第一篇：水工結構抗災理論及應用
淺談水利抗災減災
[摘 要]: 本文根據水利工程安全工作的長期實踐和研究，論述了水利抗災減災的重要性；論述了水利安全工作以人為本，加強管理、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，闡述了新世紀中國的水利抗災減災工作應立足于社會、經 濟、環(huán)境的協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展。
[關鍵詞]：水利工程；抗災減災；可持續(xù)發(fā)展
1.前言
水利是現代農業(yè)建設不可或缺的首要條件，足經濟社會發(fā)展不可替代的基礎支撐，是生態(tài)環(huán)境改善不可分割的保障系統(tǒng)，具有很強的公益性、基礎性、戰(zhàn)略性。加快水利改革發(fā)展不僅事關農業(yè)農村發(fā)展，而且事關經濟社會發(fā)展全局；不僅關系到防洪安全、供水安全、糧食安全，而且關系到經濟安全、生態(tài)安全、國家安全水利具有很強的公益性質，從一定意義上說是一種公共產品，不僅關系到經濟社會發(fā)展，而且關系到人民群眾的生產生活和生命安全。因此，在大力加強水利建設的過程中，必須采取綜合措施，提高水利的防災減災能力，確保廣大人民群眾的生命財產安全。
2.我國水利抗災進程
新中國成立以來，人民政府領導全國人民進行了大規(guī)模的水利水電建設，取得了舉世矚目的偉大成就。截止1999年底，全國累計建成水庫大壩8.6萬多座,3其數量居世界首位；因此而形成的水庫總庫容達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7927萬k W。水利水電建設為保障國家的經濟發(fā)展和社會進步發(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，甚至數億方庫水在幾小時，甚至幾十分鐘內，奔騰而下，形成數米高，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產、生存及發(fā)展環(huán)境造成毀滅性的災害。1963年8月上旬，當海河出現特大洪水時，水庫大壩沖毀319座，其中中型水庫5座，死亡人數達 1464人，財產損失約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，財產損失約100億元，生態(tài)環(huán)境也遭到嚴重破壞。據統(tǒng)計，我國至今約3000座壩垮壩失事，潰壩率達 3 ．5 ％，高于世界平均潰壩率。因此，大壩急需加強管理。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。對部屬水電站(國務院體制改革后，國家經貿委授權對全 國電力系統(tǒng))大壩安全工作進行規(guī)劃、監(jiān)督、指導和服務。“ 安全第一，預防為主”是大壩安全管理的基本方針。根據這一方針，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．水利抗災減災的措施
3.1積極運用傳感技術和傳感網預防洪水、滑坡、泥石流等災害
隨著信息網絡技術應用的不斷深人，集信息獲取、數據傳輸與處理、智能決策于一 身的新興傳感技術和傳感網，在防災減災中得到了日益廣泛的應用。發(fā)達同家利用傳感 網進行防災減災起步早，很多同家已經形成了準確獲取災害信息、及時發(fā)布災害信息和應急處置聯(lián)動的快速反應機制，取得了顯著成果。比如，在洪水監(jiān)測預警方面，日本已經建立了高密度的地面自動監(jiān)測網站。在200 km左右的小流域設置水文觀測站點就達4 0多個，對及時發(fā)現小范圍洪水災害并及時通知人員避險發(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密度的地面自動監(jiān)測站網和高頻次衛(wèi)星對 地觀測相結合的模式進行水文監(jiān)測。在滑坡、泥石流監(jiān)測預警方面，日本建立了災害多發(fā)地區(qū)泥石流預警系統(tǒng)，通過上游泥石流形成區(qū)降雨資料的統(tǒng)計分析和比較判別，確定臨界雨量報警線，并自動發(fā)出報警信號。美國1985年就在舊金山灣地區(qū)建立了滑坡泥石流預警系統(tǒng)，運川地面伸縮儀、傾斜儀、地聲監(jiān)測儀、地下水壓力傳感器和雨量計等進行實時監(jiān)測。
我國是世界上自然災害最嚴重的國家之一，近年來頻繁發(fā)生的洪水、泥石流、滑坡等自然災害給人民群眾生命財產造成重大損火。由于資金、技術等原因，多年來，我預防洪水、泥石流、滑坡等自然災害方面一直注重傳統(tǒng)的“群測群防 ”。以人丁巡視巡查為主，雖然也取得了很大成效，但由于技術手段比較落后，在夜晚或惡劣大氣時很難取得準確的觀測結果，從而在災害險情出現時及時通知災區(qū)居民的難度較大。極易錯失預警時機，巡視巡查人員的自身安全也受到威脅。近年，我同積極運用傳感網防災減災,但從總體上看，與發(fā)達同家仍有較大差距，存在一些有待解決的問題。比如，在水情監(jiān)測方面我國水文站網大部分分布住較大河流和大型水庫，而中小河流站點極少，特別是在洪災害多發(fā)區(qū)，捕捉突發(fā)性暴雨山洪第一于實測信息的能力史差。這種狀況難以適應日益嚴峻的防災減災形勢。有關研究表明，防災減災傳感網建設所需的資金投入遠遠小于由于災害預警預報不及時所造成的財產損失和救災重建費用。因此、在“ 十二五” 期間，應制定和完善有關政策措施，盡快推廣普及傳感技術和傳感網在預防洪水和滑坡、泥石流等災害方面的應用。應在科學規(guī)劃、合力布局、改造原有網站和建設新網站齊頭并進的基礎上，增加傳感網建設投入，簡化項目審批程序，加快建設進度，推動動我科技防災減 災能力實現跨越式提升。同時，應完善有關法律法規(guī)。明確地方政府相關職責，增加人力、技術、管理等方面專項經費，以保障傳感觀測站點的日常維護和傳感網的運行質量。
3.2開展廣泛而持久的安全教育
依法治壩、科學防災，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、科學防災深入人心，就需要對大壩運行管理人員進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。堅持每年汛前召開水電站防汛和大壩安全工作會議，宣傳防汛和大壩安全工作意義，總結和交流上一年防汛經驗，分析當前防汛形勢，落實責任制，落實防汛任務和要求。大壩安全培訓是大壩安全教育的重要形式，根據我國電力系統(tǒng)現階段 的管理格局，大壩安全培訓采用三級培訓。
采用請進來和走出去的辦法，加強了與國外的技術交流，學習國外先進管理技術。1 9 9 2年，在杭州舉辦了大壩安全監(jiān)測技術國際學術會議，1999年，又在三峽舉辦了大壩安全監(jiān)測技術國際學術會議。為了普及和交流大壩安全科學
知識，成立大壩安全監(jiān)測信息網。現有教育、科研、設計、施工、儀器廠家、管理部門、運行單位等近2 0 0家參加。每年開展活動，進行多學科交流 ；成立水力發(fā)電工程學會下的大壩安全管理專業(yè)委員會和大壩安 全監(jiān)測專業(yè)委員會，開展科學普及和信息交流工作。
3.3持續(xù)不斷地開展安全檢查
安全檢查是及時發(fā)現大壩安全隱患的一項重要手段，與儀器監(jiān)測相輔相成。通過安全檢查可以及時發(fā)現大壩一些異常現象，如裂縫產生，新增滲漏點，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)測常常反映不出來；并且，當前儀器是采用單點監(jiān)測的方法，很難做到監(jiān)測部位恰恰是大壩出事地點，如美國1971年提堂壩失事，當時在右岸的一個窄斷層 突然發(fā)生管涌，不到6h就造成垮壩，而監(jiān)測儀器對此卻沒有記錄。據捷克斯洛伐克和法國統(tǒng)計大壩7 0％的老化現象和異常現象是由有經驗的技術人員在現場檢查 中發(fā)觀的。我國柘溪和梅山大壩出現險情，也是在現場檢查中發(fā)現的。因此，只有儀器監(jiān)測是不夠的，必須同時開展安全檢查。根據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強化法制建設推行依法治壩
大壩安全管理工作千頭萬緒，抓制度、抓法治是根本。國家提出實行依法治國，建立社全主義法治國家，這一治國方略落實到大壩安全管理上，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》對大壩安全管理內容、工作程序、要求都做了規(guī)定，特別是明確了防災減災主體，明確了生態(tài)市場經濟主體，明確了大壩安全責任制。根據“誰管的水電站，誰承擔大壩安全責任” 的原則，規(guī)定了電力系統(tǒng)各級管理機構在大壩安全管理中的責任，規(guī)定了勘測、設計、施工、監(jiān)理等參加水電站大壩建設單位對大壩安全應負的責任，也規(guī)定了政府 的責任。它是中國現階段工程建設的管理體制和大壩安全工作機制的反映。當大壩安全責任 制在行政法規(guī)上作出規(guī)定后，使一級管一級，一級抓一級更具確定性、權威性和嚴肅性，這非常有利于大壩安全管理工作的開展。
3.5實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，進一步做好水利安全工作
新世紀中國的水利建設將立足于社會、經濟、環(huán)境的協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展，這也是時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，保護和改善人民居住環(huán)境，提供優(yōu)質的電力，管好大壩，責無旁貸。實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，安全工作是重要 內容之一。
4.結語
水利工程安全工作至關重要，它涉及到千百萬人民生命財產的安全、國民經濟的發(fā)展和社會的穩(wěn)定，是全社會所關心的公共安全問題，責任重于泰山。因此，做好水利的防災減災工作是必要與刻不容緩的。水利防災減災工作取得了很多成功，也面臨很多困難和挑戰(zhàn)，等待著我們去解決。水利防災減災能力的提高是我們持續(xù)面臨的一個問題，我們在吸收引進消化創(chuàng)新方面已經取得了很大成效，更好的服務于我國的水利事業(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：現代機械強度理論及應用
關于鋼絲繩的疲勞斷裂綜述
課程：現代機械強度理論及應用姓名：學號：專業(yè)：機械工程
關于鋼絲繩的疲勞斷裂綜述
摘要
本文主要是對國內關于鋼絲繩疲勞斷裂問題研究的報告論文進行綜述性的的總結，主要是關于鋼絲繩在材料選擇，加工工藝，熱處理，表面磨損，疲勞強度等方向上的國內論文進行綜述性的總結歸納，以更好的了解國內對鋼絲繩疲勞斷裂問題的研究進展。
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
關鍵字 疲勞斷裂、磨損、引言
鋼絲繩是一種柔性空間螺旋結構鋼制品，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，其承載力和強度較高，且具有柔軟性和吸收阻尼等優(yōu)點，被廣泛應用于礦山機械、航空航天、機械加工、建筑施工、橋梁建設和交通通訊等領域，其安全與否直接影響到各行業(yè)的安全生產使用和經濟問題。例如，電梯鋼絲繩安全與否是保障電梯安全運行的重要因素，直接影響到人流的運輸甚至危及生命，所以在對電梯進行安全檢測時，應將電梯鋼絲繩的安全檢測作為核心部分;起重機用鋼絲繩一般用來懸吊重物并傳遞動力，其安全性是人們長期以來一直關心的問題;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系到纜車的安全性能;礦井提升鋼絲繩擔負著提升煤炭、升降人員和下放材料等重要任務，是維系井下和地面的主要運輸工具，在整個煤礦生產中占有非常重要的地位，其可靠性直接關系到礦井正常生產和人員生命安全，一旦出現鋼絲繩斷裂，輕則財產損失，重則井毀人亡，造成重大事故。
目前，國內對鋼絲繩的研究已經十分豐富，研究手段也越來先進，比如，應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張。運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行綜述。
一、國內狀況
1.微動磨損對疲勞斷裂的影響
張德坤等采用拉-拉疲勞試驗并在顯微鏡下觀察微動磨損導致鋼絲繩磨損深度與橫截面積損失對疲勞強度的影響。得到了疲勞試驗中軸向應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論。證明在微動磨損中疲勞強度與軸向應變關系不大，疲勞壽命減小的主要原因是:隨著時間的增加微動磨損缺口處磨損深度不斷增加應力集中現象嚴重，使缺口深度進一步增加并向周圍擴散形成裂紋源，隨著施加應力裂紋進一步擴散造成大量橫截面積損失致使疲勞強度下降超過其斷裂強度導致材料斷裂。
2.小直徑鋼絲繩的軸向疲勞特征分析
王春暉等通過運用合聲發(fā)射技術與顯微分析手段對小直徑鋼絲繩進行疲勞斷裂分析畫出其S-N曲線。發(fā)現：以第六根鋼絲斷裂為準，第一根斷絲與第二根斷絲斷絲時間間隔較長而后三根斷絲時間間隔較短且后斷絲所受載荷大小對其壽命影響不明顯。當疲勞載荷降低到某一值時后三根鋼絲幾乎同時斷裂而繼續(xù)下降則疲勞壽命又極大增長。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雜組合體，絲與絲之間股與股之間在運作過程中存在接觸應力，摩擦應力以及微動磨損導致其疲勞失效原因十分復雜。同時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與金相分析研究發(fā)現：在同一截面斷裂處磨損一側有白亮層其為馬氏體組織，而未磨損一側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轉過程中由于潤滑不良而產生極大的摩擦使鋼絲繩表面產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度。
4.鋼絲繩的外觀缺陷對其疲勞強度的影響
徐濤通過實驗發(fā)現鋼絲繩表面損傷，腐蝕，斷絲與鋼絲交錯對鋼絲繩疲勞強度都有影響，首先繩股松弛不均一般其疲勞強度與正常鋼絲繩無異，但其會使鋼絲繩更易于與滑輪發(fā)生摩擦導致其疲勞強度下降。銹蝕與表面磨損易使鋼絲繩產生表面裂紋，其在拉力作用下發(fā)生應力集中現象從而使裂紋不斷擴張直到鋼絲繩斷裂。存在斷絲會使其余鋼絲上的載荷加劇，而斷絲處往往又是應力集中處這樣又會使此處鋼絲繩載荷加大斷裂進而導致整個鋼絲繩斷裂。鋼絲的交錯對鋼絲繩的拉伸性能影響并不明顯，但是鋼絲的交錯處是疲勞裂紋，應力集中發(fā)生的根源，發(fā)生交錯會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其強度的影響
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：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度。
同時，在鋼絲繩的拔拉過程中由于拔模質量的原因致使鋼絲繩在拔模孔中變形不均勻，在遠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，所以當孔模表面較粗糙時，由于受力變形不均致使鋼絲繩內部殘余應力較大疲勞強度降低。
二、國外情況
Jeong-In Suh運用了拉丁方設計法進行吊橋鋼絲繩繩的疲勞試驗，以測試其應力范圍，平均應力和試樣長度三種參數對吊橋鋼絲繩的軸向疲勞的影響，結果發(fā)現應力范圍的影響結果和預期是一致的，但試樣長度的影響卻與預期結果相悖，而平均應力的影響則隨著所選的應力范圍的變化而變化。Marco Giglio等進行了在恒定載荷下直升機救援提升鋼絲繩的彎曲疲勞試驗，發(fā)現如果減少要鋼絲繩的機械性能的損傷，必須限制測試裝置的擺角在28。以下這樣才不會發(fā)生疲勞損傷，而在較大擺角的情況下，鋼絲繩內部會經常斷絲，Paton等開展了六股繩與螺旋鋼絲繩的拉一拉疲勞行為研究，來檢測實驗過程中鋼絲繩強度和剛度度的變化，得出了剛度和強度之間的線性關系，并且確定了剩余疲勞強度和疲勞周期的關系，并且確定了六股繩和螺旋繩新的疲勞下界為其損失10%的強度，它有益于制定鋼絲繩報廢標準 展望
現在關于鋼絲繩的疲勞斷裂問題國內國外多是集中在其磨損裂紋，材料性質，加工工藝等方面，而對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，這主要是應為鋼絲繩及其每條鋼絲應為加工工藝，捻股及工作環(huán)境不同使其受力很難分析，今后可能會在鋼絲繩鋼絲受力分析上及運用能量法等方式對其疲勞斷裂的研究。
參考文獻：
鋼絲的微動磨損及其對疲勞斷裂行為的影響研究_張德坤
徐濤，徐臻，黃志偉，等.鋼絲繩外觀缺陷對其力學性能影響的研究 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：水工結構計算與應用題庫
1.鋼筋混凝土結構主要優(yōu)點中，沒有 A.強度高
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力
D.兩者能相互保溫、隔熱
C
3.下列不屬于混凝土結構優(yōu)點的是 A.耐久性好
B.耐火性好
C.可模性好
D.抗裂性好
D
4.鋼筋混凝土結構的最主要缺點是： A.使用階段帶裂縫工作
B.自重大
C.施工周期長
D.承載力低
A
5.鋼筋混凝土結構存在下列缺點，但不包括 A.自重大
B.抗裂性較差
C.建造較費工
D.整體性較好
D 6.既能減輕混凝土結構自重，又能提高混凝土構件抗裂性的方法是 A.大力研究輕質、高強混凝土
B.采用預應力混凝土
C.采用預制裝配構件
D.采用工業(yè)化的現澆施工方法
B
7.鋼筋混凝土結構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
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.以下哪項不是鋼筋混凝土結構的優(yōu)點 A.耐久性好
B.耐火性好
C.整體性好
D.自重輕
D
10.以下哪項不是鋼筋和混凝土兩種材料能結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性
B.具有相近的溫度線膨脹系數
C.混凝土保護鋼筋，提高混凝土結構的耐久性和耐火性
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生過大的裂縫而影響正常使用，則可認定此構件不滿足下列哪項功能要求 A.安全性
B.適用性
C.耐久性
D.上述三項均不滿
B
12.以下哪項不是鋼筋混凝土結構的缺點。
A.施工復雜，工序多，工期長，施工受季節(jié)、天氣的影響較大
B.修復、加固、補強比較困難
C.現澆費模板
D.強度低
D
13.以下哪項不是鋼筋混凝土結構的缺點 A.自重大
B.抗裂性差
C.現澆費模板
D.強度低
D
14.鋼筋與混凝土這兩種性質不同的材料之所以能有效地結合在一起而共同工作，主要是由于
A.混凝土對鋼筋的保護
B.混凝土對鋼筋的包裹
C.砼硬化后，鋼筋與砼能很好粘結，且兩者線膨系數接近
D.兩者線膨系數接近
C
15.以下哪項不是鋼筋混凝土結構的優(yōu)點 A.耐久性好
B.耐火性好
C.整體性好
D.自重輕
D 1.結構的可靠性不包括下列哪項
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？ A.半概率。
B.近似概率。
C.全概率。
D.半概率、半經驗
B
3.安全等級為二級的建筑，屬脆性破壞的構件，其β值為： A.3.7
B.3.2
C.4.2
D.2.7
A
4.結構使用年限超過設計基準期后： A.結構即喪失其功能
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)定的設計基準期為： A.20
B.30
C.50
D.100
C 6.混凝土結構使用壽命的判別基礎是： A.大面積內出現縱向裂縫
B.到達設計基準期
C.混凝土出現碳化
D.鋼筋出現局部銹蝕
A
7.在正常使用極限狀態(tài)驗算中，材料強度的取值應為下列哪項。A.設計值
B.均可
C.標準值
D.D與C相反
C
8.下列哪項關于可靠指標β與失效概率Pf之間的關系敘述是正確的。A.可靠指標β愈小，失效概率Pf愈大
B.可靠指標β愈小，失效概率Pf愈小
C.可靠指標β愈大，失效概率Pf愈大
D.可靠指標β愈大，失效概率Pf不變
A
9.1級水工建筑物基本組合時的承載力安全系數K應取下列哪項。A.1.35
B.1.25
C.1.20
D.1.0
A
10.1級水工建筑物的設計使用年限應為下列哪項 A.25年
B.50年
C.75年
D.100年
D 11.凡是具有獨立設計文件，竣工后可以獨立發(fā)揮生產能力或效益的工程為 A.1.35
B.1.25
C.1.20
D.1.15
D
12.下列哪項不屬于永久荷載。A.梁的自重
B.風荷載
C.固定設備自重
D.板的自重
B
13.當結構或構件出現下列狀態(tài)之一時，不是超過了承載能力極限狀態(tài)。A.整個結構或結構的一部分失去剛體平衡，如擋土墻的滑移等
B.結構構件或連接因超過材料強度而破壞（包括疲勞破壞），或因過度變形而不適于繼續(xù)承載
C.結構或結構構件喪失穩(wěn)定，如柱壓曲等
D.影響結構正常使用或外觀的變形
D
14.1級水工建筑物發(fā)生延性破壞的目標可靠指標應為下列哪項 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.結構自重
B
16.下列哪種荷載屬于可變荷載 A.結構自重
B.固定設備重量
C.地震作用
D.風荷載
D
17.荷載效應S、結構抗力R作為兩個獨立的隨機變量，其功能函數Z=R－S，下列敘述正確的是哪項 A.Z＞0 結構安全
B.Z=0 結構失效
C.Z=0 結構失效
D.Z＞0 結構失效
A
18.以下哪項不是鋼筋混凝土結構的缺點
A.施工復雜，工序多，工期長，施工受季節(jié)、天氣的影響較大
B.修復、加固、補強比較困難
C.現澆費模板
D.材質均勻
D
19.以下哪項不是結構設計應滿足的功能要求
A.安全性
B.耐久性
C.抗凍性
D.適用性
C
20.荷載標準值是具有下列哪項保證率的荷載取值 A.85%
B.90%
C.95%
D.98%
C
21.下列哪個梁需要設置腰筋。A.梁高h=300mm
B.梁高h=400mm
C.梁高h=450mm
D.梁高h=500mm
D
22.結構的目標可靠指標取值與下列哪項無關。A.建筑物級別
B.極限狀態(tài)
C.破壞性質
D.結構種類
C
23.承載能力極限狀態(tài)設計不需要考慮下列哪種組合。A.基本組合
B.偶然組合
C.長期組合
D.A+B
C
24.以下哪項不是結構或構件超過承載能力對應的狀態(tài) A.整個結構或結構的一部分失去剛體平衡
B.結構構件因超過材料強度而破壞
C.影響結構正常使用或外觀的變形
D.結構或結構構件喪失穩(wěn)定
C
25.可變荷載標準值具有的保證率應為下列哪項。A.85%
B.90%
C.95%
D.100%
C
26.建筑結構應滿足的功能要求是下列哪些。A.經濟、適用、美觀
B.安全性、適用性、耐久性
C.安全、舒適、經濟
D.可靠性、穩(wěn)定性、耐久性
B
27.結構設計中采用的混凝土抗壓強度是下列哪項 A.立方體強度
B.棱柱體強度
C.彎曲抗壓強度
D.圓柱體強度
B
28.荷載標準值是具有多少保證率的荷載取值。A.80%
B.85%
C.90%
D.95%
D
1.混凝土軸心抗壓強度試驗標準試件尺寸是 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度，以σ0.2 表示，即： A.取極限強度的20 %
B.取應變?yōu)?.002 時的應力
C.取應變?yōu)?.2 時的應力
D.取殘余應變?yōu)?.002 時的應力
D
5.混凝土強度設計值 fc＝fck/γc，γc是由下述方法確定 A.工程經驗
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.立方體抗壓強度的測試中，標準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度ｌa為： A.隨混凝土強度等級的提高而增大
B.隨鋼筋等級提高而降低
C.隨混凝土等級提高而減少，隨鋼筋等級提高而增大
D.隨混凝土及鋼筋等級提高而減少
C
8.鋼絲的直徑一般小于等于下列哪項 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 A.鋼筋應變?yōu)?.2%時的應變
B.由此應力卸載到鋼筋應力為零時的殘余應變?yōu)?.2%
C.鋼筋彈性應變?yōu)?.2%時的應力
D.鋼筋彈性應變?yōu)?.02%時的應力
B
10.軟鋼經冷拉后按下列哪項變化。A.屈服強度提高但塑性降低
B.屈服強度提高塑性不變
C.屈服強度提高塑性提高
D.屈服強度合抗壓強度均提高但塑性降低
A
11.混凝土的最大壓應變一般與下列哪項最接近。A.0.002
B.0.0033
C.0.001
D.0.005
B
12.鋼筋的最小錨固長度la與下列哪種因素無關 A.鋼筋類型
B.混凝土強度等級
C.結構級別
D.鋼筋直徑
C
13.為了保證綁扎的粘結強度的可靠性，規(guī)范規(guī)定下列哪項是正確的 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.鋼筋半圓彎鉤的長度應為下列哪項 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因素無關 A.應力
B.溫度
C.加荷齡期
D.應變
D
16.鋼筋機械連接接頭連接區(qū)段的長度應為下列哪項(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.受壓鋼筋的錨固長度與受拉鋼筋的錨固長度相比，下列哪項是正確的。A.施工資料分類組卷歸檔移交
B.相同
C.受壓鋼筋的錨固長度小
D.不確定
B
19.如混凝土的強度等級為C30，則下列哪項敘述正確 A.抗壓強度設計值fc=30MPa
B.抗壓強度標準值fck=30MPa
C.立方體抗壓強度標準值fcu，k=30MPa
D.抗拉強度標準值ftk=30MPa
C
20.混凝土強度等級由C20變?yōu)镃30時，受拉鋼筋的最小錨固長度la按下列應是 A.增大
B.減小
C.不變
D.基本不變
B
21.材料強度設計值與其標準值相比的大小關系為下列哪項 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，則拉筋應配下列哪個比較合適 A.Φ6@200
B.Φ6@400
C.Φ6@500
D.Φ6@800
C
23.混凝土的彈性模量隨強度的增大按下列哪項變化 A.增大
B.減小
C.不變
D.無關
A
24.混凝土的最大拉應變與下列哪項最接近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.若混凝土的強度等級為C20，則數字20表示下列哪項的強度標準值為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.若混凝土的強度等級為C25，則下列哪項敘述是正確的。A.抗壓強度設計值fc=25MPa
B.抗壓強度標準值fck=25MPa
C.立方體抗壓強度標準值fcu，k=25MPa
D.抗拉強度標準值ftk=25MPa
C
27.以下哪項不是鋼筋混凝土結構的優(yōu)點。A.耐久性好
B.耐火性好
C.整體性好
D.強度高
D
28.HRB335中的335代表下列哪種含義。A.鋼筋強度的標準值
B.鋼筋強度的設計值
C.鋼筋強度的平均值
D.鋼筋強度的最大值
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.關于受拉鋼筋錨固長度la的說法正確的是 A.隨混凝土強度等級的提高而增大
B.隨鋼筋直徑的增大而減小
C.隨鋼筋等級提高而提高
D.條件相同，光圓鋼筋的錨固長度小于變形鋼筋
C
31.條件屈服強度的假定屈服點應變相應于殘余應變的A.0.033%
B.0.2%
C.0.12%
D.2%
B
32.混凝土的徐變與下列哪個因素無關
A.應力
B.溫度
C.加載齡期
D.應變
D
33.下列哪項不屬于可變荷載。A.雪荷載
B.樓面活荷載
C.浪壓力
D.結構自重
D 34.混凝土強度等級是根據下列哪項確定的。
A.立方體抗壓強度設計值
B.立方體抗壓強度標準值
C.立方體抗壓強度平均值
D.具有90%保證率的立方體抗壓強度
B
35.下列哪項不是鋼筋混凝土結構對鋼筋性能的要求。A.一定的強度
B.足夠的塑性
C.良好的粘結力
D.耐久性
D
36.現行《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》規(guī)定的紀念性建筑的設計使用年限為 A.5年
B.25年
C.50年
D.100年
D
1.受彎構件斜截面承載力計算中，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.（）作為受彎構件正截面承載力計算的依據 A.Ⅰa狀態(tài)
B.Ⅱa狀態(tài)
C.Ⅲa狀態(tài)
D.第Ⅱ階段
C
3.（）作為受彎構件抗裂計算的依據 A.Ⅰa狀態(tài)；
B.Ⅱa狀態(tài)
C.Ⅲa狀態(tài)
D.第Ⅱ階段
A
4.受彎構件正截面承載力計算中基本假設中，下面（）是錯的 A.截面應變保持平面
B.考慮混凝土抗拉強度
C.混凝土受壓應力-應變關系采用簡化形式
D.鋼筋應力-應變關系
B
5.計算斜截面受剪承載力時未考慮 A.剪跨比
B.混凝土強度
C.配箍率和箍筋強度
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
B.剪跨比較大時
C.與剪跨比無關
D.無
B
7.提高受彎構件正截面受彎承載力最有效的方法是 A.提高混凝土強度等級
B.增加保護層厚度
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.設計計算
B.限制彎起鋼筋用量
C.限制截面尺寸
D.按構造要求配置箍筋
C
9.受彎構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計需要設計成 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算位置 A.支座邊緣處
B.受拉區(qū)彎起鋼筋彎起點處
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.適筋梁的破壞特點是;
A.受拉鋼筋先屈服，然后受壓混凝土被壓碎
B.不會破壞
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.設計適筋梁時以哪一狀態(tài)作為受彎構件正截面承載力計算依據 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無關
B.基本上與配筋率無關
C.基本上與混凝土等級無關
D.與配筋率及混凝土等級有關
B 20.梁的配筋率不變的條件下，h 與 b 相比，對Mu A.h 影響小
B.兩者相當
C.h 影響大
D.不一定
C
21.超筋梁破壞時，受拉鋼筋應變εs 和壓區(qū)邊緣混凝土應變εc 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ξb 有關的因素為 A.鋼筋等級及混凝土等級
B.鋼筋等級
C.鋼筋等級，混凝土等級及截面尺寸
D.混凝土等級
B
23.條件相同的矩形截面梁加配了壓筋后，其實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.計算雙筋梁時，何時令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.在雙筋梁計算中滿足 2ａ's ≤ｘ≤ξbｈo 時，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，應滿足 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.驗算第二類 T 形梁最大配筋率時 A.ρ＝As／（ｂｈo）
B.ρ＝As2／（ｂｈo）
C.ρ＝As2／（ｂ'f ｈo）
D.ρ＝As／（ｂ'f ｈo）
B
30.驗算第一類 T 形梁最小配筋率時 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，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.提高混凝土強度等級
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 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
C
35.梁內箍筋過多將發(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，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Ｖ較大時會超配箍
B.不再發(fā)生超配箍情況
C.還應驗算是否超配箍
D.還應驗算是否少配箍
B
38.受均布荷載梁受剪計算時，何條件下須驗算最小配箍率？ A.Ｖ＞ 0.07ｆcｂｈo
B.Ｖ＞ 0.1ｆcｂｈo
C.Ｖ＜ 0.10ｆcｂｈo
D.Ｖ＜ 0.25ｆcｂｈo
D
39.對薄腹梁，截面限制條件要嚴格些的原因是防止 A.斜拉破壞
B.剪壓破壞
C.斜壓破壞
D.縱筋錨固破壞
C
40.在受剪承載力計算中為什么不反映翼緣的作用？ A.缺少資料
B.對有腹筋梁的作用小，可略去
C.實際上不起作用
D.與此無關
B
41.為什么簡支梁受拉縱筋伸入支座的錨固長度與剪力值有關？ A.支座有一定嵌固作用
B.此處鋼筋無應力，系構造
C.鋼筋中應力隨剪力增大而增加
D.鋼筋中應力與剪力成正比
C
42.梁內彎起多排鋼筋時，相鄰上下彎點間距應＜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計彎矩圖，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：《復合地基理論及工程應用》讀后感
《復合地基理論及工程應用》第二版，為龔曉南著，中國建筑工業(yè)出版社出版發(fā)行。
《復合地基理論及工程應用(第2版)》全面地介紹了復合地基理論和工程實踐方面的研究成果，在《復合地基理論及工程應用》(第一版)的基礎上對復合地基理論框架作了進一步完善，較系統(tǒng)地介紹了復合地基理論和實踐的新發(fā)展。
全書共16章：緒論，土和復合土的基本性狀，復合地基荷載傳遞機理和位移場特點，復合地基的形成條件，復合地基在基礎工程中的地位，復合地基常用形式及選用原則，樁體復合地基承載力，水平向增強體復合地基承載力，復合地基沉降計算，基礎剛度對復合地基性狀的影響，墊層對復合地基性狀的影響，復合地基振動反應與地震響應，復合地基和上部結構共同作用分析，復合地基優(yōu)化設計和按沉降控制設計，復合地基工程應用及實例，以及復合地基發(fā)展展望。
讀完本書，我對復合地基有了進一步的了解和理解，目前在我國復合地基淺基礎和樁基礎，已經成為常用的三種基礎形式。復合地基在建筑工程、市政工程、道路工程以及堤壩工程中得到廣泛應用。復合地基已經不是陌生的詞匯，但對復合地基，無論是學術界還是說工程界至今尚無統(tǒng)一的認識，復合地基是一個新概念。
復合地基的形式、組成復合地基增強體的材料、復合地基增強體的施工方法均對負荷地基的效用產生影響。復合地基的效用主要有樁體作用、墊層作用、擠密作用、加速固結作用、加筋作用。
了解了土和復合土的基本性狀，讓我明明白了地基加固區(qū)的組成，對形成復合地基的常用增強體材料也有了進一步的理解，知道了復合地基的荷載傳遞機理以及復合地基的形成條件，學習了復合地基樁體承載力以及水平向增強體復合地基承載力、復合地基沉降計算。
通過復合地基工程應用及實例學習，知道了復合地基有初期的局限于采用散體材料加固軟土地基（碎石樁復合地基）發(fā)展到各類柔性樁復合地基、剛性樁復合地基以及水平向復合地基（水泥土樁復合地基、低強度樁復合地基、樁網復合地基、鋼筋混凝土樁復合地基、加筋土地基等），知道了各類復合地基的適用范圍和優(yōu)缺點。
復合地基概念源自國外，但是近年來在我國發(fā)展很快。復合地基理論與工程應用發(fā)展與我國國情息息相關，我國深厚軟弱地基分布廣、種類多、數量大，自改革開放以來土木建設規(guī)模大、發(fā)展快，我國又是發(fā)展中國家，建設資金短缺，這些給復合地基理論與工程應用的發(fā)展提供了很好的機遇，可以相信在未來的幾年，我國復合地基和工程實踐兩個方面都將有長足的發(fā)展，取得更大的進步，復合地基的理論也會得到進一步的完善。
第五篇：論文翻譯——超表面理論及應用
超表面理論及應用-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成，由此來獲得一定的性能指標。這些期望的特性通常是天然材料所不具備的，比如負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應用。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構，在很多應用中，超表面可以達到超材料的效果。超表面在占據的物理空間上比3D超材料有著優(yōu)勢，由此，超表面可以提供低耗能結構。文章中將討論到超表面特性的理論基礎和它們不同的應用。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。
在電磁領域超表面有著很廣泛的應用（從微波到可見光波段），包括智能控制表面、小型化的諧振腔、新型波導結構、角獨立表面、吸收器、生物分子設備、THz調制和靈敏頻率調節(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。
引言
最近這些年，超材料這方面一直引領著材料的潮流。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，這方面最早的實例就是人工電介質。之后，我們將會看到和經典結構完全不同的超材料和超表面，比如光子能帶隙結構（PBG）、頻率選擇表面（FSS）。雙負指數（DNG）超材料是一種盛行的超材料，也叫作負指數材料（NIM）、左手材料等（LHM）。這種材料的特性是在給定的頻率帶寬內其有效介電常數和磁導率是負的。另一種特性是近零折射率。在這種材料中，其介電常數和磁導率都被設計成接近于零。擁有這些特性的材料可以應用在很寬的頻率范圍（微波到可見光頻段），并且其應用也很廣泛，如隱身、低反射材料、新型結構、天線、電子調諧、超透鏡和諧振器等。
現在的超材料研究來源于對Bexelago理論的仿真，或者是基于之后Pendry、Smith等人所實現的超材料結構。然而，這個領域中很多研究者并沒有認識到負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間段。實際上，這種材料的理論可以回推到一個世紀以前。早在1967年，一些學者已經對超材料做出了研究，而更早的Sivukhin在1957年對超材料的特性做了簡單的描述。Malyuzhinets和Silin都相信L.I.Mandel在更早的時間里做過超材料研究。Mandel提到關于Lamb的1904年的報紙，稱Lamb或許是這一領域的第一人。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，他的實例包含機械系統(tǒng)而不是電磁波）。Schuster在他1904年的可見光書中簡短的談及了Lamb的工作，并提出了在可見光介質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生反波，加上突然的激勵可以產生一種擁有遠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成的結構，以此來獲得期望的性能。超材料可以被擴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，它可以獲得與經典開口環(huán)結構所產生的磁響應類似的電響應。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的預測）。圖1d為陶立方排布。超材料的這種表面結構最初命名為超薄膜，表示一個表面上分布著小的散射體。值得一提的是每個散射體的都是很薄的（甚至比晶格常數小），可以有任意的形狀，可以有亞波長尺度。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部分我們將簡化其稱呼。
對于很多應用，超表面可以用于放置超材料。超表面相對于3D超材料來說有著占有更小物理空間的優(yōu)勢，由此，超表面可以提供更低能耗的結構。近幾年，超表面在從微波到可見光波段的應用取得了巨大的成就。除了可用在上面所說的超材料的應用外，超表面還可以實現智能表面控制、小型化諧振腔、新型波導結構、簡單而寬角度吸收器、阻抗匹配表面和生物分子器件。下面也將會更詳細的談到其中的一些應用。
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)結構之間的區(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非常重要。這種復合材料可以分成三種完全不同的部分（圖2）。對于3D超材料來說，第一部分是準靜態(tài)部分。這就暗含低頻的意思（亞波長段頻率）。這種散射體將會具有誘導的或者永久的偶極柜，這也是經典材料的性質。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的人工復合材料。在這一部分，描述使用經典的材料混合來得到目標特性（介電常數、磁導率）
當波長可以與結構周期相近或者比周期小時，會有特別的響應發(fā)生，見圖2的第三部分。在這種頻率下，存在一種更加復雜的場，這就需要用更加精密的分析技術（全波方法）。傳統(tǒng)的分析方法是Floquet-Bloch理論，其中的場擴展到有各種不同方向的平面波。當波長接近周期時，就需要考慮到更高要求的Floquet-Bloch理論。這種高要求模型就會通過復合材料干擾基波的傳播，在這種頻率范圍中我們稱復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。布拉格散射效應就是與這種頻率有聯(lián)系，它是很多實際應用的基礎。
圖2的第二部分也是處在亞波長結構，不過期單元散射體可以達到共振。這就實現了另一種人工材料（MM），實現了自然材料所沒有的特性（如雙負或近零指數材料）。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和磁導率來標明超材料的特性。
二維陣列（超表面）也有相似的特性。對于二維格子陣列來說，第一部分復合材料屬于經典薄膜材料，第三部分是周期性的共鳴器。另一方面講，當我們談及超表面時，就是在說第二部分的共鳴器散射體而不是周期性結構。普通的頻率選擇表面有時會是運行在這種體制下，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。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，散射體的共振將會趨向于Floquet-Bloch模型，就實現不了雙負材料。在Floquet-Bloch模型中散射體共振將會被吸收，這種介質模型就不能充分描述復合材料。總的來說，圖2中第一、第二部分會出現在某種復合材料介質的情況中。第一部分（經典混合理論），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，可以實現3D雙負指數材料和別的共振器。最后一部分中，電磁場和周期材料的相互作用非常復雜。我們不再將復合材料稱為有效介質。當波長接近結構周期時，更高要求的Floquet-Bloch模型需要考慮進去，超材料和超表面就是這樣。
1.2 超表面類型
超表面結構就是二維的周期性亞波長結構。在一般的研究中，我們將超表面列為兩類。一種是有著陶瓷拓撲結構（一種絕緣散射體）圖1a所示，稱其為超薄膜，有著很多應用。另一種是漁網結構（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，平行導線光柵在垂直導線方向表現出超薄膜的特性，而在沿軸方向就表現為元幕性質。
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構所產生的電磁場上面。從這些平均值中，可以確定超材料的有效介電常數和磁導率（以及折射率）。值得一提的是，只有當波長相對于晶格常數足夠大時候平均才是有效的。對于場的周期單元平均定義有效材料性能是正確的方法（那種勻質平均的類型），許多研究人員已經在實踐中使用根據一些計算出厚度的超材料樣品來得到期望的反射和透射系數。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，當使用范圍是負指數材料時，標準的NRW方法必須進行修正。典型地，一個平方根的符號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，有效介質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分析很少成功。一些以前的超表面研究把其當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非零厚度參數來獲得的。這有一些人為物理結構參數的問題：這些超表面的參數特征是錯誤的。傳統(tǒng)計算方法的展開可以給我們一些提示，當以樣品尺寸建模時，必須考慮樣品邊界效應，就像兩個不同切面上的效應一樣。
為了說明其中難點，我們使用圖1中對等的厚度為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一定，但厚度d不確定。實際上，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，與報道中相反的是，把超表面看成等效介質所得的有效特性都是不合適的并且導致了錯誤的闡釋。Smith等人堅持這個觀點，認為‘εd’很可能是常量。在文獻[101]中介紹了易受影響的表面和有效特性直接的關系，認為對于超表面來說，不能定義獨立于d的ε和μ。由此說明ε和μ是d的函數，并且唯一確定。這種結果就是說d、ε和μ是任取的。也就是我們如果假定厚度也為常量就可以使用這種有效特性。但對于不同的厚度來說，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，那就是錯誤的了。
圖5和圖6強調了這一點。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。圖6展示不同厚度下的負折射率。圖5和圖6中可以看出有效特性是厚度
d的函數，說明有效特性并不是超表面所固有的本質特性。同樣我們也應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，因果顛倒或者負材料呈現出大的介電常數或磁導率（在文中基于時間t假設的ejwt的正虛部）。
在文獻[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：當電磁波與其作用是會產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），是對比于使用在超材料上的有效介質描述來說的。這種方法使用在超表面與電磁場交互作用時候，且符合廣義等效面轉換理論。
對于超薄膜來說，在文獻[23]中所述廣義等效面轉換條件與超表面的兩個面上的電磁場有關（見圖1a）：
式中av代表超表面兩邊的平均場，t為到z的距離，是單位矢量。?ES和?MS分別是兩
....表面的電場和磁場。這有著計量單元，并且與散射體的電磁極化密度相關。當散射體有缺失 這種性質會消失并且方程（1）中E和H的非相關條件將會減少。簡便起見，我們認定散射體和晶格對稱，則表面并失如下：
在這篇文章和文獻[101]中，我們對于?MS有一個約定，在H場中右邊項前加一個負號，而E場右邊項加正號（見方程1）。這種符號約定與文獻[100]中不一樣。我們選這種約定是因為當表面磁密度與H在同一方向時Re(?MS)為正，這也是經典磁材料特性定義的組成部分。這種廣義等效面轉換條件可以應用在更多的方面，如不對稱性、不均材質、以及雙各向異性表面，而且這方面的理論已經有了發(fā)展。值得注意的是方程1的約定條件僅適用于超薄膜。具有不同結構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體，這與廣義等效面轉換理論相悖，這可以寫成：
其中E場和B場在元幕中是連續(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，它們有著長度。當孔不存在時，就只剩了理想導體平面，那些由孔引起的電、磁特性將會消失，并且方程3中電場E的切量會減小。元幕的經典邊界條件還沒有定義出，還需要補間斷的工作來發(fā)展。像導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]中廣義等效面轉換條件應用在了薄導線光柵上）。
廣義等效面轉換條件同樣可以用于阻抗邊界條件。對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：
其中表面轉移導納和轉移阻抗由下式給出：
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有著無限薄等效表面的模型。表面幾何的細節(jié)包含在表面特性的邊界條件中。應用在廣義等效面轉換條件中的場是一種宏觀場，相比于散射體、孔和晶格來說，其并不具備長度，但當波長在介質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）來計算的話，這種邊界條件的計算將更加精確。
如果不需要空間場變量的精細的結構的話，這種廣義等效面轉換條件和麥克斯韋方程一樣都需要分析場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。基于這種模型的檢索技術將在下部分來描述。
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率（與負折射率相同）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來獲得。超薄膜的反射（R）和傳輸(T)系數不管是對于TE或者是TM波（圖7）都來源于文獻[24]。
對于TE波來說：
對TM波來說：
其中k0是真空波矢。這種反射和傳輸系數可以用于有著足夠對稱性反射體的超薄膜上。同樣的方法也可以用于更多非對稱不規(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，表面特性就確定了。在這個實例中，每個偏振波都需要兩種R和T系數。對于TE波，其三個未知特性的推導如下：
其中R(0)和T(0)是正入射波的反射和傳輸系數，R(θ)和T(θ)是以θ角入射波的反射和傳輸系數。而對于TM極化波，其未知特性的推導如下：
在文獻[100]中的符號錯誤已經在上式中修正。同樣文獻[101]也做出了修正。
這種方法既可以從理論上又可以從實驗方面確定R和T的值。而對于普通入射測量技術來說，很難分辨其入射和反射成分，如果入射角不為零則結果會好很多，祥見文獻[100]。有趣的是，當推斷超材料模型的有效特性時，這種反演方法來求解超薄膜特性既不用特定的取符號的平方根，也不需要假定表面層的厚度。
為了確認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。這種結構的極化度是可解析的，因此其表面特性可以根據文獻[100]給出的方程計算。如上所說，可以通過設置不同的R,T來確定未知量，文獻[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的實部和虛部。其結果是通過30入射角的數值仿真所得的R和T。
0zzyy超薄膜模型是球粒陣列，有著對稱傳輸陣列（）。同樣圖中也給出了文獻[100]分析結果。通過對比，這種反演方法所得結果和方程計算結果一樣。
上述例子和文獻[100]都說明了反演方法的正確性。更重要的是，這種計算結果說明了超薄膜特性是唯一的。
超薄膜也可以用來計算3D超材料的有效特性。在這種技術中，和上面一樣，超薄膜的平面波反射和傳輸系數用來計算表面特性。通過文獻[23]中應用，之后就可以獲得單個散射體的極化率。通過把這種超薄膜嵌入三維超材料里，就可以通過Clausius-Mossottii關系來得到有效介電常數和磁導率。這種技術是一種很有用的計算標準參數的方法，尤其是當波在一個很小的多層樣本中傳輸時候。
在本文的其他部分，我們將討論近幾年超表面的各種應用。可調表面
對于一個給定的超表面，我們可以通過很多商用模型來分析它與電磁場的反應。然而，如我們所見，可以通過廣義等效面轉換條件來獲得平面波的傳輸和反射系數。對于超薄膜，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。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、傳輸系數的關系。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電、磁特性的關系。在全反射時：
而對于全透過時所需的條件是：
理論上控制反射和傳輸系數可以通過以下機制來完成：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造）的結構。以球磁粒子組成的超薄膜為例，圖9所示為R關于散射體磁導率的曲線。圖中可以看出，基于散射體磁導率的變化，超薄膜從全反射變化到了全透射。這種可控表面已經實現，其組成是由球形YIG粒子所組成的超薄膜，控制激勵是外加DC磁場。圖10所示為這種超薄膜的傳輸特性隨外加DC磁場的變化。一些其他的方法也已經可以用來控制超表面，并且在動態(tài)控制領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同性超表面所不同的很多應用。這些應用中的一個有趣的體超材料是在其內設計出各向異性的表現。實際上這個主意來著隱身斗篷材料，其有著很大的關注度。這種材料是通過在超材料里設計各向異性材料來設計的，覆蓋有這種材料的物體可以使光在其表面?zhèn)鞑セ蛘邚澢＝涍^合理設計的各向異性超材料可以達到既不散射又不吸收能量，這樣就可以在電磁波里實現隱身效果。現在可以在理論上實現從射頻到可見光的隱身。但由于材料和結構的本質屬性，在獲得寬帶隱身效果來說還有著技術難點需要突破。試驗證明窄帶單偏振的隱身實例已經可以實現。
同樣，這種概念也可以擴展到超表面中。在這個設計中，其表面設計將選用散射體所組成的超表面來達到期望的性能。例如，理論上可以可以設計出一種超表面來達到將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，這種概念現在正在研究。
另一個例子是怎樣獲得不依賴角度（至少是某種參數范圍中）的反射和傳輸系數。對于一個給定的入射角，方程13給出了在發(fā)生全反射時表面電和磁的磁化系數。方程13給出了一種可以在這種全反射狀態(tài)下獲得近似角獨立的結構。以TE波為例，當?MS>>?ES時，角依賴性被削弱，這是基于方程13中圓括號前部分控制第二角依賴部分。同樣地，對于TM波，當?MS>>?ES時,其角依賴性同樣變弱。當超薄膜的散射體結構達到諧振頻率時，會產生這種性質。當所指部分占優(yōu)勢時，方程13中全反射條件變成： yyzzzzyy
如果超表面設計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產生角獨立特性。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，這個超表面是由圖1b所示金屬結構組成。在圖中可以看到這個表面在600入射角處獲得近似角獨立。
我們可以將這個概念擴展到很多其他的結構上。例如，具有高的各向異性材料的板也可以獲得角獨立特性。文獻[61]展示，這種特性可以通過檢測不同各向異性基板的反射系數來觀測。另外，引進計算電磁學中的完美匹配層（PML）可以減少輻射邊界所產生的誤差，同樣它也需要這種角獨立特性。這種PML可以通過超表面的理念來實現，這種課題正在研究中。
這種結構為發(fā)展緊密的電磁吸波器提供了可匹配的能耗材料，并且使獨特的阻抗匹配表面得以實現。基于這種想法的吸波器最近開始出現在文獻中[53-58]。這種結構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）。這種結構或許會是窄頻的，但它同樣也是很緊湊的。使用超表面的這種結構的另一個優(yōu)勢是它有著很好的角獨立特性，這在理論和實驗中都是已經證明的了。對于角獨立特性的物理說明如上述或者文獻[60]。
不同的團隊同樣也研究了超表面在阻抗匹配表面的應用。與圖12a所示的金屬陣列相似的結構已經被用來制作寬角度的阻抗匹配表面。這種結構具有高各向異性，可以使角獨立特性得以實現。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展示了當孔中部分填充負折射率材料時候，在λ/2尺寸規(guī)模的諧振器結構的尺度還可以再減小。文獻[35,36]中擴展了這個理論，使用超表面也達到了同樣的效果。利用超表面的優(yōu)勢是可以理論上比利用3D超材料所實現的尺寸要小。距離為d的兩個金屬板之間放置超表面，達到共振所需要的相位匹配條件是
當?M??0時，n=0不成立。通過這個方程，可以看出如果合理設計超表面的話，諧振器尺寸可以超越λ/2波長的限制。
例如，一個由兩金屬板及其之間的方形片狀物構成的超薄膜。圖13所示為三種不同板的諧振頻率關于l/p（p為周期，l為單個方形物的尺寸）。當l/p=0時，就是經典結果d=λ/2。對于一個給定的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，對于不同的l/p值列出了相對應的減少值。這個表的結果展示了這種結構可以減少共振器尺寸高達56%。如果經過精細制作超表面散射體的極化特性，還可以達到更好的減少尺寸效果。實際上通過控制超表面的特性可以實現頻率靈活的諧振器。波導
對于一種入射波來說，超表面可以經過特殊設計來使其發(fā)生全反射，這就使俘獲并傳輸電磁能到兩個超表面之間成為了可能。圖14闡釋了波導的一些現象（與圖7不同的結構使其具有了沿z軸方向傳播的性能）。假定波導方向沿z軸，??k0sin?，對于TE模型，從方程13可以看出傳輸常量須符合下式以達到全反射
對于漏模來說，這個常量通常很復雜。如果所選超表面滿足上述標準并且β一定，則x方向的傳輸波數如下
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超表面時候模型將表現出一種表面波特性，很可能會增加其衰減）。對于TM模型類似的方程也在文獻[37]中提出了。
這種波導可以使其變得簡潔，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結構，再加上合適的超薄膜的話，可以實現柔性低損耗的波導，在THz頻段有著很大的應用潛力。這可以用來設計智能可調頻率靈活的波導結構。超表面上的復合波和表面波
有著傳統(tǒng)電介質片的超表面在適當的條件下也能支持表面波的傳輸。然而，與傳統(tǒng)介質片不同的是，通過設計超薄膜散射體特性，可以同時產生向前、后的表面波以及復合波。實際上，可以通過適當調節(jié)散射體來使表面被或者復合波只在指定的頻率出現。在文獻[109]中給出了詳細的平面波的產生。超表面上線波源的反射系數的極值是超表面表面特性的函數。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，數據為電波線源的不同條件，對于磁波，見文獻[109]。當表面磁化率符合其中一個條件時，就會激發(fā)表面波或者復合波。圖15闡釋了頻率激發(fā)的超表面平面波或者是復合波。數據顯示當磁波線源放置在球粒陣列上方時電場的大小。圖15a展示一種表面波的激發(fā)。圖15b展示復合波的例子。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生表面波或者復合波都是理論可行的，同樣也適用于頻率靈活的波導結構。
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
可調表面可能有利于THz頻段的設備和構成。基本上可調表面是通過改變電環(huán)境、電流或者元件環(huán)境來實現的。當電環(huán)境 改變時（通常由散射體內半導體引起），這就是混合超材料。THz頻段范圍內可調超表面具有舉足輕重的地位。這主要是由于實際應用中缺乏THz技術。使用在微波和光子波段的器件，比如開關和調節(jié)器，并不能再THz范圍內使用。一個主要的挑戰(zhàn)在于找到在THz波段可調并有強的響應的天然材料。
眾多的實例證明THz超材料具有這種優(yōu)勢。THz超材料有利于更高的調節(jié)能力、簡單的工藝、低損耗和動態(tài)調控。第一個動態(tài)調控的實現是利用近紅外激光通過調節(jié)超表面基板的電導率來調節(jié)諧振響應。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)傳導電子，使其具有類金屬性質。這就使開口環(huán)諧振器的電容帶隙發(fā)生短路，以此調節(jié)器基礎諧振功能及改變超表面的宏觀響應。這個觀念可用短載流子壽命的半導體來展示，它可以實現極快的調節(jié)，開關功能可以在20ps實現。光控很快被電控所取代。這里，通過分子束外延生長出的適度參雜的砷化鎵層，其上排布金開口環(huán)陣列而形成一個肖特基結。超材料陣列被歐姆接觸環(huán)繞，以實現二次電連接。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)域形成了一個絕緣的帶，重置了諧振效應，因此改變其宏觀特性。使用這種方法實現了調幅和相位調制，其中一個根據是Kramers-Kronig關系。盡管開口環(huán)諧振器應用存在窄帶寬的缺陷，但寬帶的調制是確實存在的。這是固態(tài)THz斬波器實現的起源，其可調制頻率達到30kHz，通常THz束受限于1kHz。這實例形象的闡釋了在室溫下調制THz波的改進。
別的許多THz調節(jié)器也通過可調諧超材料實現了。這包括頻率可調超表面，其中諧振頻率可在近紅外波段調諧。圖16所示為開口環(huán)結構里植入了硅元。其自然狀態(tài)下，硅是絕緣的，因此對于整個開口環(huán)結構來說其所增加的電容只有很小的數值。加入激勵光，半導體顯示器類金屬性質，開口環(huán)電容增加，由此導致諧振頻率降低。其中的創(chuàng)新點是，與以前的調諧不同，這種不需要損壞開口環(huán)。這既證明了可動力調諧諧振器，也使一種新的頻率調諧結構成為了可能，這種結構可以使寬帶THz入射波調制成1/2的頻率窄帶輸出。
可調THz超表面仍在新應用以及新結構上發(fā)展。調幅也被用在更精細的應用上如空間光調制和量子激光調制。可調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節(jié)共振頻率。別的溫度調節(jié)方法也在研究。有一種是通過溫度改變半導體載流子濃度，然后可以在THz范圍來改變其電容率。制作在一個基板上的超表面可以作為一個溫度調控功能的應用。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變，特別是其電介質特性的變化，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特性溫度可調成為現實。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)境可以實現動態(tài)調節(jié)，其實現是通過在超表面的表面鍍電介質層。這種想法可以用來實現遙感技術，因為超表面諧振器鍍電介質環(huán)境的改變非常敏感，特別是對于開口環(huán)帶隙處來說。這種觀念擴展到了微波頻率，流體也使用在了可調表面、生物分子感測和微波輔助化學方面。這將會在后面詳細的談到。可見光超表面
提到這部分，我們僅僅談論到超表面在射頻、微波和THz的應用。很少有應用在可見光波段的超表面。在最近幾年，相對于射頻和微波頻率，可見光波段的超材料研究具有更大的魅力。在可見光頻率對材料實現自由的電磁控制使其可以解釋新的現象包括optical magnetism，負折射和超透鏡。在可見光頻率，由金和銀的納米結構激發(fā)的等離子諧振器提供了同時控制超材料的電矩和磁矩的方法。這種結構包括等離子納米結構、球粒、有縫金屬薄膜、金屬漁網結構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，可見光超材料與實際應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。這種結構在新的特性和器件方面展示出很強的活力，如可見光調制頻率選擇表面和受激輻射所產生表面等離子體的應用。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單層二維散射體陣列，也就是超表面。很多發(fā)表出來的關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，應用體超材料須謹慎，廣義等效面條件為可大范圍的應用在可見光方面的二維散射體陣列提供了獨特的描述。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現真正3D可見光超材料的研究，其中體特性如介電常數、磁導率和折射率可以合適的并且唯一的確定。創(chuàng)新的制作技術如壓條發(fā)及堆垛法可以實現散射體的空間陣列。例如，有負折射率材料所制成的棱鏡已經實現了光的負折射現象。用于可調表面、輔助化學及生物分子傳感器的微流體
超材料和超表面有一個缺陷，就是在期望的頻率范圍可使用的頻帶很窄。然而，這種缺陷在某種應用上也可以變成優(yōu)勢。有三種這樣的應用如流體調諧表面、微波輔助化學和生物分子傳感器。
9.1 流體調諧表面
超材料和超表面的高共振特性為這種結構提供了可調諧頻率響應。擾動超表面的電或磁響應可以實時的實施，由此可以改變材料的有效響應。在第2部分中提到可以通過改變磁偏場來改變球粒超表面的磁電介質的極化，在第7部分也提到了在THz頻段的應用。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構。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特性的影響。電連接諧振器提供了一種直接控制電容響應的方法，通過電帶隙中材料的電特性來實現。一種實現這種控制的方法是使用不同的液體來填充縫隙。
圖17所示為一種電場耦合諧振器，所使用是流體調諧表面來使其運行在S波段（2.6GHz-3.9GHz），其尺寸如下：t=w=0.5mm, d=9.5mm, l=5mm, g=0.15mm.如果單元結構具有合適的導向，則這種單元結構很容易受入射波電場的激發(fā)。
制作在超表面上的單元結構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控制電容性縫隙，由此可以允許多種單元結構公用流體管道，c 可以使流體管道直接與單元結構的電容性縫隙接觸，這就有利于縫隙中激發(fā)的電場與流體管道的耦合。
圖18所示為一個3*6的方向陣列組成的流體調諧超表面。單元結構的周期是11mm。圖19所示為通過72 x 34mm S波段的波導激勵下的仿真響應。這個仿真是使用Ansoft HFSS實現的。
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成的另一種結構。
這個超表面陣列由填充了2/3波導區(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，可以更快的填充流體管道。之后波導的輸入和輸出就連接到矢網分析儀上來校準。經過校準之后，我們測量了在波導2.6GHz到3.95GHz散射體的參數。這種方法對反射系數測得的不確定度是?|S11|?0.02。
管道中有沒有流體的測量可以用來定義傳輸共振。有著相對介電常數為81的去離子水被用來測超材料調節(jié)頻率的能力，在S波段其具有易操作、低揮發(fā)、高介電常數和低損耗。流體管道使用注射器填充。圖21是實驗中波導下的超表面。
圖22為其實驗結果。結果證明其在150MHz的調諧能力。具有代表性的是，在有和沒有流體填充時其反射發(fā)生了明顯的滑移，從3.75GHz到3.6GHz。對于圖19的仿真結果與圖中沒有填充水時結果的不一致估計來源于工藝錯誤。另外，附加的噪聲擾動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出產生的干擾。將來，工藝方面的進展將會減小這種誤差。
此外，除了這種流體調諧作用，通過改變管道中流體而改變共振特性也是一種新的方法。這種方法以及應用在了制造業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥和化學工程。超材料或超表面在感測和影響的應用將會在后面做更細的論述。
9.2 微波輔助化學
處在諧振狀態(tài)的超薄膜可以在單元結構里存儲電磁能。這種特性可以用來增加電磁場與流體管道中流體之間的相互作用。現在有很多研究將微波能量來催化化學或者生物反應，其中有許多是得益于超薄膜來增加電磁場與流體的相互作用。這里所說的超薄膜方法對于反應來說非常重要，這種方法是通過控制反應物的流動來控制其化學反應，流體中的能量可以通過調節(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構的形狀和排列來調控，有不同諧振頻率的不同超薄膜可以通過單一波導的不同頻率來產生激勵。上面所說的超表面結構可以證明流體調諧性，也被研究用于集中波導的電磁場。
S頻段波導產生激勵時在波導中對電磁場強度做了仿真。每輸入1W3.29GHz波源，其中所計算的最大場強是800V/m。將超表面放入同一個波導中心，最大場強達到125000.這就加強場強至少有兩個量級，對于吸收增強了至少四個量級。圖23展示了處于單元結構中心的電場結構。
圖23所示電場結構證明了超材料結構在精確傳輸電磁能量方面的能力。上面所說的流體調諧超材料明確的證明了流體管道與組成超表面單元結構縫隙的相互作用。由此可以想象得到這種覆有流體網絡的超表面通過流體管道可以用于精確傳輸微波場，這可以用于輔助化學反應。
9.3 生物傳感器應用
上面所說的流體調諧超材料可以擴展到實現高的諧振頻率以及小片結構的傳感應用。單一單元結構可以實現一種環(huán)形或者網格超材料，這可以制作小巧傳感器以用于醫(yī)藥應用，在液體中計算細胞數或者監(jiān)測反應。圖24就是這樣的一種例子。兩個開口環(huán)連接在一起成一種共面波導結構。單元結構縫隙處連接一個流體管道，用來調節(jié)對單元結構電容的影響。通過改變管道中液體的電磁特性，可以調諧共面波導結構的傳輸特性。
圖25是這種結構的仿真結果，流體的相對介電常數從81變到58.當流體改變時，反射系數滑移幾十個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現成為了可能，這種傳感器可以應用于生物傳感比如計算細胞數或者流體的細節(jié)。未來或許會實現這種類型的傳感，定義電容率的微小變化以及使用儀器計算微粒。同樣，別的類型的小巧傳感器也將會繼續(xù)研究，這將對綜合的傳感器件發(fā)展有莫大好處。現行的研究主要在將這種概念應用在流體中測定和計算微粒，如白細胞數。
結論
超表面是3D超材料的另一種補充。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，同時對于超表面和超薄膜來說，有效表面電、磁極化率會有更合適的效果，其中這些表面電、磁特性與組成超表面的散射體密切相關。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用。所談及的應用只是現實的小小的小部分。同時提出了一些超材料可以使用的新的方面，并為超表面在新領域的應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用中對建模、分析和生產有了可用之法。
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諧振結構來實現期望的效果。實際上，這種概念已經有了一些新的應用。具有代表性的應用是一種使用單元結構設計的電力小巧天線。在這個天線應用中，單元結構充當天線的輻射元件的一個寄生元件，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諧可見光納米天線。另一個例子是將一維單元結構用作平面?zhèn)鬏斁€的調諧結構，就像圖24所示的傳感器一樣。另一種新興的應用領域是將一種一維納米微粒鏈用作波導來支持表面波。
然而更多的工作需要繼續(xù)來加強對超材料和超表面的理解、分析、設計以及制作技術，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所作出的預言。這些材料發(fā)展永遠的改變了射頻、微波、可見光和光子在未來的應用。
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