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篇(1)

關鍵詞：懸掛建筑，振動分析，參數優化

1. 前言

調頻質量阻尼 (Tuned Mass Damper，TMD) 系統已在結構振動控制方面得到廣泛應用。在高層建筑結構中，根據TMD的原理，將部分樓層懸掛于主結構上，形成懸掛建筑結構[1]。這種利用一部分結構懸掛，達到振動控制目的的結構體系，可以稱為懸掛建筑減振體系[2-5]，其主要特點是把整個建筑結構設計成一個大型的減振器，如圖1，懸掛樓層被設計為一個整體，簡化為集中質量m2，而支撐懸掛樓層的主結構以及懸掛轉換層結構可以簡化為集中質量m1，圖2中k1及c1表示主結構的剛度及阻尼系數，k2及c2表示懸掛樓層的總抗側剛度及阻尼系數。

2. 上部結構振動分析與討論

在沿?；蛘唢L區，懸掛建筑結構將會受到頻繁的作用于地面以上結構（簡稱上部結構）的動力作用?？梢约俣ㄔ搫恿ψ饔脼橹C振力，且懸掛建筑主結構與懸掛樓層直接承受的諧載幅值與其各自的質量成正比，因此，可以寫作

，（1）

其中，質量矩陣、阻尼矩陣及剛度矩陣分別為

；；

；

令，，，，質量比，結構調諧比，激勵頻率比；且令，則，

，其中，是相對加速度頻率響應函數向量，代入式（1）可以得到

() （2）式（2）也可以寫作 ，其中，

，

。

然后，采用Den Hartog方法對進行參數優化，可以得到最優化的結構調諧比和懸掛樓層阻尼比，如下

（3）（4）

為了考察次結構的動力優化效果，將上面得到的條件下的優化參數式（3）、（4）代入，取模后即得到優化頻率響應，僅與和有關。取為0.15、0.50、1.0、2.0等四種情況，懸掛樓層的加速度優化頻率響應如圖2所示。其中，=0.15時的峰值相當于其它情況下的3倍以上，說明小懸掛質量比的懸掛樓層結構動力響應比大懸掛質量比的要大得多。

圖2 =0時懸掛樓層加速度優化頻率響應

將主結構無阻尼條件下（ξ1=0）得到的最優參數作為可行解應用于實際主結構有阻尼的懸掛結構，假設ξ1=0.05，同樣，取μ為0.15、0.50、1.0、2.0等四種情況。與地震動作用下的響應類似，主結構阻尼增大時，加速度響應峰值減小，μ =0.15時的峰值相當于其它情況下的大約2倍以上，優化效果有一定地削弱，如圖3所示。但是，在一般的懸掛建筑結構中，采用無阻尼的優化參數近似分析有阻尼的情況是可以滿足工程要求的。

圖3 = 0.05時懸掛樓層加速度優化頻率響應

根據圖3，可以發現，經過優化設計后的懸掛樓層結構（懸掛質量比通常大于1.0）的加速度動力響應比較均勻，沒有隨著激振頻率比的變化而大起大落，特別是在懸掛建筑上部結構受到諧載激勵的優化分析中，懸掛樓層結構的動力響比較小，僅在0.5

3. 結論

本文介紹了懸掛建筑減振體系及其基本組成，采用二自由度運動方程，對單段懸掛建筑上部結構在諧振動激勵下的懸掛樓層的動力性能進行了較為詳細的分析。其中，考察了在懸掛主結構無阻尼（=0）和有阻尼（=0.05）條件下，隨著懸掛質量比和激勵頻率比的變化，懸掛樓層結構的動力響應。計算表明，在主結構無阻尼，且大的

根據圖3，可以發現，經過優化設計后的懸掛樓層結構（懸掛質量比通常大于1.0）的加速度動力響應比較均勻，沒有隨著激振頻率比的變化而大起大落，特別是在懸掛建筑上部結構受到諧載激勵的優化分析中，懸掛樓層結構的動力響比較小，僅在0.5

3. 結論

本文介紹了懸掛建筑減振體系及其基本組成，采用二自由度運動方程，對單段懸掛建筑上部結構在諧振動激勵下的懸掛樓層的動力性能進行了較為詳細的分析。其中，考察了在懸掛主結構無阻尼（=0）和有阻尼（=0.05）條件下，隨著懸掛質量比和激勵頻率比的變化，懸掛樓層結構的動力響應。計算表明，在主結構無阻尼，且大的懸掛質量比的情況下，懸掛樓層結構的加速度響應為小的懸掛質量比的三分之一以下；若是主結構有阻尼，則大的懸掛質量比情況下的懸掛樓層結構的加速度響應為小的懸掛質量比的大約一半以下。結果表明，經過優化設計的懸掛建筑，其懸掛樓層結構在作用于其上部結構的動荷載激勵下，具有較好的減振性能，可以作為沿海或者強風區的推薦建筑結構形式。

參考文獻：

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[2]涂永明，張繼文，呂志濤，陳杰，錢洋. 懸掛建筑減振體系次結構的抗側性能[J]. 東南大學學報(自然科學版)，2008，38（6）：1099-1104.

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[4]涂永明，呂志濤，張繼文，陳杰，錢洋.核筒懸掛建筑減振體系主結構的抗側性能[J]. 工業建筑，2008，38(12)：49-53.

篇(2)

關鍵詞：巖土工程；飽和黏彈性土；耦合振動；Novak平面應變模型；參數研究

中圖分類號：TU435文獻標識碼： A 文章編號：

Longitudinal Vibrations of a Single Pile in Saturated Viscoelastic Soil

Tao JialiLai Jiaqi

（Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai200072）

Abstract: Based on Biot’s theory, the longitudinal vibrations of a single pile in saturated viscoelastic soil are investigated in the frequency domain subject to the harmonic load. By the Novak plane strain model, the control equations for the saturated viscoelastic soil are derived. Regarding the pile as the one-dimensional rod model, the vibration equation of the pile is established. Based on the continuity conditions of the pile and soil, the dynamic stiffness and dynamic damping of the pile top are obtained. It is compared with the solution for Novak, and the influences of different physical parameters of the pile and soil on the longitudinal vibrations of the soil and pile system are examined. It is shown that the dynamic characteristics of the pile in the dry soil and in the saturated soil have some different; the resonance effect of dynamic stiffness factor and equivalent damping is obvious weakening with ratio of the length to radius of the pile increasing. The resonance effect and natural frequency are increasing when the modulus ratio of the pile to soil increases; the interaction coefficient of the flow-solid and the damping ratio of soil skeleton have few influences on the responses.

Key words: Geotechnical Engineering; saturated viscoelastic soil; coupled vibration; Novak plane strain model; parameters study

0 引 言

基樁的豎向振動理論在高層建筑物、動力基礎、海岸結構等工程領域得到廣泛運用。它在結構的抗震設計以及樁基動力檢測等工作中具有十分現實的意義[1]。目前，關于單相理想土體中樁的振動特性研究已較為成熟。但這些研究與實際工程相差甚遠，自然界中廣泛分布的軟黏土，以飽和土模型來研究更為合理。

為此，李強等[2]借助Laplace變換技術和位移勢函數等數學手段得到了飽和土中端承樁頂的復剛度，并討論了飽和土和樁參數對動態剛度和等效阻尼的影響。在此基礎上，又建立了非完全黏結條件下飽和土中樁的豎向振動模型，并推導了相關頻域和時域解析解[3]。Wang Jianhua等[4]借助Hankel變換對半空間飽和土中各種類型群樁的動力響應進行了研究，并考察了長徑比等參數對群樁的軸向力和孔壓的影響。Zhou Xianglian等[5]研究了半空間飽和土中樁的瞬態響應，利用Fourier變換技術得到了相關時域解。Cai Yuanqiang等[6]采用Fourier-Bessel方法研究了彈性波對飽和土中彈性排樁的散射問題，討論了樁的剛度和土體滲透性系數的影響。劉林超和楊驍[7,8]采用多孔介質理論在三維坐標下研究了飽和黏彈性土中一維彈性樁的縱向振動特性。Yang Xiao和Pan Yuan[9]將樁等效為三維均勻彈性介質，研究了豎向簡諧荷載作用下飽和黏彈性土層中端承樁的縱向振動特性，分析了樁土參數對動剛度和等效阻尼的影響。楊冬英等[10]研究了三維非均質土中變截面黏彈性樁的縱向耦合振動。然而，上述都采用三維模型來研究飽和土中樁的振動特性。由于三維模型的偏微分方程較為復雜，必須借助各種數學手段對此進行求解，從而導致該模型難以為工程設計人員所接受。因此，Novak等[11-13]建立的平面應變模型及其演化形式得到了廣泛應用。尚守平等[14-15]將Novak薄層法應用于飽和土中樁的水平振動研究中，并討論了滲透系數、樁土模量比等對單樁水平、搖擺及水平-搖擺耦合振動阻抗的影響。

鑒于現狀，本文將土體和樁分別視為液固兩相耦合介質和一維彈性桿件模型，采用Novak平面應變模型，并根據樁土連續性條件，求解得到了飽和黏彈性土中樁頂的復剛度。在此基礎上，與Novak解進行了對比，同時討論了樁土各參數對樁頂動態剛度和等效阻尼的影響。

1 數學模型

1.1 三維數學模型

如圖1所示，厚度為的飽和黏彈性土中有一半徑為的端承樁。其上部作用一圓頻率為的簡諧激振力。樁周土對樁身單位側摩擦阻力為。土體的總密度和剪切模量分別為和。將樁周土視為飽和液固兩相耦合介質且考慮土骨架的黏性。樁土系統穩態振動為小變形，且完全緊密接觸，無相對滑移，即樁土界面處滿足位移和應力連續。樁底部為剛性地基；樁等效為一維圓形彈性桿件模型。

圖1 三維端承樁計算模型

Fig1. Three-dimensional calculation model for the end bearing pile

對于三維軸對稱問題，根據Biot理論，土體在動力荷載作用下的運動方程為[16]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，，，；和分別表示土骨架位移和流體相對于固相的位移；，為孔隙率，為土骨架與孔隙流體的相互作用系數，為流體黏滯系數，為滲透系數；分別為流體和土顆粒的材料密度，；，和為土骨架的拉梅常數。為表征土顆粒及流體壓縮性的系數。

1.2 平面應變模型

圖2 平面應變計算模型

Fig2. The computational model for plane strain

采用Novak平面應變模型來解決飽和黏彈性土體的縱向振動問題時，建立如圖2計算模型。假設樁周土不產生徑向和切向位移，且縱向振動位移與坐標Z無關，即滿足如下關系：

(5)

2 飽和黏彈性土層縱向振動

利用平面應變假設條件式(5)，式(1)—(4)可簡化為

(6)

(7)

對于穩態振動，設，并引入如下無量綱量和常數：

(8)

其中，為剪切波速。

利用式(10)，式(6)、(7)可化為：

(9)

(10)

將式(10)代入式(9)，可得

(11)

其中，，。

式(15)可易解得：

(12)

其中，為待定系數；為第一類和第二類零階虛宗量貝塞爾函數。

根據貝塞爾函數的性質，當很大時，有

(13)

(14)

于是，式(12)中，，即

(15)

利用式(15)，土體的無量綱剪應力為

(16)

因此，在處的剪應力為

(17)

3 端承樁縱向振動

將樁等效為一維彈性Eluer桿件處理；在動力荷載下樁豎向振動的運動方程為

(18)

其中，

對于穩態振動，記樁的豎向位移為，則式(18)可化為

(19)

其中，

根據樁土界面處連續性條件，可知：

(20)

利用式(20)，式(19)可化為

(21)

式(21)解得:

(22)

其中，為待定系數。

假定初始時刻樁土系統靜止，且滿足無量綱后的邊界條件：

(23)

式中，

結合邊界條件式(23)，求得待定系數的具體表達式后，可得：

(24)

因此，無量綱動力復剛度為：

(25)

4 與已有解析解對比分析

Novak[10]研究了單相黏彈性土中端承樁的縱向振動特性。將本文計算結果中令流體密度，此時，即可退化為Novak的結果。為了驗證本文結果的正確性，本文與Novak解進行了對比。據文獻[2,11]，參數取值：，，，，樁頂復剛度的實部代表樁的動剛度，虛部為動阻尼，采用動剛度因子(為靜剛度)代替樁的動剛度，等效黏土阻尼代替動阻尼。圖3給出了在的頻率范圍內文獻[11]、本文及飽和彈性土中樁頂的復剛度隨頻率的變化曲線?？梢?，在穩態振動時，飽和彈性土中樁頂動態剛度和等效阻尼的振蕩幅度最大，隨著阻尼比的增加，而略有減??；Novak得到的單相黏彈性介質中樁的復剛度較小。這是因為孔隙中存在流體，流體和土骨架相互作用所導致的，但文獻[2]得到的飽和土中樁的振動特性與單相中樁的振動特性差異較大，這是由于本文采用的Novak薄層法忽略了孔隙水壓力的影響。文獻[14]忽略水的慣性效應，研究了飽和土中樁的水平振動特性。圖4比較了有無慣性效應時飽和黏彈性中樁頂復剛度的差異。可見，在低頻條件下兩種情況時樁頂復剛度幾乎一致，但隨著頻率的增加，考慮水慣性效應的飽和黏彈性土中樁頂復剛度明顯要大。

(a) 動態剛度隨頻率的變化曲線(b) 等效阻尼隨頻率的變化曲線

圖3 本文解、Novak解樁頂復剛度的對比分析

Fig3. Comparison of pile complex stiffness between solutions for this paper and Novak

(a) 動態剛度隨頻率的變化曲線(b) 等效阻尼隨頻率的變化曲線

圖4 有無水慣性效應時樁頂復剛度的對比分析

Fig4. Comparison of pile complex stiffness with or without inertial effect

5 數值結果分析

考察了長徑比、樁土模量比、流固相互作用系數、材料密度比、阻尼比對飽和黏彈性土中樁頂復剛度的影響。圖5表示樁的長徑比變化對樁頂復剛度的影響曲線。其余參數仍按上述取值，可見，隨著長徑比的增加，動態剛度和等效阻尼的振幅和波長都明顯減小，且對于大直徑端承樁而言，動剛度因子和等效阻尼在基頻處明顯存在共振現象。隨著頻率的增加，動態剛度因子的振動幅度逐漸增大，而等效阻尼的振幅不變。

(a) 動態剛度隨頻率的變化曲線(b) 等效阻尼隨頻率的變化曲線

圖5 長徑比對樁頂復剛度的影響

Fig5. Influence of length-diameter ratio on pile complex stiffness

圖6 模量比對樁頂復剛度的影響

Fig6. Influence of modulus ratio on pile complex stiffness

圖6反映了樁頂動態剛度因子與等效阻尼在三種不同模量比的條件下的影響曲線。其余參數按上述取值，隨著模量比的增加，動態剛度因子和等效阻尼的振蕩幅度和波長都有所增大，而當模量比時對動態剛度影響較小。這里表明：樁周土越軟，振幅和基頻也相應增大。

圖7表示改變液固相互作用系數對樁頂動剛度因子和等效阻尼的影響，按上述參數取值?？梢姡S著的增加，動剛度因子和動阻尼的振幅都有所減小。這是因為增大時，土體的滲透性降低所導致的。當為無窮大時，飽和黏彈性土體處于封閉狀態，而引起土體的阻抗減小。

圖8反映樁材料密度和土體總密度的比值對動剛度因子和等效阻尼的影響。其余參數按上述取值?？梢姡牧厦芏缺葘觿偠群蛣幼枘嵊泻艽笥绊?。隨著材料密度比的增大，樁頂復剛度的振幅逐漸增大，共振效應明顯增強。

圖7 流固相互作用系數對樁頂復剛度的影響

Fig7. Influence of interaction coefficient of fluid-solid on pile complex stiffness

圖8 材料密度比對樁頂復剛度的影響

Fig8. Influence of material density ratio on pile complex stiffness

圖9 阻尼比對樁頂復剛度的影響

Fig9. Influence of damping ratio on pile complex stiffness

圖9反映土骨架的阻尼比對樁頂動態剛度因子與等效阻尼的影響。仍按上述參數取值，可見，隨著阻尼比的增大，動剛度和動阻尼略有減小，但阻尼比對樁頂復剛度影響較弱。

6 結論

本文在頻率域內研究了周期荷載作用下飽和黏彈性土中端承樁縱向耦合振動特性。得到了如下結論：

隨著長徑比的增加，飽和黏彈性土中樁頂復剛度的振幅和波長都明顯減小，且對于大直徑端承樁而言，動剛度因子和等效阻尼在基頻處明顯存在共振現象。

隨著樁土模量比的增加，動剛度因子和等效阻尼的振蕩幅度和波長都有所增大，而當模量比增大到一定程度時對動態剛度影響較小。

隨著液固相互作用系數的增加，土體的滲透性降低，動剛度因子和動阻尼的振幅都略有減小。

隨著樁土材料密度比的增加，樁頂復剛度的振幅逐漸增大，共振效應明顯增強。

參考文獻

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篇(3)

關鍵詞 高技術纖維材料；納米纖維；航天航空

中圖分類號V25 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）98-0190-02

復合材料在飛機的應用范圍和水平已經成為對評價飛機先進性的重要指標。與產業用材或其他民用材料相比，對航空用復合材料的要求更加苛刻，主要表現有以下幾點：1）在要求最輕質量的前提下要保證其具備高模量、高強度；2）能夠穩定使用于各種苛刻的環境條件下，比如耐熱性、耐水性、耐溶劑性等；3）能夠在苛刻的成型條件要求下進行復合加工；4）品種繁多，但同一品種產量少，成本高。不管是哪一種高技術纖維，都屬于技術密集且投資巨大的原料產品，雖然無法和一般紡織用纖維的銷售量相比，但是在航空業中卻起著其他材料不可代替的作用。

1 使用納米纖維過濾介質的航天器再循環水處理系統

作為地球上最寶貴的資源之一，水在航天器上顯得尤為珍貴，據測算飛行器運行于低地球軌道水的成本大約為2.19萬美元/L。在上述前提下，應運而生了Disruptor納米纖維過濾介質的凈化技術，其可以把航天員的汗液和尿液經過經過成為飲用水，以供給航天員在飛行過程中的用水。

Disruptor的過濾介質采用了納米纖維，其構成主要是在金屬網或細旦玻璃纖維網上下位附著氧化鋁納米，Disruptor擁有非常良好的過濾性能，如果采用單層結構進行水過濾功能，可去除99.99%的直徑0.025μm的粒子；如果采用三層結構進行水過濾功能，對相同直徑粒子，其去除率甚至可高達99.9999%。采用了納米纖維的過濾介質不僅可以去除存在于水中的病毒，還可以對DNA（脫氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）進行穩定吸收。

2 使用碳納米纖維符合材料的鋰離子電池電極

鋰電池電極經過NASA航天電池研究團隊多年研究后制造得出，所采用的就是硅晶須與CNF的復合材料。其中CNF是采用單絲直徑在100到200nm之間，纖維長度在30到100μm之間。其所選用的是Pyrograf型碳納米纖維。硅晶須使用VLS方法包覆在CNF上。VLS要經過一定的處理過程，在500攝氏度、30Torr的壓力環境下，將四氫化硅混合氣體的流速嚴格控制為每分鐘80mL，反應時間大約可設定為十分鐘。鋰離子電池的最高容量可達到1000mAh/g。除此之外，美國斯坦福大學歷經了多年研究開發出了中空CNF符合材料的鋰離子電池陰極材料，即在中空的CNF內壁灌封硫化物，讓電池能夠盡可能多地搜集多硫化物。這種電池的容量經實驗顯示會更加高，可達1673mAh/g，其電化學循環特性也是比較良好的。

3 高強力/重量比纖維材料在航天領域的應用

經測算可知，目前在地球軌道送入一顆衛星大約需要2萬美元/磅的成本，在美國航天飛機升空大約需1萬美元/磅的成本。在此巨額成本消耗前提下，就需要研究新材料和技術以完成保證航天器性能下功耗成本的降低，近年來高強力/重量比的工程纖維成為高技術纖維開發的熱點，這與其可以有效減輕航天器的重量有很大的關系。這些高強力/重量比纖維材料也具備相關的技術特點：1）聚合物材料的玻璃化轉變溫度為90攝氏度；2）克重≥100g/㎡；3）若纖維材料使用時間超過5年，其保持率>85%；4）就纖維來講，其強力與重量比≤1000；

目前研究的高強力/重量比的纖維主要設計有液晶纖維、聚對苯撐并雙惡唑、超高分子量聚乙烯和芳香族聚酰胺等。其產品可以分為輕質撓性復合材料、中厚型撓性復合材料和重型撓性復合材料三個系列。超高分子量聚乙烯和聚對苯撐柄雙惡唑纖維的強力/密度比是相當良好的，就強力/密度比而言，超高分子量聚乙烯為3.4，聚對苯撐并雙惡唑為3.8；就模量/密度而言，超高分子量聚乙烯為53.2，聚對苯撐并雙惡唑為114.4。雖然其他復合材料的強力/密度比沒有前兩類高，但是也舉杯高性能纖維的基本特征。就重型撓性復合材料來講，其具有強力高、伸長低、抗撕裂能力良好和高抗破壞性沖擊等優良性能，多用于可充氣壓力構筑物、大型汽艇和撓性壓力艙中。

4 碳纖維增強的復合材料材料在航天領域的應用

碳纖維是把有機纖維進行碳化和石墨化處理后而獲得的微晶石墨型材料。其中在航空上主要應用到的是由碳纖維與環氧樹脂結合形成的復合材料，它具有比重小、強度高、剛性好、密度低、非氧化的條件下能耐超高溫以及X射線的透過性很好等優勢。在航天器構建的制作中得到廣泛的應用，在應用中可以減輕航天器的重量，這樣每減輕1公斤，運載火箭就可以減輕500公斤。因此，這種材料的應用大大減輕了航天器的負擔。譬如美國航天飛機的3只火箭推進器關鍵部件以及先進的MX導彈發射管等構件，都是利用碳纖維的復合材料制作的。

5 紡織材料在航空領域的應用

紡織材料在航空領域主要應用于降落傘、以及航天員的個體防護裝備等方面。主要的纖維材料有天然的纖維如棉、蠶絲以及麻等；滌綸、芳綸、錦綸和高強度聚乙烯等材料。其中這些材料都具有密度小、抗老化、防輻射、耐高溫、拉伸率高、防水、保溫等優勢，這樣的材料用來制作降落傘、航天員個體裝備可以幫助航天員有效的適應太空高輻射等環境，同時能夠起到很好的保護作用。其中在降落傘、航天員的個體裝備主要應用的就是錦綸、芳綸以及高強度的聚乙烯材料。

6 結論

航空航天工業對技術要求非常高，雖然其風險和投入都較高，但是也具備巨大的經濟效益，也體現了其重大的軍事價值。我國作為航天工業大國，有必要承擔起提供高性能纖維及其復合材料的重任。加大對高技術纖維材料的開發與利用，制造出更多品種、性能更好的材料，并廣泛的應用于航天、軍事領域，并通過突破技術障礙、提高材料的應用性來實行大規模生產與應用，形成材料的市場化。這樣不僅能夠促進我國航天領域和軍事領域的發展，同時能夠解決原材料短缺的問題，在一定程度上能夠帶來很大的經濟效益，促進經濟的發展。因此，今后要加大對高技術纖維材料的研發并廣泛應用于航天等領域，為航天事業做貢獻。

參考文獻

[1]蘆長椿.從戰略性新興產業看纖維產業的發展（三）高性能纖維材料在航空航天領域的應用[J].紡織導報，2012，7.

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一、應充分認識到兩種粒子物質的量換算關系的計算價值

大家都知道初中化學計算以質量為中心，高中應構建以物質的量為中心的計算體系。物質的量在高中化學計算中的中心地位體現在哪些方面呢？我認為主要體現在兩個方面：首先體現在物質的量處于同一種粒子不同量換算關系網絡的中心，這是大家所熟知的；其次體現在物質的量之比是兩種粒子各種換算關系的中心。即兩種粒子的換算關系無論是同種量之比，如質量之比、氣體體積之比（同溫同壓下）以及溶質與對應離子的物質的量濃度之比（同一溶液中）等，還是不同種量之比，如物質的量與質量之比、質量與氣體體積（標準狀況）之比，等等，都可以在物質的量之比基礎上推算得出。同時，由于物質的量之比在既定兩種粒子的各種換算關系中數值最小、計算最便捷，導致物質的量之比成為換算關系運用的主流形式。高中化學計算究其本質主要是兩種不同粒子之間的計算，正確構建兩種粒子的量關系是進行兩種不同粒子量之間換算的橋梁和關鍵。由此可見，正確構建兩種粒子（或物質）之間物質的量換算關系在化學計算中起著至關重要的作用。

二、掌握構建兩種粒子物質的量換算關系的基本方法

在人教版初中化學中，化學式和化學方程式的定量意義可用微觀粒子個數和宏觀質量兩種量揭示。實際計算中，沒有單純利用粒子個數關系進行的計算，主要是依據化學式和化學方程式中蘊藏的兩種粒子質量關系進行的計算。但提取出粒子個數關系是推算質量關系的基礎和必經之路（事實上物質的量關系在其中起橋梁作用）。由此可見，有關化學式和化學方程式的計算雖然用到的是質量關系，但離不開粒子個數關系的奠基。

中學化學計算體系中，計量粒子數目多少的方式有兩種：一種是以單個的方式來計量叫粒子個數，習慣上稱為粒子數；另一種是以集合體的方式來計量叫物質的量，并且兩者之間存在固定的換算關系即阿伏加德羅常數。由此可知，在一定情形下如化學式或化學方程式等一定時，只要同時采用相同的計量方式，其中任意兩種不同粒子的數目關系就一定，即在一定情形下，任意兩種不同粒子的粒子個數之比等于物質的量之比。而平時從定量的角度認識物質的構成及其發生的化學變化，往往從微觀粒子之間的個數關系著手，并且在微粒之間的多種量關系中個數關系涉及的知識最基礎、數據最簡單、得出最方便。因此，首先從化學式或化學方程式等條件中提取出粒子個數關系，進而轉化為物質的量關系，是構建兩種粒子物質的量換算關系的基本方法和主要途徑。

三、精心設計構建兩種粒子物質的量換算關系的起始形成教學

1. 起始形成教學中存在的問題

無論是從人教版、蘇教版和魯教版這三種新教材的編排來看，還是從實際教學的安排來看，關于兩種不同粒子的個數之比等于物質的量之比這一結論的起始形成與運用教學，基本上都安排在“阿伏加德羅常數”之后、“摩爾質量”之前，而且都是以化學式作為研究對象，即本質上把物質的量應用于化學式的計算教學作為粒子個數之比等于物質的量之比這一結論的起始教學。但從實際教學過程與效果來看，這部分教學內容的選擇、組織以及安排等方面還存在不少問題，致使教學效果不夠理想。那么現行物質的量應用于化學式的計算教學究竟存在哪些問題？經歸納后得出問題主要有：

（1）物質的量應用于化學式計算的教學隱性化

很多教師把物質的量應用于化學式的計算教學，與物質的量與粒子個數的換算教學混雜在一起，并隱藏于其中，導致為形成物質的量與粒子個數換算公式所舉的例證類型不單一，嚴重干擾了物質的量與粒子個數換算公式的自然生成。同時由于物質的量應用于化學式的計算教學環節沒有在教學中單列凸顯，導致學生對物質的量應用于化學式的計算內容認識模糊、膚淺。

（2）忽視結論的起始形成教學

有的教師把由物質的量與粒子個數換算公式推導出的粒子個數之比等于物質的量之比（同種粒子），直接用于化學式的計算（不同種粒子之間），學生感到非常突兀。缺失結論粒子個數之比等于物質的量之比的形成教學，必然致使學生對結論缺乏透徹全面的理解，運用難以靈活自如。事實上物質的量用于化學式的計算依據雖然表述與前者相同，但形成過程以及適用范圍是不同的。

2. 立足教材解決問題的方法

那么立足教材現狀如何解決實際教學存在的主要問題呢？筆者認為，應把物質的量應用于化學式的計算教學，與物質的量應用于化學方程式的計算教學同等對待，進行主題顯性化教學。這樣做不僅可有效解決問題，而且可促進相關計算整體教學效果的提升。具體做法如下。

（1）通過比較吃透教材

如果圍繞研究主題對三種教材先逐一分析再進行比較將發現，盡管三種教材正文對物質的量應用于化學式的計算內容處理方式與編排內容各不相同，如蘇教版凸顯結論粒子個數比等于物質的量比在化學式計算中的應用，魯教版凸顯結論粒子個數比等于物質的量比的形成過程，人教版保持了老教材原有省略的做法；但共同點是正文末尾的習題中都安排了相關習題。這些事實充分說明了三種教材都一致認為物質的量應用于化學式計算教學的必要性和重要性。事實上，物質的量應用于化學式的計算與物質的量應用于化學方程式的計算同等重要，兩者是高中化學計算中的兩種重要的基礎性計算類型。

（2）運用整合設計教學

如何進行物質的量應用于化學式計算的起始教學呢？由于單一粒子物質的量與粒子個數的換算與物質的量應用于化學式的計算是兩類不同的計算，宜應采用先分類后綜合的教學策略。分類教學顯然先單一粒子物質的量與粒子個數換算后物質的量應用于化學式的計算。下面就圍繞物質的量應用于化學式計算的起始教學設計這一主題將自己實踐與思考介紹如下。

①從物質的量的視角認識化學式結論的形成教學

從三種教材的編排來看，只有魯教版呈現了引導學生從物質的量視角認識化學式獲取新認識的過程。魯教版旨在用“圖”引導學生運用剛學的物質的量與粒子個數的換算關系，以及初三所學化學式的微觀定量意義，通過自主、探究和合作的學習方式解決問題。但“圖”中由于采用了3個可逆符號，導致推導線路思路不明確、難分辨。為此，實際教學時，筆者將“圖”中可逆符號換成單向箭頭符號，并將水分子個數由已知還原為未知。改進后的“圖”為：

不難看出，改進后的“圖”較原圖問題指向明確，解決問題線路清晰。然而實際教學中如何用“圖”效果好呢？教學實踐表明，教學中可先不提供“圖”，而讓學生充分思考：1molH2O中有多少mol的H，多少mol的O？當獨立想到上“圖”思路的學生介紹后，再投影改進后的“圖”。這樣做能有效激活學生的思維，更好地落實新課程理念。同時教師逐步板書：

H2O——2H——O

粒子個數之比 1 ∶ 2 ∶ 1

物質的量之比 1mol ∶ 2mol ∶1mol

引導學生得出結論：對于任意兩種粒子，粒子個數之比等于物質的量之比。

②結論的應用教學

化學式主要包含共價分子的分子式，離子化合物的化學式以及復雜離子的離子符號等。物質的量應用于化學式計算的基本類型，從已知與未知粒子的大小差異來細分，主要包括由大粒子（整體）求小粒子（部分）和由小粒子（部分）反求大粒子（整體）兩種涉及物質的量計算的類型。為了提高結論應用教學的有效性，必須加強練習選擇的針對性和組織的層次性。具體習題分層安排如下：

題組I（運用化學式中任意兩種粒子個數比等于物質的量比的計算）

⒈5mol CO2含有 mol C， mol O。

⒉把1mol Al2（SO4）3溶解于水后，溶液中有

mol Al3+，有 mol ■。

⒊ mol Fe3O4中含有1mol O，含有 mol Fe。

題組II（運用同種粒子物質的量與粒子個數換算關系以及化學式中任意兩種粒子個數比等于物質的量比的綜合計算）

⒈1mol NaCl中的氯離子數 。

⒉1mol H2SO4中的氧原子數 。

⒊0.1mol ■中含有 N，含有 個H。

⒋ mol Al2O3中含有6.02×1023個Al原子。

題組III（依據粒子個數比等于物質的量比運用化歸方法的計算）

⒈3mol O2和2mol O3中分子個數比是 ，原子個數比是 。

⒉5mol O2、1mol N2、2mol H2中含分子數由大到小的順序是 。

⒊ mol CO2中含有的氧原子數跟1.806×1024個H2O分子中含有的氧原子數相同。

這里只是物質的量應用于化學式計算的起始教學，事實上物質的量應用于化學式的計算以及結論粒子個數之比等于物質的量之比應用范圍都很廣，為提高計算教學的整體效果，應采用整體規劃統籌安排分步實施的策略。

四、充分重視兩種粒子物質的量換算關系構建方法的訓練環節

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關鍵詞：路面水泥混凝土配合比設計優化

中圖分類號：TV331文獻標識碼： A

路面水泥混凝土配合比設計具體指混凝土材料間比例的關系，一般以每立方米的混凝土內材料質量表示，有時以材料實際用量比例來表示，一般將水泥比例設計為1。在水泥混凝土進行配合比設計試驗時，通過假定的公式和密度，通過多次反復的試驗和調整，直到選出最佳的配合比，方可在實際路面施工時使用。路面施工應用水泥混凝土既需要混凝土有著極強的抗壓強度，還要有極強的抗折強度，要保持干縮性小與耐久性強的優勢?，F階段，我國路面施工一般使用抗壓強度作為混凝土設計施工的技術指標。很多城市的路面板厚計算是按照抗折的強度進行的，所以，一定要進行適當的混凝土配合比，才能使路面抗折強度的指標設計更合理。

一、路面水泥混凝土配比設計的試驗

1、混凝土強度的試配

為了更好的實現混凝土的抗折強度和耐久性，使路面施工具有簡便的操作，使施工成本有效的節約，可以對水灰比和單位用水量、含砂率等參數進行更好的計算和配比。對混凝土中的水泥和砂、摻合料等材料的實際用量，都進行配比和論述。

按照混凝土規定標號，保證混凝土強度的統計標準，對混凝土試配的強度進行計算，一般使用標準的差時：

=+（1）

=R/（1-）（2）

Λ是保證系數，一般要按照公路的等級選取，見表1。

b是強度的標準差，可以根據不同地區的實際情況進行選擇，見表2[1]。

R是路面混凝土設計的抗折強度。是一般設計中對混凝土規定的標號。

則是變異的系數，一般要按照歷史資料進行統計和計算[2]。

表1：保證率的系數

表2：混凝土的強度標準差（Mpa）

2、水灰比的試驗配比

水灰比的大小和混凝土的強度有著十分密切的關系，所以，一定要選擇適當的水灰比配比，一般計算公式為：

W/C=A+B ） (3)

A指的是系數，當骨料選擇碎石，可以取0.46的系數，如果選擇卵石，要選擇0.48的系數。

B指的是系數，當骨料選擇碎石，可以取0.52的系數，如果選擇卵石，可以取0.61的系數[3]。

指的是水泥實際施工中的抗壓強度。

3、單位用水量的影響

路面水泥混凝土用水量在施工中受很多因素的影響，石子品種和料徑、砂粗細的程度都會影響水泥混凝土的用水量，而不同材料有著不同的含水量，可以根據不同的參數進行選擇，可以更好的配比混凝土用水量，經過試驗和配比，確定混凝土實際的施工用水量。如果使用減水劑，也會影響混凝土的用水量[4]。

4、含砂率對的試驗配比

含砂率大小會直接影響混凝土工作的性能，使混凝土的強度和密度和耐久度都有很大的影響。一般集料松散的容量和石子空隙率都會影響砂率，在砂率實際的配比試驗中，要通過混凝土的砂率表進行選擇，各種精中砂和摻合料的影響都要進行有效的調整，而砂率的計算為：

=a ?(P/)×100% （4）

是砂率，而是砂密度 kg/

5、水泥和摻料的試驗配比

為了實現混凝土施工后路面的性能，可以適當在混凝土中添加活性的礦物料，設定礦物料系數為m，混凝土實際摻入的混合料就可以計算為：

M=m

在水泥混凝土的試驗配比中使用摻合料，可以有效的降低混凝土材料的成本，為企業減少工程成本，提高經濟效益，使企業的競爭力得到提高。

二、優化的路面水泥混凝土配合比設計

通過以上水泥混凝土的配合比試驗，可以看出，與傳統配合比的設計相比，優化配合比的試驗設計具有更多的優勢，主要從以下幾方面實現[5]。

1、傳統的配合經驗

根據傳統的配合經驗進行路面水泥混凝土配合比的確定，這種確定方法是使用傳統的確定方法得出的。路面水泥混凝土要實現設計要求的強度，完成規定的使用壽命，可以通過前人的總結并留下來的資料或者經驗，對水泥混凝土各分量比例進行確定。對于砂比率和水灰比都可以采用經驗查詢，表格查詢及經驗歸納得到具體的計算公式，通過計算，得出水泥混凝土各種配比的用量。而不同砂與不同的水灰都要按照不同的公式進行計算，通過對前人資料的查閱與歸納，將配合比選擇的經驗進行總結與歸納。而經驗配合比還可以進行進一步的試驗，將歸納和總結的數據進行修訂，將參數進一步完善，使水泥混凝土實現更優化的配比和施工。

2、優化后基準的配合比

基準的配合比發展于經驗配合比基礎之上，將水泥混凝土和易性作為具體的評判標準，做出配合比的確定。

工作程序可以對經驗的配合比進行配制，攪拌后，觀察混凝土流動與粘結的情況，而固定的水灰比保持參數的不變，假如試驗中流動性不夠，可以適當的增加水泥漿，粘結若不夠，可以將砂比率改變，最終使混凝土實現設計的需要。

3、按強度的配合比進行混凝土配合比的計算

實驗中的材料與實際施工中有很大的不同，大多實驗中使用的材料已經過了烘干的處理，并不像實際施工中的材料還存在很多水分，所以，在實際施工中，一定要對強度的配合比進行再次的計算和修改，才能使實際材料在計算中消除水分，而得出最終的水泥混凝土施工配合比。優化之后的水泥混凝土配合比設計的優化研究，與傳統經驗配合比相比較，具有更科學、更合理的優勢，在不同施工環境與不同負載路面，都有不同的施工要求，要進行各不相同的設計，只有這樣，才能更好的進行工程建設，保證公路質量[6]。

結束語：

綜上所述，我國公路路面在施工中需要使用大量的水泥混凝土，所以在水泥混凝土的配合比設計中，雖然有著十分復雜的操作程序，但是，為了使我國高速公路的施工質量得到保障，使高速公路可以更安全的通行，延長高速公路的使用壽命，在施工前，進行水泥混凝土的配合比設計還是十分必要的。只有按照步驟逐步的操作，進行混凝土的配合比設計，不要一味的應用前人的參數和結果，要盡量根據工程當地的具體情況，進行創新的試驗和配合比設計，才能更好的提高混凝土的安全性和可靠性。

參考文獻：

[1]李志國.試述影響水泥混凝土配合比設計的因素[J].民營科技，2010，19(4) : 261-262．

[2]房正平，王承榮.路面水泥混凝土配合比設計的優化[J].泰州職業技術學院學報，2009，9(1):63-65．

[3]林訓常，黃莉，熊明祥.水泥混凝土配合比設計探討[J].城市建設2010，12：258-259．

[4]狄吉峰.淺談路面水泥混凝土的配合比設計[J].內蒙古教育:職教版，2013，3(3):181-182.

篇(6)

關鍵詞:土壓力傳感器 匹配 誤差 有限 模擬實例 分析

中圖分類號:TP212.9 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0096-01

土壓力量測是土木工程技術中的重要內容,是土力學理論和實驗研究的一個基本方面,是工程測試中的主要內容之一。大量實際工程間題的解決,常常主要依靠現場土壓力直接的量測結果。

由于傳感器的物理和力學性質不可能完全相同,傳感器必將改變土體中原因的應力場,傳感器上感應到的應力和原有應力場有差異。這種因傳感器和介質性質差異帶來的誤差通常稱為匹配誤差。有試驗表明,這種匹配誤差可以達到實際值的一倍甚至幾倍,對試驗結果有至關重要的影響。研究土壓力傳感器在土體中的工作狀態,對傳感器的匹配誤差進行定性、定量分析,是傳感器測試技術重要一環。

本文研究土壓力傳感器在應用中的性能,主要分析土壓力傳感器對土介質中應力場的影響,并據此進行的工作誤差的分析。具體方法為:針對目前使用較多的雙膜活塞式土壓力傳感器,通過數值模擬及理論分析,了解其工作機理及性狀,確定匹配誤差較小的土壓力傳感器幾何尺寸、結構形式、模量等參數,對元件設計及使用提出有針對性的建議,并為以后的室內試驗提供有價值的參考數據。

1 匹配誤差研究方法

傳統研究方法包括理論研究和試驗研究兩方面。

1947年美國水道試驗站(WES)的泰勒(D.W.Taylor)就提出了理論公式,此后YCLoh,KRPeattic和RWSparrow對泰勒的公式進行了應用推廣,此后他們進行了自己推導。此外前蘇聯巴蘭洛夫(Д.С.Ьараноь)、美國阿寶特(P.A.Абботт)、丹麥V.Askergcard等對該問題進行了理論推導并得到一定成果。這些公式均考慮了土介質和傳感器的共同作用,可以將匹配誤差表示為與傳感器高徑比、傳感器與土介質模量比的函數。主要體現為:(1)在相同情況下,匹配誤差隨模量比增大而增大,但增大趨勢逐步趨緩,并漸趨穩定;(2)在其它因素相同情況下,匹配誤差隨厚徑比增大持續增大。

匹配問題試驗常用裝置是不同尺寸和結構的土壓箱,按應力模式分單軸和三軸兩種形式,壓力源則有靜態和動態之分。剛硬連續介質常用水泥和石膏模擬;普通土介質則方法多樣。由于各個學者方法、條件各不相同,得出的結論在定性趨勢上基本能驗證理論研究成果,但對匹配誤差的數值結論則各不相同。

隨著技術的發展,有限元技術逐漸被應用到該問題研究中。北京大學杜志斌、總參工程兵三所曾輝等人都進行了卓有成效的研究。

本文通過對雙膜活塞式土壓力傳感器的有限元模擬,對該問題進行分析,為該問題的進一步研究提供經驗和基礎。

2 雙膜活塞式土壓力傳感器工作原理

雙膜活塞式土壓力傳感器結構主要包括:承壓板、感應板、應力傳遞部分、感應電路、電纜、傳感器壁、密封裝置等。

雙模土壓力傳感器的最大特點是:剛性活塞狀感壓面板周邊支承在環狀變形膜上,當活塞板受到土介質的反力時,產生的變形主要是平移而不是撓曲。這種平移變位可以設計得很小,只要介質反力的平均數值相同,不論介質反力由于粒徑不同而產生的微觀的非均布狀態有何不同,其產生的平移變位基本相同。因此,不管外膜接觸的是什么樣的土介質,內膜總是在相同的受力模式下下產生彈性撓曲變形。同時,由于外膜變位的性質是平移,其平均變位量相對較小,這種微量的平移對接觸介質反力狀況的影響要遠比單膜盒膜片撓曲變形所產生的影響小得多。

3 傳感器有限元計算模型

由于雙膜土壓力傳感器的位移模式主要是平面平移,其撓曲變形相對于很小,因此可以將其簡化為剛性板平面位移,其位移方向與所測試壓力方向一致。為此,將其簡化為兩塊橫向剛性板中間用垂向彈簧連接的情況,由于土壓力傳感器為圓形,因此將其轉化為軸對稱模型。

在采用的數值模擬軟件中,彈簧單元只能施加在節點之間。由于劃分網格時上下鋼板在直徑方向為平均劃分,因此彈簧單元也在直徑方向平均分布,在軸對稱節點之間即為徑向等距分布的彈簧單元。在彈簧單元等間距取等剛度的情況下,由于外部彈簧間距之間代表的圓環面積更大,因此邊緣將會出現比中心更大的垂向變形。

計算中將該模型放在土體中,軸對稱模型尺寸為0.5m×1.0m,避免邊界效應對計算結果的影響。

4 計算結果分析

根據經驗,傳感器匹配誤差與土體與傳感器模量比、傳感器高徑比等因素密切相關。因此主要驗證兩者對匹配誤差的影響。

4.1 介質/傳感器模量比對匹配誤差的影響

變換土壓力傳感器與土體模量比(Eg/Es)進行計算,模量比按0.03、0.1、0.3、1、5、10、30、100選取,共8組。標準荷載取為200kPa,土壓力傳感器尺寸為直徑18cm,高2.5cm,上下剛性板厚度取為5mm,中間彈簧初始長度為15mm。

計算結果表明:(1)當Eg/Es1時匹配誤差范圍大于0;(2)當其它條件固定時,匹配誤差隨Eg/Es呈正相關:Eg/Es

4.2 傳感器高徑比比對匹配誤差的影響

計算方法類似模量比變化計算。根據計算結果得到高徑比變化時的匹配誤差分布曲線,并與應用較廣的巴蘭洛夫公式進行比較。根據傳感器高徑比變化情況下的計算,可以得到以下規律:(1)隨傳感器的高徑比增大,其匹配誤差絕對值相應增大;(2)Eg/Es遠小于1時傳感器匹配誤差隨高徑比增大非線性增大;模量比為10時傳感器匹配誤差變化隨隨高徑比增大基本呈線性增大。

5 結語

(1)計算結果基本符合經典理論趨勢和實際使用經驗。證實了用有限元方法模擬該類型傳感器的可行性。

(2)在相同的傳感器模型和模量比下,兩種不同參數土介質中傳感器匹配誤差不同。經典理論中也有認為匹配誤差與土介質其他性質有關的,比如阿寶特公式、泰勒公式都考慮了土介質的強度參數。該問題值得繼續研究。

參考文獻

[1] 張勝利.土壓力傳感器與土介質相互作用特性分析[D].西南交通大學碩士學位論文,2010.

[2] 劉寶有.土壓力傳感器國外理論和試驗研究概況[J].傳感器技術,1988(2):48～50.

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【關鍵詞】 脫鈣骨基質顆粒

關鍵詞: 脫鈣骨基質顆粒;骨水泥;生物力學;犬 中圖號:R687.3 文獻標識碼:A

摘 要:目的 研究不同質量比的犬脫鈣骨基質顆粒骨水泥復合材料的生物力學性能，為臨床應用該復合材料修復骨缺損提供理論依據. 方法 按Urist等方法制備犬脫鈣骨基質顆粒后，再與骨水泥混合制成含骨粒質量比為0，400，500和600mg?g-1 的脫鈣骨基質顆粒骨水泥復合材料，對其抗壓極限強度、抗彎極限強度、抗扭轉極限強度進行測定. 結果 含脫鈣骨基質顆粒質量比為0，400，500和600mg?g-1 的復合材料的抗壓極限強度分別為（81.0±3.0），（50.4±5.9），（48.8±2.0）和（33.8±3.6）MPa;抗彎極限強度分別為（65.3±6.7），（42.9±8.1），（37.2±2.9）和（25.0±2.4）MPa;抗扭轉極限強度分別為（35.5±0.8），（16.3±2.2），（13.1±2.0）和（8.0±1.4）MPa. 結論 犬脫鈣骨基質顆粒骨水泥復合材料具有良好的生物力學性能，易于塑形，能根據需要適應不同部位骨缺損的要求，其中含骨粒質量比為500mg?g

-1 的復合材料生物力學性能及骨誘導活性最為適宜，能作為支架材料有效地修復大塊骨缺損.

Keywords:decalcified bone matrix;bone cement;biome-chanics;dogs

Abstract:AIM To study biomechanical properties of differ-ent mass ratio materials impregnated decalcified bone matrix（DBM）with bone cement（BC）in dogs，and seek some soli-dified processes to repair bone defects with the compound material.METHODS The DBM particles and the materials im-pregnated0，400，500，600mg?g

-1 mass ratio DBM parti-cles with BC were made according to the methods of Urist.The compound material compressive strength，bending strength and torsional strength were measured.RESULTS In the compound materials，the ultimate compressive strengths were（81.0±3.0）MPa for0mg?g-1 DBM，（50.4±5.9）MPa for400mg?g-1 ，（48.8±2.0）MPa for500mg?g-1 ，（33.8±3.6）MPa for600mg?g-1 .The ulti-mate bending strengths were（65.3±6.7）MPa for0mg?g-1 DBM，（42.9±8.1）MPa for400mg?g-1 ，（37.2±2.9）MPa for500mg?g-1 ，（25.0±2.4）MPa for600mg?g-1 .The ultimate torsional strengths were（35.5±0.8）MPa for0mg?g-1 DBM，（16.3±2.2）MPa for400mg?g-1 ，（13.1±2.0）MPa for500mg?g-1 ，（8.0±1.4）MPa for600mg?g-1 .CONCLUSION DBM impregnated with BC has better biomechanical properties and perfect plastic property，which could be used to repair large bone defects when it con-tains DBM of500mg?g-1 .

0 引言

研制理想的人工生物材料作為骨移植替代材料用于修復骨缺損，是當前骨科領域研究的主要課題之一.脫鈣骨基質顆粒（decalcified bone matrix，DBM）用于骨缺損的修復臨床上已多有報道［1-3］ ，由于DBM中含有骨形成蛋白而具有誘導成骨作用，但卻因礦鹽被去除，只留下有機部分骨基質，造成機械強度下降，不能承受應力，因此無法替代骨骼負重功能.骨水泥（bone cement，BC）是一種高分子聚合物，具有一定的生物力學強度，臨床上早已被用作人工關節固定材料及骨缺損充填材料［4，5］ ，但單純骨水泥填充骨缺損為機械填充，材料不能降解，且與骨界面間存在力學差異等缺陷.為使骨缺損修復材料有較好的生物力學性能，具備良好的骨傳導和骨誘導能力，我們將犬脫鈣骨基質顆粒與骨水泥按一定的比例復合制成生物性復合材料用于骨缺損的修復.我們報道這種復合材料的生物力學性能，為復合材料在臨床的應用提供一定的科學依據.

1 材料和方法

1.1 材料

犬脫鈣骨基質顆粒骨水泥復合材料的制備按Urist等［6］ 方法，取健康雜種家犬的四肢長骨，去除骨髓及軟組織，砸成碎片，流水沖洗4～5h，用5倍于骨片體積的無水乙醇脫水2h，乙醚脫脂1h，室溫下干燥過夜后置-80℃冰柜凍存，取出后用磨碎機將骨片粉碎研磨成骨粒，分樣篩過篩篩取直徑400～800μm的骨粒.骨粒室溫下用0.5mol?L-1 鹽酸脫鈣3h（按1g骨粒比50mL鹽酸），脫鈣后骨粒流水沖洗2h，再用5倍于骨粒體積的無水乙醇浸泡1h，乙醚浸泡30min后通風處干燥過夜，制得脫鈣骨基質顆粒.將脫鈣骨基質顆粒與適量的骨水泥均勻混合，制備成含脫鈣骨基質顆粒質量比分別為0，400，500和600mg?g-1 的復合材料，待骨水泥呈面團狀時立即用力塞入5mL的注射器針筒內，并用最大力量推壓以使復合材料在針筒內緊密接觸，待復合材料聚合定型后取出，即制成含不同質量比的脫鈣骨基質顆粒骨水泥復合材料樣本（骨水泥為天津合成材料工業研究所研制）.生物力學測試樣本［7］ 標準抗壓試件為直徑d=12mm，高度h=24mm的圓柱體，含0，400，500和600mg?g-1 質量比骨粒的不同試件各10個，另截取犬的新鮮股骨標本10個，用砂輪磨平加工成直徑d=12mm，高度h=30mm的圓柱體，所有試件兩端光滑平整，上下同心.標準抗彎試件為直徑d=12mm，長度L=60mm的圓柱體，含0，400，500和600mg?g-1 質量比骨粒的不同試件各10個，另截取犬的新鮮股骨標本10個，用砂輪磨平加工成直徑d=12mm，長度L=80mm的圓柱體.標準抗扭轉試件為直徑d=12mm，長度L=60mm的圓柱體，含0，400，500和600mg?g-1 質量比骨粒的不同試件各10個，另截取犬的新鮮股骨標本10個，用砂輪磨平加工成直徑d=12mm，長度L=80mm的圓柱體.

1.2 方法

1.2.1 壓縮試驗

在材料力學綜合試驗臺上，用生物力學測試裝置進行測定.該裝置由加載部分、壓力和位移傳感器、動態應變儀、微型計算機自動記錄系統組成，試樣測定時統一加載速度為5mm?min-1 .將抗壓試件依次放在試驗臺上，對其施加壓縮載荷，直至試件破壞，記下試件破壞時的載荷并算出抗壓極限強度.

1.2.2 三點彎曲試驗

將抗彎試件置放于綜合試驗臺上，試件跨距為40mm，在其中點加載，直至試件 破壞，記錄試件破壞時的載荷并計算抗彎極限強度.

1.2.3 扭轉試驗

在扭轉試驗機上，用專用夾具將抗扭轉試件的兩端分別裝于扭轉試驗機的固定夾頭和活動夾頭中，對其施加扭矩，加載速度為120°?min-1 ，記錄試件破壞時的載荷并算出扭轉極限強度.

2 結果

經統計學分析，復合材料中含DBM骨粒為400，500和600mg?g-1 的生物力學性能均低于犬正常股骨組及骨水泥組（P

3 討論

理想的骨移植材料應具備:①良好的生物相容性;②較強的力學性能;③有誘導成骨作用;④能夠被吸收替代;⑤有良好的賦形性.DBM骨粒作為生物性骨缺損修復材料，在體內能被吸收替代，又具有成骨誘導活性，是骨缺損修復的最佳替代材料，但DBM骨粒本身不具備支撐能力，因此不宜用于修復承重長骨.骨水泥作為粘接賦形劑，易于塑形，有一定的力學性能，植入骨內起到鑲嵌固定作用.我們將DBM骨粒與骨水泥按一定比例均勻復合，制成復合生物性修復材料，探索一條修復大塊骨缺損的可行途徑.

骨的生長及骨小梁的構建是根據Wolff定律，按機體生長的需要的應力分布排列，因此骨的生物力學特性較為復雜.修復骨缺損不僅要恢復骨形態的連續，更重要的是重建骨的支撐功能.這就要求骨移植材料的生物力學性能應達到正常皮質骨的力學性能，而不同的部位和不同程度的骨缺損修復要求不盡相同.本組實驗中復合材料的生物力學性能低于犬正常股骨組，提示應用復合材料修復承重長骨骨缺損時，肢體應在保護下負重以分散部分載荷.在復合材料中隨DBM骨粒所占的質量比增加，材料的抗壓極限強度、抗彎極限強度和抗扭轉極限強度均呈下降趨勢，這是因隨材料中DBM骨粒增加，材料間的孔隙及通道增多，造成材料的生物力學性能下降.我們既往在制作復合材料標準試件時［8］ ，模具中的材料不予加壓使成自然裂隙狀態下測定試件的生物力學性能，其結果為BC的抗壓極限強度為（59.3±2.2）MPa、抗彎極限強度為（64.3±3.7）MPa;含DBM骨粒400mg?g-1 組的抗壓極限強度為（19.3±1.6）MPa、抗彎極限強度為（13.3±1.4）MPa.與模具中材料盡量加壓塞緊后測定的力學性能（Tab1）有顯著差異.提示臨床上修復骨缺損填入復合材料時應盡量加壓塞緊，以減少骨粒間的裂隙，便于提高復合材料的機械強度.

含骨粒為400mg?g-1 組及500mg?g-1 組的生物力學性能均高于600mg?g-1 組，P

由于復合材料具有一定的孔隙和較強的生物力學性能，它在修復骨缺損時可作為支架發揮骨傳導作用，又因DBM骨粒具有誘導成骨活性，故此種生物源性復合材料有可能成為很有發展前景的骨移植替代材料.我們在動物實驗的基礎上［9］ ，已將復合材料應用于臨床治療腫瘤性骨缺損和長骨大段骨缺損，取得了令人鼓舞的療效［10，11］ ，但其材料在體內的力學性能及吸收降解等問題尚有待于進一步研究.

致 謝 數據的統計學處理得到本校統計學教研室尚 磊的指導.

參考文獻

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