ω ) ] (18) 其中， M j ( ω ) = 36 ℏ 2 ∑ j 1 = 1 N − 1 ∑ j 2 = 1 N − 1 ∑ ± | V 3 ( j 1 ， j 2 ， j ) | 2 [ ( n ¯ j 2 + 1 2 ) ± ( n ¯ j 1 + 1 2 ) ] ω j 1 ± ω j 2 [ ω + i ( Γ j 1 + Γ j 2 ) ] 2 − ( ω j 2 ± ω j 1 ) 2 (19) 将 M j ( ω ) 中ω取值 ω j ，并分解为实部 Δ j 和虚部 − i Γ j 之和。由于格林函数的极点实部代表声子频谱，而极点虚部代表声子谱线宽度，故得以下声子谱线宽度公式： Γ j = 72 ℏ 2 ∑ j 1 = 1 N − 1 ∑ j 2 = 1 N − 1 ∑ ± | V 3 ( j 1 ， j 2 ， j ) | 2 [ ( n j 2 + 1 2 ) ± ( n j 1 + 1 2 ) ] ω j ( Γ j 1 + Γ j 2 ) ( ω j 1 ± ω j 2 ) [ ω j 2 − ( ω j 2 ± ω j 1 ) 2 ] 2 + 4 ω j 2 ( Γ j 1 + Γ j 2 ) 2 (20) 在上式中，设置各个声子谱线宽度的迭代初值，经过有限次迭代收敛后，即可得各个声子的谱线宽度。 当 Γ k 1 + Γ k 2 取值为 0 + 时，(20)式转化为： Γ k = 18 π ℏ 2 ∑ j 1 = 1 N − 1 ∑ j 2 = 1 N − 1 ∑ ± | V 3 ( j 1 ， j 2 ， j ) | 2 [ ( n ¯ j 2 + 1 2 ) ± ( n ¯ j 1 + 1 2 ) ] { δ [ ω j − ( ω j 1 ± ω j 2 ) ] − δ [ ω j + ( ω j 1 ± ω j 2 ) ] } (21) 上式与Maradudine等人得到的大块晶体声子谱线宽度公式形式上是一致的 [ 11 ] ，这也说明推导(20)式的过程是正确的。在使用(21)式进行数值计算时，由于狄拉克 δ ( x ) 不好直接处理，Maradudine等人在使用(21)式时，用 η / π ( x 2 + η 2 ) 替代 δ ( x ) 进行数值计算 [ 11 ] ，其中η的合理选择对于计算结果非常重要：如果η选择太小，则没有足够的声子模式之间进行碰撞，如果η选择过大，则让一些本来无法碰撞的声子能够进行碰撞，从而都得出不正确的结果。对于该参数的选取，Turney等人 [ 12 ] 和鲍华 [ 13 ] 从经验出发，建议选择 η = Γ j + Γ j 1 + Γ j 2 ，据此得以下声子谱线宽度公式： Γ j = 72 ℏ 2 ∑ j 1 = 1 N − 1 ∑ j 2 = 1 N − 1 ∑ ± | V 3 ( j 1 ， j 2 ， j ) | 2 [ ( n j 2 + 1 2 ) ± ( n j 1 + 1 2 ) ] ω j ( Γ j + Γ j 1 + Γ j 2 ) ( ω j 1 ± ω j 2 ) [ ω j 2 − ( ω j 2 ± ω j 1 ) 2 ] 2 + 4 ω j 2 ( Γ j + Γ j 1 + Γ j 2 ) 2 (22) 比较(22)式和(20)式可知，根据Turney等人从经验出发给出的η系数 Γ j + Γ j 1 + Γ j 2 得到的声子谱线宽度公式与我们给出的声子谱线宽度公式不同，在我们的公式中，相当于η系数取了 Γ j 1 + Γ j 2 。由于我们给出的公式是经过严格推导得到的，故而更为准确。由此可见，我们的声子谱线计算结果要比由Maradudine等人和Turney等人的方法得到的声子谱线计算结果更为准确。
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user: 4. 数值计算结果与分析 虽然氩原子构成的链状构件在分子机器中没有具体应用，但由于氩原子间的相互作用能用L-J模型准确描述 [ 14 ] ，因此在本文中通过对它进行计算来了解链状分子的热膨胀性质的尺寸效应。要计算热传导系数，首先得计算声子谱线宽度。设温度60 K，并设各个声子谱线宽度的初值，运用(20)式，经过有限次迭代快速收敛后，即可得各个声子的谱线宽度。计算得到的不同长度的链状分子的声子谱线宽度 Γ j 与波矢 k j 关系曲线如图1所示，其中 k j 等于 π j / N a 。由图可知，当链状分子较短时，随链状分子的长度增加， Γ j ∼ k j 关系曲线上移；当链状分子较长时，如N达到40时，再增加链状分子的长度， Γ j ∼ k j 关系曲线基本保持不变。将声子谱线宽度代入(14)式进行数值计算，即可得链状分子的热传导系数。 在温度为60 K时，根据(14)式及声子谱线宽度数据计算得到的不同长度的链状分子的热传导系数λ如图2所示。为了便于比较，图中还出示了相同条件下的环状分子的热传导系数结果 [ 7 ] 。由图2可知，链状分子热传导系数随其长度变化规律类似于环状分子，即其热传导系数随其长度增加而增加。由于两端处存在声波的反射，相同长度的链状分子和环状分子的热传导系数相比要小很多，当两者长度增加时热传导与长度的关系曲线并不趋于重合，反而差距越大。 为了揭示长度趋于无穷时，在温度为60 K下热传导系数λ随长度n的变化规律，在图3中给出了 λ / N 0.41 ~ N 的关系曲线，当N趋于无穷时该曲线趋于的渐进值ρ为 5.69 × 10 − 21 J ⋅ ms − 1 ⋅ K − 1 。由此可见，当链状分子长度n趋于无穷时，其热传导系数λ按 ρ N 0.41 的规律趋于无穷，即热传导系数不会收敛。类似于当长度趋于无穷时链状分子的热传导系数趋于无穷的现象，在其它的一些一维系统中也存在 [ 15 ] [ 16 ] 。 为了分析原子链的热传导的物理机制，我们还计算了不同长度的原子链的中各种波矢 k j 的声子对热传导的贡献 Δ λ j ，如图4所示。由图4知，当链状分子中原子个数增加时， Δ λ j ∼ k j a 的关系曲线变窄，重心向短波矢方向移动，说明长链状分子中短波矢的声子对热传导系数贡献变大，而长波矢声子对热传导系数贡献变小，从而长链状分子的热传导系数主要来自于短波矢声子贡献。 图1. 声子谱线宽度与波矢之间的关系 图2. 热传导系数与链状分子长度的关系 图3. 热传导系数与链状分子长度的关系(纵坐标： λ / N 0.41 ) 图4. 声子对热传导系数贡献与波矢之间关系
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user: 5. 结论 本文运用晶格动力学理论和格林–久保公式，推导出链状分子的热传导系数公式，在此基础上进行了数值计算，最终根据数值计算结果总结链状分子的热传导系数随其长度变化的规律。研究结果表明，链状分子热传导系数随其长度的变化规律类似于环状分子，即其热传导系数随其长度增加而增加，当长度趋于无穷时，热传导系数也趋于无穷。但相同长度的链状分子和环状分子的热传导系数相比要小很多，当两者长度趋于无限时热传导与长度的关系曲线并不趋于重合，反而差距越大。长链状分子热传导系数主要来自于短波矢声子的贡献。
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user: 摘 要 设计改良了一套基于迈克尔逊干涉仪和可见光源的全场光学相干层析成像(全场OCT)系统，以获得高质量的全场OCT图像。不同于大多数全场OCT所使用的光源，本系统以改进的卤钨白炽灯为红外光源，理论上不仅提高了全场OCT系统的分辨率和成像深度，并且对拍摄的生物组织样品做到了无损成像。为实现对活体细胞的高分辨率光学相干层析成像提供了切实可行的方法。 关键词 :红外光源，全场光学相干层析，生物组织 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 光学相干层析(optical coherence tomography， OCT)成像技术的核心实际上是一个迈克尔逊干涉仪 [ 1 ] ，其利用宽带光源的低相干性，通过测量从生物组织或材料内部不同深度的后向散射光和参考光的干涉光强来得到样品内部微观结构的层析图像。OCT是基于光学方法制作出的生物传感器，具有非接触、无损伤，高分辨率，成本低，快速成像和实时监测等优点。OCT技术有着广泛的应用，目前已应用于眼科，皮肤科，心血管，消化道，呼吸系统，口腔和牙齿组织，以及活体细胞的观察 [ 2 ] - [ 8 ] 。 全场光学相干层析成像(FF-OCT)系统是OCT技术的一个分支。对于全场OCT系统而言，光源的选择非常重要，光源的中心波长越长，OCT系统的纵向分辨率就越高，成像深度也越深。我们设计的红外光源的中心波长为1000 nm，高于目前广泛运用的各种光源，可以提高系统的纵向分辨率和成像深度。另外，一般光源照射生物样品，尤其是波长500纳米以下的蓝紫光，对生物样品有很大的杀伤性，能够损伤DNA结构。而在600~1300纳米之间的近红外光谱范围内，生物组织具备良好的透光性，对光的吸收小，且近红外技术能够实现真正意义上的无损检测。所以，本文设计的近红外光源，理论上可以实现对生物组织的无损成像，这就消除了在活体探测过程中对生物样品的光损伤，适于对活体组织或细胞长时间的观察。
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user: 2. 全场OCT装置 如图1所示，在两条臂中加入了两个相同的显微物镜。这种干涉仪又叫做Linnik干涉显微系统。通过本文设计的红外光源发出的光穿过透镜1后经分束镜被分为两束，分别射向参考臂和样品臂，随后投射在两个相同型号的显微物镜的后焦面上。从两臂反射回的光发生干涉，干涉信号由探测器接收。参考臂由压电陶瓷(piezoelectric ceramics， PZT)调制，通过控制PZT的电压来控制位移量的变化，使参考臂进行移动。需要观察的生物组织样品则在活细胞培养系统中放置。样品臂由步进电机做纵向扫描，则可获得样品三维信息。
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user: 3. 系统组成 3.1. 光源 本文选用卤钨白炽灯作为热辐射红外光源。首先卤钨白炽灯作为热光源，具有低时间相干性和低空间相干性，这样既保证了高分辨率，又在很大程度上抑制并行探测中出现的空间串扰(cross-talk)，从而降低了图像的散斑噪声。而且相比于其他OCT系统中所使用的光源，如超辐射发光二极管(the superluminesent diode， SLD)、超快激光器等，其价格十分便宜，能够降低OCT系统的成本。本文设计的红外光源 图1. 全场OCT装置示意图 由卤钨白炽灯、聚光反射镜、滤光片组成。发光面处于聚光镜的焦点上，光束成平行光。如图2所示。 OCT图像的纵向分辨率主要与光源的中心波长和带宽有关。 Δ z = 2 ln 2 π λ 0 2 Δ λ 其中， λ 0 是光源的中心波长， Δ λ 是光源的带宽。 图3为卤素灯与本文设计的红外光源光谱对比图。红外光源其中心波长为1000 nm，带宽为150 nm。 理论纵向分辨率为： Δ z = 2 ln 2 π λ 0 2 Δ λ = 2.9 μm 。而如全场OCT系统中一般用到的中心波长为600~700 nm，带宽150~300 nm的光源，纵向分辨率为0.7~1 μm [ 9 ] 。由此可见，本文设计的光源大大提高了纵向分辨率。 3.2. 透镜 一般的OCT系统使用的都是可见光，所以该系统的透镜也都是针对可见光的，这明显不符合本文红外光源的需求。所以本文设计使用了菲涅尔透镜作为传统透镜的替代品。菲涅尔透镜简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹，通过这些齿纹可以达到对制定光谱范围的光带通(反射或折射)的作用。与传统透镜相比，菲涅尔透镜具有重量轻，材料来源丰富、成本低、制作方便、厚度薄等特点 [ 10 ] 。 3.3. 分束镜 中心波段为可见光波段的分束镜亦不能满足本套系统的要求，我们设计使用红外分束镜来将从光源处接收到的红外光分为两束，分别进入参考臂和样品臂。 3.4. 探测器 由于在红外波段对生物样品进行成像，二维探测器也需从以Si为基底的CCD转换为探测红外波段的以InGaAs为基底的CCD，与此同时，系统的成像深度也得到了提高 [ 11 ] 。 本文设计的全场OCT系统相关光学参数见表1。 图2. 由卤钨白炽灯组成的红外光源结构图 图3. 卤素灯与本文设计的红外光源光谱对比图 Table 1 Optical parameters of our designed full-field OC 中心波长 带宽 理论纵向分辨率 1000nm 150nm 2.9μm 表1. 本文设计的全场OCT系统相关光学参数
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user: 4. 结论 本文主要针对全场OCT系统装置的光源进行了改良研究，设计了以卤钨白炽灯作为红外光源的全场OCT成像系统。理论上提高了该系统成像的分辨率和探测深度，并且做到了对生物样品的无损成像，为主要应用于生物组织活体成像的全场OCT系统的改进提供了切实可行的方法。
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user: 摘 要 随着城市化以及农村发展转型，耕地撂荒在全球范围内呈现出加速扩散和蔓延的态势。近年来，我国耕地撂荒也频见报道，尤其是在山区。但是，我国目前的耕地撂荒数据多以小区域的调查数据为主，难以提供撂荒耕地的详细空间信息，不利于全面了解撂荒耕地的规模以及空间分布特征。因此，本文选取了具有典型山地特征的重庆市武隆区作为研究区，以2005年和2011年土地利用图作为基础，通过耕地的转移变化提取了武隆区耕地撂荒空间分布现状。结果表明，2005年，武隆区耕地总面积为819.02 km 2 ；2005~2011年间，区内耕地撂荒面积为101.86 km 2 ，撂荒率为12.44%。其中，水田撂荒面积15.96 km 2 ，旱地撂荒面积85.9 km 2 ，耕地的撂荒主要以旱地为主。在撂荒耕地的影响因素方面，高程、坡度和劳动力因素对耕地撂荒的影响较为明显。 关键词 :耕地撂荒，空间分布，驱动力，武隆区 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 我国国土面积虽然较大，但耕地资源相对紧张，特别是人均耕地面积不到世界平均水平的一半 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。在过去数十年里，由于建设占用以及生态退耕等因素的影响，耕地面积多处于减少态势，并多次逼近保护红线 [ 4 ] 。随着我国农村人口的迁移以及老幼化问题，耕地撂荒成为了近年来减少耕地的一个新的重要因素，甚至可能在一定程度上影响我国的粮食生产。因此，厘清撂荒耕地数量特征以及空间分布，对于制定有针对性的抑制耕地撂荒措施以及保障我国的粮食安全有重要意义。 耕地撂荒研究最早见诸于上个世纪初期的欧洲。近年来，耕地撂荒在全球一直呈现出蔓延和扩散的态势 [ 5 ] [ 6 ] 。耕地撂荒的本质被认为是耕地边际化的一种极端表现。耕地边际化是耕地利用的净收入从多到少的过程 [ 7 ] [ 8 ] ，它是由自然、社会、经济、政治等多种因素综合作用下的产物，也是耕地撂荒的根本原因和重要理论基础 [ 9 ] 。 国外的耕地撂荒研究多集中在耕地撂荒的机理以及预测方面。例如，Macdonald D等研究了欧洲山区耕地撂荒对周边环境的恶劣影响以及对相关政策作用的反馈，对政策影响做了大量分析 [ 10 ] ；Strijker D等分析了欧盟一体化后政策刺激与农耕收益减少影响下，西欧的大面积耕地撂荒问题，着眼点主要集中在经济与政策措施的影响上 [ 11 ] ；Price等则以Clue模型和CAPRI模拟了不同情景下的瑞士耕地撂荒可能性和空间分布，但受政策等不确定因素影响，实验精度有待提高 [ 12 ] 。在我国，耕地撂荒研究开展的相对较晚，主要集中的撂荒耕地的识别以及影响因素分析方面。例如，马玲玲等以遥感和农户调查结合的方法，提取和分析了内蒙古和林格尔县耕地撂荒的时空变化特征和影响因素，揭示了1996年至2009年间区内撂荒趋势，以及各类社会、经济、政策和自然等要素对耕地撂荒的影响 [ 13 ] ；张英等通过农户调查，利用二分类Logistics回归模型分析了重庆武隆17个乡镇的农业劳动力对农地撂荒和农地流转的影响发现了耕地流转对撂荒的缓解作用 [ 2 ] ；史铁丑等结合土地利用数据和Google Earth影像数据，分析了重庆石柱、巫山和酉阳的耕地撂荒情况 [ 14 ] 。总体而言，我国关于撂荒耕地分布的研究主要以农户调查为主，辅以遥感目视解译提取。相对来说，农户调查的方式仅能获得部分撂荒耕地的数量信息，很难揭示撂荒耕地的空间分布与总体规模；而遥感目视解译提取撂荒地的研究，由于工作量较大，很难在大区域推广。 鉴于此，我们发展了一种通过土地利用转移分析来识别撂荒耕地的方法；通过耕地转移的去向分析，可以迅速识别撂荒耕地的规模与空间分布。由于我国在全国范围内已经积累了多期土地利用图件，该方法将适宜在较大范围内推广。通过撂荒耕地分布特征的分析，将可以为了解耕地撂荒现状、制定抑制耕地撂荒的政策提供基础数据支撑。
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user: 2. 研究区介绍 武隆区位于重庆东南部(图1)，地处武陵山与大娄山交汇处，世界上最大的喀斯特高原——中国南方卡斯特高原丘陵地区，属于川东平等褶皱地区，被国内外誉为“世界喀斯特生态博物馆”。武隆区经纬度为北纬29˚02'~29˚40'之间，东经107˚13'~108˚05'，东临彭水，西接南川、涪陵，南连贵州道真县，北靠丰都，幅员面积约2901.3 km 2 ，下辖13个镇，9个乡，至2011年底，常住人口34.85万。区内自然资源丰富，林地面积占比达73.5%，平均森林覆盖率为59.3%，是渝东南生态保护发展区最重要区县之一。 图1. 重庆市武隆区地理位置
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user: 3. 数据与方法 本研究所用数据为“地球系统科学数据共享网”处获得的2005年武隆区1:25万土地利用覆盖数据；2011年第二次土地利用调查数据中的1:1万武隆区土地利用数据；地理空间数据云网站分辨率30米的研究区DEM数字高程模型图；以及来自《中国建制镇统计年鉴》的统计数据。 研究表明 [ 1 ] ，撂荒地生物多样性变化不明显，其土地利用类型主要去向包括裸地，草地，灌木林地等。因此，根据耕地撂荒定义，在社会、经济、自然等因素综合作用下，因停止耕种或减少耕耘而处于一种荒芜或未充分利用状态的耕地为撂荒地 [ 13 ] 。同时参考过往研究与样区基本情况，判定耕地转换为灌木林地，裸地，人工牧草地，天然牧草地等四种地类的为撂荒耕地斑块。并通过将2011年以上土地利用类型斑块与2005年水田和旱地斑块分别叠加分析，分别提取出2005~2011年间武隆区水田和旱地转化为以上四类地形的斑块，作为耕地撂荒信息图层。数字高程模型(DEM)图则用于提取研究区高程与坡度图层。
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user: 4. 结果与讨论 4.1. 耕地撂荒状况 参照式(1)计算2005~2011年间耕地撂荒数据。2005年，武隆区耕地面积为819.02 km 2 (表1)；2005~2011年，武隆区撂荒耕地面积为101.86 km 2 ，总耕地撂荒率为12.44%；其中，水田撂荒面积为15.96 km 2 ，旱地撂荒面积为85.9 km 2 ，占总撂荒耕地面积的84.34%。 P = ( S 1 + S 2 ) × 100 % S p + S d (1) 式中，P为撂荒率；S 1 为水田撂荒面积；S 2 为旱地撂荒面积；S p 为水田耕种面积；S d 为旱地耕种面积。 空间上，武隆区耕地撂荒相对集中分布在南部及东南部，尤其高程较高、坡度较陡的地方(图2)。这些区域耕作条件相对较差，间接造成了种田成本的上升，收益的降低极大地影响了农民耕作的积极性，从而导致了条件相对劣质的耕地出现边际化和撂荒的现象。 4.2. 自然地理条件 4.2.1. 高程 为探讨高程对武隆区耕地撂荒的影响，将高程数据以200 m为间隔，进行分段研究。结果表明(图3)，高程因素对水田和旱地撂荒影响显著，撂荒率随高程增加而呈现明显上升态势；特别是在1300~1500 m处，撂荒率涨幅最快。在1500 m及以上处，水田所受高程增高影响较旱地更多，撂荒率达50%以上；在1700 m左右，水田的撂荒率达到了61.84%；旱地撂荒率则仅在40%~50%之间。造成这个现象的主要原因可能是，在高程达到一定高度之后，水田的灌溉与耕作难度大大提高。 从不同的地形区间来看(图4)，耕地撂荒现象主要集中在800 m以上的中山区，撂荒耕地占总撂荒面积的71.28%；600~800 m的低山区撂荒率最低，仅6.88%。槽谷和平坝区耕地较少，撂荒相对集中， Table 1 The scale of abandoned cropland in Wulong County from 2005 to 201 武隆区 2005年 2011年 耕地总面积/km 2 水田面积/km 2 旱地面积/km 2 撂荒率/% 水田撂荒面积/km 2 旱地撂荒面积/km 2 819.02 122.25 696.77 12.44 15.96 85.90 表1. 2005~2011年武隆区耕地撂荒情况 图2. 武隆区撂荒耕地空间分布 图3. 武隆区高程与耕地撂荒关系。(a) 水田撂荒情况；(b) 旱地撂荒情况 图4. 武隆区不同高程区间撂荒情况 主要可能由农村劳动力流失造成；低山区耕作条件最好，因自然条件引起的撂荒也最少；中山区为最大区间，受高程条件约束最为明显，由此产生大量耕地撂荒。 4.2.2. 坡度 坡度是影响耕地经济收益的重要因素之一，直接或间接影响了耕地的空间分布以及撂荒情况。本文将其分为0˚~2˚、2˚~6˚、6˚~15˚、15˚~25︒、25˚~45˚、45˚以上共6个区间，并研判各区间水田与旱地撂荒情况(图5)。 不难发现(图5)，水田受坡度影响高于旱地。水田的坡度与撂荒率之间基本呈现出明显的指数关系，水田撂荒率随坡度增加上升较快，在45˚~78˚的区间内达到41.47%。坡度对旱地的影响，在25˚以下不太明显；在25˚以上，两者则也呈现出指数关系，45˚~78˚区间内旱地的撂荒率最高达35.8%。在25˚以上区间内，水田平均撂荒率为26.63%，明显高出旱地的19.05%。这表明，坡度因素对耕地撂荒影响显著，尤其对水田、水浇地等限制较为明显。 4.3. 社会经济条件 耕地撂荒受自然、社会、经济等多种因素综合作用影响。因此，本文选取了亩均劳动力和第二、三产业从业人员两个社会经济类指标，比较了武隆区9个乡镇间的撂荒率，同时，为了便于比较，将两组数据均进行了极差标准化，显示于图表左侧坐标轴(图6)。 亩均劳动力反映了区域耕地潜在耕作劳动力数量，第二、三产业从业人员一定程度上反映了该地区城镇化发展情况，这两类要素对区域农业活动产生直接或间接的影响。结果表明，亩均劳动力要素与撂荒率间存在一定相关关系，要素值较高的乡镇撂荒率较低。其中，鸭江镇撂荒率最低，仅2.81%，其亩均劳动力则高达168.3；羊角镇撂荒率最高，为25.44%，亩均劳动力只有38.83。而第二、三产业从业人员要素与撂荒率间则无明显相关性，这可能与区域社会人口结构中性别、人口等因素有关。
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user: 5. 结论 2005~2011年间，重庆市武隆区耕地撂荒面积101.86 km 2 ，撂荒率为12.44%，其中，水田撂荒面积15.96 km 2 ，旱地撂荒85.9 km 2 ，撂荒的旱地占总撂荒耕地面积的84.34%。 图5. 武隆区各坡度区间撂荒情况。(a) 水田撂荒情况；(b) 旱地撂荒情况 图6. 武隆区各乡镇撂荒情况与社会经济因素的关系 高程因素和坡度因素与撂荒率有显著的正相关关系。尤其在800 m以上中山区、15˚以上坡度区域，撂荒面积均超过总撂荒面积的70%。就撂荒地中水田和旱地而言，由于水田耕作条件相对苛刻，其撂荒情况受自然地理因素影响比旱地更为明显。社会经济因素中，反映区域耕地潜在耕作劳动力数量的亩均劳动力要素与撂荒率有较为明显的相关性，亩均劳动力较高的乡镇撂荒率较低。而第二、三产业从业人员虽然间接反映了城镇化率，但受社会人口结构影响，未与撂荒率表现出明显相关关系。
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user: 资金项目 国家自然科学基金项目(41501192)。
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user: 摘 要 中国轮胎产品在出口“一带一路”沿线国家时，由于轮胎企业自身技术创新能力弱，产品附加值低，频繁地遭受国外技术性贸易措施影响。因此，采取相应的措施应对国外技术性贸易措施，成为中国轮胎出口稳定的关键因素。本文从轮胎产品生产过程、国外轮胎标准法规研究、标准体系建设、公共服务平台、国外建厂等几个方面进行了详细的叙述，以应对中国轮胎出口“一带一路”国家中遇到的技术性贸易措施。最后，举例说明赛轮金宇集团股份有限公司在应对国外技术性贸易措施所采取的相应措施，并取得了良好成效。 关键词 :“一带一路”国家，轮胎产业，技术性贸易措施，应对策略 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 据中国橡胶协会统计，2016年我国轮胎产量达到5.72亿条，已成为世界上最大的轮胎生产国和出口国。尽管我国已成为轮胎生产大国，但轮胎企业自身技术创新能力弱、产品附加值低，因此，频繁遭受以欧盟燃料标签法案为代表的国外技术性贸易措施影响，已成为制约轮胎产业持续发展的瓶颈。特别是进入2016年以来，轮胎企业开工率只有七成左右，产能过剩问题日益严重。2016年中央经济工作会议上，五大结构性改革的任务之首是“去产能”。李克强总理指出，化解产能过剩必须要与深化改革、企业重组、优化升级相联合，以“壮士断腕”为精神，牢牢坚守改革观念，发挥中央和地方积极性，发挥企业的主体精神，要更加注重运用市场化办法化解过剩产能 [ 1 ] 。
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user: 2. 中国轮胎产品出口“一带一路”国家遇到的技术性贸易问题 2.1. 制造商轮胎生产过程中存在的问题 部分轮胎生厂商在轮胎生产过程中，橡胶配方和生产工艺落后以及轮胎成品检测不规范等都会严重影响轮胎的性能和寿命，是造成轮胎本身质量问题的主要因素。2016年3月，中国消费者协会发布了《2016年全国消协组织受理汽车产品投诉统计分析》报告。统计显示，2015年全国消费者协会组织共受理关于汽车产品投诉的案件有15，247例，投诉解决率为78.84%，为消费者挽回经济损失8848万元。据分析显示，轮胎自身质量问题、合同争议问题以及售后服务问题是引发汽车投诉的主要原因。其中轮胎自身质量问题的投诉主要集中在产品性能不佳、商品不合格和失效、损毁或灭失三方面。从上述分析我们可以看出，对轮胎断裂、鼓包、磨损等问题的投诉占据轮胎自身质量问题投诉的主要部分 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 。 2.2. 检测过程中存在的问题 在轮胎的生产过程中，轮胎原材料的选择不佳以及制造工艺不精确都会造成轮胎产品的不均匀或质量偏心。按照机械运动的原理，当轮胎在较高速度下运转时，由于轮胎内部材料的分布不均匀、质量偏心、结构变形、零件外形的尺寸误差以及装配尺寸的误差等原因，会造成轮胎受力不均、受力波动幅度大，从而导致汽车振动幅度大，产生噪音，影响汽车运行的速度、平稳度或舒适度，严重的会损坏汽车零部件，甚至引发交通事故等 [ 5 ] 。因此，轮胎质量是保证车辆正常行驶，减少人力财力损害的根本。为了及时发现轮胎缺陷，提高轮胎质量，防止不合格轮胎进入市场，轮胎质量检测是轮胎生产过程中的关键环节。尤其是当今的交通业飞速发展，车辆越来越多，车速也越来越高，对轮胎的质量要求更是越来越苛刻，轮胎质量检测已成为轮胎制造领域中一项非常重要的技术 [ 6 ] 。因此，严格把控轮胎质量的检测，避免测试过程中出现问题，及时的发现问题、解决问题是保证轮胎质量的关键。 2.3. “一带一路”沿线国家认证问题 2.3.1. 印度尼西亚SNI认证 审核员数量太多，因为每次年审都来4个审核专家，其中有3个会同时审核公司文件；审核内容大部分重复，这样不但占用更多公司资源，审核效率也不高。 2.3.2. 中东GCC认证 申请证书周期有时太长；每年每个公司的抽样比例没有标准；若是抽样测试不合格，沙特方面给出的滚阻测试报告只有一个最终的不合格滚阻值，没有具体过程数据；抽样时间不确定；抽样滚动阻力测试是按照ECE R117的标准进行，但是国内的测试结果比抽样的测试结果小0.5~0.8左右。 2.3.3. 印度BIS认证 官网上显示的轮胎相关证书的信息不全(规格、品牌)；申请新证书的周期过长，一般情况下为6~8个月，有时甚至超过一年。 2.4. “一带一路”沿线国家轮胎产业技术性贸易措施 2.4.1. REACH法规 REACH法规是《化学品的注册、评估、授权与限制》(Registration， Evaluation and Authorisation and Restriction of Chemicals)的简称，由欧盟委员会制定，旨在保护人类健康和环境安全，保持和提高欧盟化学工业的竞争力，已于2007年6月1日起实施。 芳烃油与合成橡胶相容性较好，可以提高轮胎胎面与地面附着性和制动性，同时可改善橡胶的弹性和韧性，因此被广泛应用于轮胎生产。根据REACH法规附件XVII第50条规定，对市售添加油或用于生产轮胎的添加油中多环芳烃含量进行了限制，共涉及到8种物质，累计含量不超过10 ppm，其境内销售的轮胎须满足上述要求，成为目前各国轮胎企业最为关注的欧盟环保限令。 2.4.2. 欧盟燃料标签法案 2009年，欧盟颁布了两项涉及轮胎的法规，分别是EC 661/2009《欧盟汽车一般安全的型式认证要求》和EC 1222/2009《有关燃油效率及其他基本参数的轮胎标签》，其中，对轮胎分类和轮胎燃油效率、湿路面抓着性以及滚动噪声提出了要求，并要求以标签的形式将上述指标在轮胎上体现。 法规中的，轮胎需按其性能分为C1、C2和C3类，基本等同于我国的轿车轮胎、轻型载重汽车轮胎和重型载重汽车轮胎。性能方面，燃油效率(滚动阻力)指标，C1、C2和C3类轮胎分别不得高于10.5、9.0和6.5 N∙KN −1 ，该限值为第二阶段要求，已于2016年11月1日起实施；湿路面附着性能(制动性)指标，C1、C2和C3类轮胎分别不得低于1.1、0.85和0.65，其中，C1类轮胎已于2012年11月1日起实施，C2和C3类轮胎于2016年11月1日起实施；滚动噪声，C1类轮胎，按名义断面宽划分，最高噪声不得高于70~74 dB，C2类轮胎，标准胎和牵引胎分别不得高于72和73 dB，C3类轮胎，标准胎和牵引胎分别不得高于73和75 dB，实施期限与湿路面附着性能期限相同。 2.4.3. 海湾七国标签法案 海湾国家标准组织GSO于2015年10月22日宣布，从2016年1月1日起，海湾七国(沙特阿拉伯、科威特、阿拉伯联合酋长国、卡塔尔、阿曼苏丹王国、巴林王国、也门)开始实施轮胎标签法。其中，沙特将于2015年11月1日起单独实施标签法。 海湾七国标签法案要求，滚动阻力和湿路面附着性限值均参照欧盟ECE 117法规，关于滚动噪声不作要求。海湾国家和沙特阿拉伯关于滚动阻力和湿路面附着性限值及实施期限分别见表1和表2。 2.4.4. 韩国标签法案 2011年11月14日，韩国颁布了轮胎标签法规。该法规对轿车轮胎和小型载重汽车轮胎的滚动阻力和湿路面附着性提出了指标要求，并要求轮胎制造商自2012年12月1日起将上述指标以标签的形式在轮胎上体现。目前，韩国轮胎标签法对滚动噪声未提出指标要求。 法规要求，轿车轮胎和小型载重汽车轮胎的滚动阻力指标不大于12.0和10.5 N∙KN −1 ，该限值与欧盟标签法案第一阶段滚阻限值相同。安全性能方面，轿车轮胎和小型载重汽车轮胎的湿路面附着性能指标分别不小于1.1和0.95。
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user: 4. 企业应对案例 针对国外轮胎绿色法规的影响调查结果显示，“认证过程繁琐，费用高”、“企业检测能力无法满足要求”、“对国外法规和标准研究不够”、“信息获取滞后”等4方面是企业反映国外轮胎绿色法规对我国轮胎产品造成影响的最主要原因。而在企业应对方面，90%的企业将“转销其他海外市场”作为应对国外绿色轮胎标准法规的首要对策；同时“提高技术水平、提升产品性能”也被作为重要手段应对国外技术性贸易措施。这说明企业产品技术意识正在逐步提升，国外技术性贸易措施正在倒逼我国轮胎产业转型升级。 针对企业反映的问题，本章重点选取了赛轮金宇集团股份有限公司应对国外绿色法规的做法为案例，介绍好的做法和经验，以供其他企业借鉴。 4.1. 企业基本情况 赛轮金宇集团股份有限公司是由中国首家A股上市民营轮胎企业，由赛轮股份有限公司与山东金宇实业股份有限公司战略整合而成，是一家专业的橡胶轮胎研发制造企业。截至目前，已拥有全钢子午线轮胎、半钢子午线轮胎和非公路轮胎的生产能力，产品畅销欧、美、亚、非等一百多个国家和地区 [ 22 ] [ 23 ] 。该公司在应对国外轮胎绿色标准法规方面走在了前列，创造了可供其他轮胎企业借鉴的经验做法，努力推动行业的健康持续发展 [ 24 ] 。 4.2. 经验做法 1) 及时了解新标准法规的动向。 成立专门的信息收集小组，收集技术先进国家的相关法规起草、制定、修订、发布和实施的信息，实时关注法规进展动态。在获取途径方面，主要通过国外主要客户反馈、公司标准化担当处的资源获取、TUV或IDIADA等认证公司处获取、标准查询网站上下载获取等。 2) 成立应对专题小组。 信息收集小组反馈信息后，由法规应对专题小组组织开展研究落实技术推进进度以及事项落实情况。在欧盟REACH法规、燃料标签法、海湾七国燃料标签法等主要法规时，公司均成立了专题应对小组。 3) 增加研发投入。 2011年9月，公司先后花费3000万元购进德国TS公司的轮胎滚动阻力试验机，建立室内模拟噪声实验室，以应对标签法。在完善室内实验室的基础上，成立了赛亚轮胎检测有限公司建设轮胎室外试验场项目，突破噪声、湿地抓着力等项目无法自检的瓶颈。 4) 注重原材料配方和结构研发的协调统一。 简单的通过改变原材料的使用来提高轮胎产品的质量是比较单一的方法。提高轮胎产品质量的根本是优化轮胎原材料的加工工艺；保证轮胎基本品质的是轮胎的结构设计。因此，不仅改变轮胎的原材料，同时优化原料的加工配方以及轮胎的结构设计来是提高轮胎产品品质，是提高我国轮胎产品在出口“一带一路”沿线国家市场竞争力的最根本方法。因此，采用此种方法既能降低成本又能提高产品质量，从而取得了良好的效果 [ 25 ] 。 5) 规范原材料的采购和检测。 轮胎行业相较其他大部分行业来讲，供应链较短，一般3~4级为多，但材料类型多，成品型号杂，各个型号的原料供应商广，一般一家成品轮胎企业，有众多材料供应商供货，而一个供应商又由众多原材料供应商供货，故一个轮胎成品企业涉及成百上千家供应商，涉及面大，应对起来沟通工作非常重要。首先与瑞旭科技公司进行咨询，将咨询结果反馈，得到几家国内知名供应商提供的REACH相关报告，每一家都涉及众多的材料生产厂家，供应商分布广泛，目前部分已经完成REACH法规的应对，部分正积极开展当中。众多其他成品轮胎企业同样在积极地要求其供应商落实REACH法规要求，使自身成品轮胎满足客户要求，保证产品安全顺利地出口和销售 [ 26 ] 。 6) 梳理产品出口种类和流程。 公司首先整理了对欧盟、海湾七国等国家地区出口的产品规格；其次根据物质的识别和REACH法规的注册指南，计算出了各企业出口欧盟国家的相关物质的吨数；根据REACH法规，列出所有需要履行REACH义务的原材料清单 [ 27 ] ；第三收集了原材料供方相关资料；第四明确了滚阻、湿地抓着力和噪声等项目检测的样品规格以及涵盖单元，理顺了REACH法规的注册流程。 4.3. 成效 进过长期努力，最终公司顺利达到欧盟标签法规B-B级、B-C级、C-B级、C-C级的水平，并实现了A-A级轮胎的突破，为轮胎出口其他“一带一路”沿线国家打下了良好的基础。据中国计量协会化工计控分会认定，公司的轮胎滚动阻力试验机的测试数据满足国家标准要求，具备了可与基准实验室相关联的能力，被认定为中国的汽车轮胎滚动阻力测试比对实验室。同时，公司实验室先后获得莱茵TUV认可以及西班牙IDIADA认可证书，目前正与TÜV SÜD进行对标，与基准实验室建立的良好的相关性。2016年上半年在全国轮胎出口金额大幅下滑的背景下，公司轮胎出口达37.12亿元，同比增长17.93%，实现了出口逆势增长 [ 28 ] 。
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user: 5. 结束语 近几年，轮胎企业产能过剩问题日益严重。目前，虽然已经采取了很多相应的措施，但是，随着轮胎应用的不断创新，将会不断的出现一些新的问题，因此研究者仍然不断的采取新的方案来解决我国轮胎出口遇到的技术性贸易措施问题。无论是轮胎企业，还是政府职能部门，以及相关产业等，综合提高业务水平、加强与企业的互动，积极发挥出口轮胎安全示范区和技术性贸易措施评议基地职能，加快轮胎企业与国际轮胎行业在产品质量上的同步步伐。
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user: 摘 要 本文提出两个纤维梁单元混凝土模型。模型由拉压骨架曲线和加载卸载路径组成，其中，受拉骨架曲线由弹性和线性软化两段组成；受压骨架曲线由线性弹性和随后EN 1992版欧盟混凝土规范建议公式结合KENT-PARK模型组成，其混凝土峰值压应力，对于非约束混凝土采用圆柱体抗压强度，对于约束混凝土采用KENT-PARK模型计算。加载卸载路径分别采用OpenSees的CONCRETE01和CONCRETE02模型路径。依据ABAQUS平台的用户材料接口UMAT，开发了两个适用于纤维梁单元的混凝土模型用户子程序，F1-CON和F2-CON。通过对比全尺寸振动台试验各项结果，本文开发用户子程序与模拟方法的可靠性得到验证，结果表明用户子程序能很好地反映受地震荷载作用的钢筋混凝土柱强度与刚度的退化，模型可以广泛用于精细化模拟钢筋混凝土柱及其它弯曲构件。 关键词 :混凝土结构，地震荷载，材料模型，数值分析，ABAQUS Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 钢筋混凝土结构动力非线性性能的研究越来越受到土木工程研究者的重视，自然试验研究的成果也越广泛见诸学术刊物 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。除钢筋混凝土结构的动力试验越来越被研究者重视外，钢筋混凝土结构的动力非线性数值分析也在学术界渐渐受到关注，一些国际竞赛也油然而生，特别是由美国太平洋地震工程研究中心(PEER)于2010年在加州大学进行了一次全尺寸钢筋混凝土桥墩柱动力试验，并将试验相关资料公开放置于网络进行全球征集数值分析结果以来，各种钢筋混凝土结构动力分析的理论研究与材料模型研究也越来越受到学者们的青睐 [ 4 ] [ 5 ] 。由于通用商业软件，如：ABAQUS、ANSYS、SAP等，具有成熟高效的非线性算法和功能强大的前后处理能力，结构非线性分析的研究者更愿意在这类通用平台上二次开发自己的材料模型或单元来进行结构的非线性分析 [ 5 ] 。本文也是在ABAQUS通用平台上开发出用于纤维单元的混凝土材料模型以及钢筋模型，并用这些开发的模型对钢筋混凝土桥墩柱进行非线性动力分析。
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user: 2. 混凝土模型简述 本文混凝土受压受拉骨架曲线如图1所示，其中受压曲线分成4段，受拉曲线分成2段。 受压曲线第一段从坐标原点到压应力峰值的40%为结束点，为直线段，反应混凝土的弹性特性。第二段是应变从最大弹性应变 ε c e 经压应力峰值对应的峰值应变 ε c o 再到极限压应变 ε c u ，为二次曲线段，反应混凝土的非线性特性。第二段的应力应变关系，采用EN1992欧盟混凝土规范中建议的应力应变关系公式，即下式(1)。 σ f c = k η − η 2 1 + ( k − 2 ) η (1) 式中， η = ε / ε c o ， ε c o 为混凝土压应力峰值对应的应变。可以取实测值，如果没有实测值，取欧盟规 图1. 混凝土模型受压受拉骨架曲线 范建议值，即 0.7 f c 0.31 的千分之一，最大值不超过0.0028。而 ε c u ，普通混凝土取0.0035，高强混凝土取0.0028。假定 ε c e / ε c o 的比用 η 0.4 表示，则式(1)中的系数k可以由式(2)计算求得： k = 2 3 η 0.4 + η 0.4 − 0.8 0.6 (2) 混凝土弹性模量如果没有实测值，就由欧盟混凝土规范公式计算，即 22 ( 0.1 f ′ c + 0.8 ) 0.3 (单位为MPa)， f ′ c 为素混凝土棱柱体抗压强度。 第四段是混凝土强度的残存段，来源于修正的Kent-Park混凝土模型 [ 6 ] ，该模型认为，当混凝土应变大于最大混凝土压应变 ε c m 后，混凝土强度保持为 α f c ， ε c m 的计算公式如式(3)所示。 ε c m = 0.004 + 0.9 ρ s f y h 300 (3) 式中， ρ s 为约束混凝土的箍筋体积配筋率， f y h 为箍筋屈服强度。第三段取直线连接第二段与第四段即可。而混凝土峰值应力 f c 的取值，非约束混凝土取棱柱体抗压强度；对于约束混凝土，根据修正的Kent-Park混凝土模型 [ 6 ] ，由式(4)计算得到： f c = ( 1 + ρ s f y h f ′ c ) f ′ c (4) 本文在ABAQUS中开发的F1-CON和F2-CON模型，在没有实测弹性模量和峰值应变时，输入参数为3或者4个，前3个参数分别对应图1： f c ， α 和 ε c m ，其中F1-CON模型不计混凝土拉应力的影响。第4个参数对应图1的最大混凝土拉应变 ε t m ，缺省值为0.01。而 f t 也用欧盟混凝土规范公式计算，即 f t = 0.3 ( f ′ c ) 2 / 3 。如果有实测弹性模量和峰值应变时，输入参数采用6个，前4个同前述一样，后面2个参数分别是弹性模量 E c 和峰值应变 ε c o 。两种模型的卸载和重加载路径分别与OpenSees中CONCRETE01和CONCRETE02模型一致，此处不再赘述。 文中计算ABAQUS自带混凝土两种模型所需要的参数时，混凝土拉压应力应变关系均使用图1所示的骨架曲线，这样无论用ABAQUS自带混凝土模型还是本文开发模型，进行数据对比时，就不会因混凝土骨架曲线不同而导致没有可比性。本文的钢筋模型采用作者开发的钢筋混凝土结构的钢筋滞回模型 [ 7 ] ，在ABAQUS上开发材料模型的接口程序同文 [ 8 ] 。
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user: 3. 桥墩柱试验简介 该试验是PEER于加州大学举办的一个钢筋混凝土桥墩柱动力响应试验测试竞赛 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] (如图2照片所示)，桥墩柱的截面配筋如图3。 图2. 试验照片 图3. 柱截面尺寸、配筋和单元分割 图3中，纵筋为直径36 mm，箍筋为2根直径16 mm，间距15 3mm，箍筋外的混凝土保护层厚度51 mm，具体材料力学性能参数参见文 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。试验时柱顶配有一个质心位于柱顶的混凝土质量块，重2322 kN，即质量236.7吨。该质量块的转动惯量 [ 1 ] 为： J Z = 0.9923 × 10 9 ton ⋅ mm 2 / G 。
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user: 4. 模态分析 首先进行模态分析，确定系统的固有频率。试验时由于与振动台激励方向垂直的方向上，试件位移受到约束，因此，可以认为系统在作平面振动。 在ABAQUS平台上系统的模态分析，整个柱子长7.315米，平分成15个节点，每2个节点间采用线性平面铁摩辛柯梁单元B21。考虑到柱子箍筋对混凝土的约束作用，同时ABAQUS对圆形截面平面梁单元的截面积分最大积分点数只能是9，也即，从轴线到梁的受拉或受压边缘的辛普森积分点只有5点，这样的积分点数很难准确描述如此巨大截面的混凝土非线性特性。因此，本文分析时，每2个节点之间采用3个B21单元来描述柱子截面(如图3所示)。其中最外围的圆环截面表示柱子混凝土保护层截面，环的厚度51 mm，ABAQUS梁单元截面特性选择SECTION = PIPE。图3中间的环，取以钢筋为中心位置的圆环，其厚度为67.5 mm，ABAQUS截面选择同保护层一样。这两个圆环的积分点都选择11点，这样相当于将环分成20等分。 由于外围的环是非约束混凝土，同时，其混凝土的弹性模量和峰值应变均为已知，因此，ABAQUS的输入命令如下： *MATERIAL， NAME = F1-CONe *Depvar 10， *User Material， constants = 6 40.9，.2，0.004，0.01，22900.，0.0026 上述命令中第5行的参数分别为：混凝土峰值应力，残存应力比值，最大压应变，弹性模量和峰值应变。 而第二层环的类似上述第5行则为： 45.2，.2，0.008，0.01，22900.，0.0028 其中，45.2是按照式(4)计算得到，0.0028是0.0026按照同比例放大但最大值为0.0028的结果。 最内层是圆柱体，ABAQUS截面为CIRC，直径982 mm。柱顶的质量块用一个MASS单元，附加转动惯量的ROTARYI单元，进行模态分析和后续动力分析。 ABAQUS模态分析的前2个频率结果为：8.7914 rad/s和42.271 rad/s。后续动力分析时，模型参数与模态分析的一致。
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user: 5. 估计系统Rayleigh阻尼 ABAQUS通用数值分析平台处理阻尼，是在输入材料特性时，采用下面的命令来考虑阻尼的： *MATERIAL，NAME=…… *DAMPING，ALPHA=……，BETA=…… 上面的命令行中，ALPHA就是要输入质量影响系数，BETA就是要输入刚度影响系数。 但是，如果材料是用户开发的，即命令行为如下形式时： *USER MATERIAL，CONSTANTS=…… 则上面阻尼系数，只能输入ALPHA而不能输入BETA，即对于用户开发的材料模型，ABAQUS无法考虑BETA阻尼。 当系统的阻尼比为 ξ ，可由下式(5)来估计Rayleigh阻尼的α和β值。 α = 2 ω 1 ω 2 ξ ω 2 + ω 1 (5a) β = 2 ξ ω 2 + ω 1 (5b) 系统的阻尼比，一般对于钢筋混凝土结构，其变化范围大约在0.02~0.05。因此，按照式(5a)可以估计Rayleigh阻尼质量影响系数从0.291到0.728之间变化。