第二章工程结构试验设计.docx

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第二章工程结构试验设计

第二章结构试验设计

2.1结构试验设计概述

结构试验包括结构试验设计、结构试验准备、结构试验实施和结构试验分析等主要环节，它们之间的关系如下所列：

结构试验设计是整个结构试验中极为重要的并且带有全局性的一项工作，它的主要内容是对所要进行的结构试验工作进行全面的设计与规划，从而使设计的计划与试验大纲能对整个试验起着统管全局和具体指导的作用。

在进行结构试验的总体设计时，首先应该反复研究试验的目的，充分了解本项试验研究或生产鉴定的任务要求，因为结构试验所具有的规模与所采用的试验方式都是根据试验研究的目的任务要求不同而变化的。

试件的设计制作、加载量测方法的确定等各个环节不可单独考虑，而必须对各种因素相互联系综合考虑才能使设计结果在执行与实施中最后达到预期的目的。

在明确试验目的后，可通过调查研究并收集有关资料，确定试验的性质与规模、试件的形式，然后根据一定的理论作出试件的具体设计，试件设计必须考虑本试验的特点与需要，在设计构造上作出相应的措施，在设计试件的同时，还需要分析试件在加荷试验过程中各个阶段预期的内力和变形，特别是对具有代表性的并能反映整个试件工作状况的部位所测定的内力、变形数值，以便在试验过程中加以控制，随时校核；要选定试验场所，拟定加荷与量测方案；设计专用的试验设备、配件和仪表附件夹具，制订技术安全措施等。

除技术上的安排外，还必须组织必要的人力物力，因为一项试验工作经常不是一、两个人所能进行的，针对试验的规模，去组织试验人员，并提出试验经费预算以及消耗性器材数量与试验设备清单。

在上述规划的基础上，提出试验研究大纲及试验进度计划，试验规划是一个指导试验工作具体进行的技术文件，对每个试验、每次加载、每个测点与每个仪表都应该有十分明确的目的性与针对性，切忌盲目追求试验次数多，仪表测点多，以及不切实际的要求提高量测精度，因而有时反会弄巧成拙，达不到预期的目的。

有时为了解决某一具体的加荷方案或量测方案，可先做一些试探性试验，以达到更好地设计规划整个试验研究的目的。

对于以具体结构为对象的工程现场鉴定性试验，在进行试验设计前必须对结构物进行实地考察，对该结构的现状和现场条件建立初步认识。

在考虑试验对象的同时，还必须通过调查研究，收集有关文件、资料，包括设计资料，如设计图纸、计算书及作为设计依据的原始材料，施工文件，施工日志，材料性能试验报告及施工质量检查验收记录等，关于使用情况则需要深入现场向使用者（生产操作工人、居民）调查了解，对于受灾损伤的结构，还必须了解受灾的起因、过程与结构的现状。

对于实际调查的结果要加以整理（书面记录、草图、照片等）作为拟定试验方案，进行试验设计的依据。

由于近代仪器设备和测试技术的不断发展，大量新型的加载设备和测量仪器被使用到结构试验领域，这对试验工作者又提出了新的技术要求，对这方面的知识不足和微小疏忽，均会导致对整个试验不利的后果。

所以在进行试验总体设计时，要求对所使用的仪器设备性能进行综合分析，要求对试验人员事先组织学习，掌握这方面知识，以利于试验工作的顺利进行。

结构试验是一项细致而复杂的工作，因此必须进行很好的组织与设计，按照试验的任务制订的试验计划与大纲，并通过试验计划与大纲的执行来实现与完成提出的要求。

在整个试验工作中，我们必须十分严肃认真，不然不仅我们主观的愿望无法实现，同时会带来人力物力与时间上的浪费，影响试验结果，以致使整个试验失败或发生安全事故。

对一个结构物的试验必须在试验前做好各项试验的设计规划准备工作，了解情况要具体、细致，计划准备要全面周到，对试验过程中可能出现的情况要事先有所估计，并采取相应措施，对试验成果必须珍惜，要及时整理分析，充分加以利用。

总之，我们要求用最小的耗费，达到试验预期要求，并且取得最大的成果。

2．2结构试验的试件设计

在进行结构强度和变形试验时，作为结构试验的试件可以取为实际结构的整体或是它的一部分，当不能采用足尺的真型结构进行试验时，也可用其缩尺的模型。

采用模型试验可以大大节省材料、试验工作量和缩短试验时间，用缩尺模型作结构试验时，应考虑试验模型与试验结构之间力学性能的相关关系，但是要想通过模型试验的结果来正确推断实际结构的工作，模型设计必须根据相似理论按比例缩小，对于一些比较复杂的结构要使模型结构和实际结构在各个物理现象间均满足相似条件往往有困难，此时应根据试验目的设法使主要的试验内容能满足相似条件。

如能用真型结构进行结构试验，可以得到反映真型性状的试验结果。

但是由于真型结构试验规模大、试验设备的容量和费用也大，所以大多数情况下还是采用缩尺的模型试验。

就我国目前开展试验研究工作的实际情况来看，整体真型结构的试验还是少数，在规范编制过程中所进行的基本构件的基本性能试验大都是用缩尺的构件，但它不一定存在缩尺比例的模拟问题，经常是由这类试件试验结果所得的数据，直接作为分析的依据。

试件设计应包括试件形状的选择、试件尺寸与数量的确定以及构造措施的研究考虑，同时必须满足结构与受力的边界条件、试验的破坏特征、试验加载条件的要求，最后以最少的试件数量获得最多的试验数据，反映研究的规律满足研究任务的需要。

2·2·1试件形状

在试件设计中设计试件形状时，虽然和试件的比例尺无关，但最重要的是要造成和设计目的相一致的应力状态。

这个问题对于静定系统中的单一构件，如梁、枉、行架等，一般构件的实际形状都能满足要求，问题比较简单。

但对于从整体结构中取出部分构件单独进行试验时，特别是在比较复杂的超静定体系中必须要注意其边界条件的模拟，使其能如实反映该部分结构构件的实际工作。

当作如图2－1（a）所示受水平荷载作用的框架结构应力分析时，若试验A－A部位的柱脚、柱头部分时，试件要设计成如图2－1（b）所示；若作B－B部位的试验，试件设计成如图2-1（c）；对于梁如作成图2－l（d）（e）那样的设计，则应力状态可与设计目的相一致。

作钢筋混凝土往的试验研究时，若要探讨其挠曲破坏性能，如图2-l（h）的试件是足够的，但若作剪切性能的探讨，则图2－1（h）反弯点附近的应力状态与实际应力情况有所不同，为此有必要采用图2－1（i）中的适用于反对称加载的试件。

在作梁柱连接的节点试验时，试件受力有轴力、弯矩和剪力的作用，这样的复合应力使节点部分发生复杂的变形，但其中主要是剪切变形，以致节点部分由于大剪力作用会发生剪切破坏。

为了探求节点的强度和刚度，使其应力状态能充分反映，避免在试验过程中梁柱部分先于节点破坏，在试件设计时必须事先对梁柱部分进行足够加固，以满足整个试验能达到预期的效果。

这时十字形试件如图2－1（f）中节点二侧梁柱的长度一般均取1／2梁跨和l／2柱高，即按框架承受水平荷载时产生弯矩的反弯点（M=0）的位置来决定。

边柱节点可采用T字形试件。

当试验自的为了解初始设计应力状态下的性能，并同理论作对比时，可以采用如图2-（g）的X形试件。

为了使在X形试件中再现实际的应力状态，必须根据设计条件给定的N利V来测定试件的尺寸。

图2－1框架结构中的梁柱和节点试件

又如在进行升板结构的节点试验时，其试件可取如图2－2所示的形状，板的两个方向的长度同样可按板带跨中反弯点（M=0）的位置来决定。

在框架试验中，多数设计成支座固结的单层单跨框架。

如图2－3。

剪力墙是抗震结构的重要构件，国内外对剪力墙的试验研究很为重视，试件形式多样，有无框剪力墙，墙体是一块钢筋混凝土平板。

有框剪力墙，其中一种是与框架整体相连的钢筋混凝土板，另一种是在框架内设置钢筋混凝土剪力撑（图2－4（a））。

图2-4（b）为双肢剪力墙。

砖石与砌块试件主要用于墙体试验，可以采用带翼缘或不带翼缘的单层单片墙，如试验需要也可采用双层单片墙或开洞墙体的砌体试件。

如图2－5所示。

对于纵险由于外墙有大量窗口，试验可采用有两个或一个窗间墙的双肢或单肢窗间墙试件（图2－6）。

总之，以上所示的任一种试件的设计，其边界条件的实现尚与试件安装、加载装置与约束条件等有密切关系，这必须在试验总体设计时进行周密考虑，才能付之实施。

图2-2生板节点试件

图2-3单层单跨钢筋混凝土框架

图2-4钢筋混凝土剪力墙

图2-5砖石与砌块的墙体试件

图2－6纵墙窗间墙试件

2.2.2试件尺寸

关于结构试验所用试件的尺寸和大小，从总体上分为真型（实物或足尺结构）和模型两个大类。

从国内外已发表的试验研究文献来看，钢筋混凝土试件的尺寸其中小试件可以小到构件截面只有几厘米，大尺寸可以大到结构物的真型。

国内试验研究中采用框架截面尺寸大约为真型的1／4～1／2。

还做过三层到五层的足尺轻板框架试验。

在框架节点方面，国内外一般都做得比较大，为真型比例的l／2一1，这和节点中要求反映配筋特点有关。

作为基本构件性能研究，压弯构件的截面为16cm╳16cm～35cm╳35cm，短柱（偏压剪）为15cm╳15cm～50cm╳50cm，双向受力构件为10cm╳10cm～30cm╳30cm。

在剪力墙方面单层墙体的外形尺寸为80cm╳100cm～178cm╳274cm，多层的剪力墙为真型的1/10--1/3。

我国昆明南宁等地区曾先后进行过装配式混凝土和空心混凝土大板结构的足尺房屋试验。

砖石及砌块的砌体试件尺寸一般取为真型的1／4～1／2。

我国兰州、杭州与上海等地先后做过四幢足尺砖石和砌块多层房屋以及若干单层足尺房屋的试验。

一般来说，静力试验试件的合理尺寸应该是不大又不小，太小的试件要考虑尺寸效应。

对于微型混凝土截面在4cm╳6cm或5cm╳5cm以内或微型砌体（砖块尺寸为1．5cm╳3cm╳6cm），普通混凝土的截面小于10cm╳10cm，砖砌体小于74cm╳36cm，砌块砌体小于60cm╳120cm的试件都有尺寸效应，必须加以考虑。

当砌块砌体试件大到120cm╳244cm时，尺寸效应才不显著。

因此普通混凝土试件截面边长在12cm以上，砌体墙最好是真型的1／4以上，对于小于1／4的比例不但灰缝和砌筑等方面的条件难于相似，而且容易出现失稳破坏。

但是，在满足构造模拟要求的条件下太大的试件尺寸也没有必要。

国内外多层足尺房屋或框架试验的实践证明：

足尺真型的试验并不合算，要想解决的问题（加抗震能力的评定）解决不了，而足尺能解决的问题（如破坏机制等）小比例尺试件也行。

虽然足尺结构具有反映实际构造的优点，但试验所耗费的经费和人工如用来做小比例尺试件，可以大大增加试验数量和品种，而且试验室的条件比野外现场要好，测试数据的可信度也高。

因此，局部性的试件尺寸可取为真型的1／4～1，整体性的结构试验试件可取1／10～1／2。

对于动力试验，试验尺寸经常受试验激振加载条件等因素的限制，一般可在现场的真型结构上进行试验，量测结构的动力特性。

对于在试验室内进行的动力试验，可以对足尺构件进行疲劳试验，至于在模拟振动台上试验时，由于受振动台台面尺寸和激振力大小等参数限制，一般只能作缩尺的模型试验。

国内在地震模拟振动台上已经完成了一批比例在1／50～1／4的结构模型试验。

日本为了满足原子能反应堆的足尺试验的需要，研制了负载为1000t，台面尺寸为15m╳15m垂直水平双向同时加震的大型模拟地震振动台。

2.2.3试件数目

在进行试件设计时，除了对试件的形状尺寸应要进行仔细研究外，对于试件数目即试验量的设计也是一个不可忽视的重要问题，因为试验量的大小直接关系到能否满足试验的目的任务以及整个试验的工作量问题，同时也受试验研究、经费预算和时间期限的限制。

对于生产性试验，一般按照试验任务的要求有明确的试验对象。

对于预制厂生产的一般工业与民用建筑钢筋混凝土和预应力混凝土预制构件的质量检验和评定，可以按照《预制混凝土构件质量检验评定标准》GBJ321－90中结构性能检验规定，确定试件数量。

按《标准》GBJ321—90规定成批生产的构件，应按同一工艺，正常生产的1000件，但不超过三个月的同类型产品为一批（不足1000件者亦为一批），在每批中随机抽取一个构件作为试件进行检验。

这里所谓“同类型产品”是指采用同一钢种、同一混凝土强度等级、同一工艺、同一结构形式的构件。

对同类型产品进行抽样检验时，试件宜从设计荷载最大、受力最不利或生产数量最多的构件中抽取。

当连续抽查10批，每批的结构性能均能附合《标准》规定的要求时，对同一工艺、正常生产的构件，可改按2000件，但亦不超过三个月的同类型产品为一批，在每批中仍随机抽取一个试件进行检验。

对于科研性试验，其试验对象是按照研究要求而专门设计制造的，这类结构的试验往往是属于某一研究专题工作的一部分，特别是对于结构构件基本性能的研究，由于影响构件基本性能的参数较多，所以要根据各参数构成的因子数和水平数来决定试件数目，参数多则试件的数目也自然会增加。

由表2－1可见：

主要因子和水平数稍有增加，试件的个数就极大地增多。

在进行钢筋混凝土柱剪切强度的基本性能试验研究中，我们取不同混凝土强度和不同配筋率、配箍率的钢筋混凝土柱在不同轴向应力和剪跨比情况下进行试验，这里要求考虑的主要因子有受拉钢筋配筋率ρ、配箍率ρs、轴向应力σc、剪跨比λ和混凝土强度等级C等，如果每个因了各自有3个水平数时（每个选定的因子安排若干不同状态的试验点，叫做这个因子的水平数），就要试件数243个。

如果每个因子有5个水平数时，则试件的数量将猛增为对3125个，要这样多的试件实际上是不可能做到的。

表2-1分析主要因子与试件数

为此试验工作者在试验设计中经常采用一种解决多因素问题的试验设计方法——正交试验设计法，主要是使用正交表这一工具来进行整体设计、综合比较，可以妥善解决各因子和水平数相互结合可能参于的影响，和所需要的试件数与实际可行的试验试件数之间的矛盾，解决实际所作少量试件试验与要求全面掌握内在规律之间的矛盾。

现就钢筋混凝土柱剪切强度基本性能研究问题为例，用正交试验法作试件数目设计。

果如同前面所述主要分析因子数为5，而混凝土只用一种强度等级C20，这样实际因子数只有4，当每个因子各有三个差别，即水平数为3，详见表2－2所列。

表2－2钢筋混凝土柱剪切强度试验分析因子与水平数

根据正交表L9（34）试件主要因子组合如表2－3所示。

通过正交设计法原来需要243个试件可以综合为9个试件。

试件数量设计是一个多因素问题，在实践中我们应该使整个试验的试件数目要少而精，以质取胜，切忌善目追求数量；要使所设计的试件尽可能做到一件多用，即是以最少的试件、最小的人力、经费，以得到最多的数据；要使通过设计所决定的试件数量经试验得到的结果能反映试验研究的规律性，满足研究目的要求。

2.2.4结构试验对试件设计的要求

表2－3试件主要因子组合

在试件设计中当确定了试验形状、尺寸和数量后，对于每一个具体试件的设计和制作过程中还必须同时考虑试件安装、加荷、量测的需要，在试件上作出必要的构造措施，这对于科研试验尤为重要，例如混凝土试件的支承点应予埋钢垫板（图2－7（a））；在试验屋架一类平面结构时，在试件受集中荷载的位置上应埋设钢板，以防止试件受局部承压而破坏；试件加荷面倾斜时，应作出凸缘（图2-7（b）），以保证加载设备的稳定设置；在钢筋混凝土框架作恢复力特性试验时，为了框架端部侧面施加反复荷载的需要，应设置预埋构件以便与加载用的液压加载器或测力传感器联接，为保证框架柱脚部分与试验台的固接，一般均设置加大截面的基础梁（图2－7（c））；在砖石或砌块的砌体试件中，为了使施加在试件的垂直荷载能均匀传递，一般在砌体试件的上下均预先浇揭混凝土的垫块（图2-7（d）），对于墙体试件在墙体上下均捣制钢筋混凝土垫梁，其中下面的垫架可以模拟基础梁，使之与试验台座固定，上面的垫梁模拟过梁传递竖向荷载（图2-7（e））；在作钢筋混凝土偏心受压构件试验时，在试件两端做成牛腿以增大端都承压面和便于施加偏心荷载（图2－7（f）），并在上下端加设分布钢筋网。

这些构造是根据不同加载方法而设计的，但在验算这些附加构造的强度时必须保证其强度储备大于结构本身的强度安全储备，这不仅考虑到计算中可能产生的误差，而且还必须保证它不产生过大的变形以致改变加荷点的位置或影响试验精度。

当然更不允许因附加构造的先期破坏而妨碍试验的继续进行。

在试验中为了保证结构或构件在预定的部位破坏，以期得到必要的测试数据，就需要对结构或构件的其他部位事先进行局部加固。

为了保证试验量测的可靠性和仪表安装的方便，在试件内必须预设埋件或预留孔洞，如安装杠杆应变仪时，需要配合夹具形式及标距大小预埋螺栓或预留孔洞；用接触式应变仪量测试件表面应变时应埋设相应的测点标脚；钢筋混凝土试件用电阻应变计量测钢筋应变时，在浇注混凝土前应先在钢筋上贴好应变计，作好防潮及防止机械损伤的处理，如混凝土保护层不大，也可在准备贴应变计部位的保护层处预埋小木块，待混凝土凝固后将木块凿去，使钢筋外露，然后再贴上应变计，但这时对钢筋的贴片部位最好能事先打磨，这对于采用螺纹钢筋的结构尤需注意，避免以后在预留孔中打磨，由于部位狭小而带来困难。

对于为测定混凝土内部应力的预埋元件或专门的混凝土应变计、钢筋应变计等，应在浇注混凝土前，按相应的技术要求用专门的方法就位固定安装埋设在混凝土内部。

这些要求在时间的施工图上应该明确标出，注明具体作法和精度要求，必要时试验人员还需亲临现场参加试件的施工制作。

图2-7试件设计时考虑加荷需要的构造措施

2.3结构试验的模型设计

从国内外研究人员所取试件尺寸来看，由于真型结构的试验规模大，要求试验设备的容量和试验经费也大。

我国在70-80年代先后进行过近十幢房层的整体结构试验，但由于受到各种试验条件的限制，并没有都取得理想的效果，目前进行整体结构的较少，大多数是结构的部分或部件的试验，而且较多的还是采用缩小比例的模型试验。

进行结构模型试验，除了必须遵循前述试件设计的原则与要求外，结构模型还应严格按照相似理论进行设计，要求模型和真型尺寸的几何相似并保持一定的比例；要求模型和真型的材料相似或具有某种相似关系；

要求施加于模型的荷载按真型荷载的某一比例缩小或放大；要求确定模型结构试验过程中各参与的物理量的相似常数，并由引求得反映相似模型整个物理过程的相似条件。

这主要是因为模型需和真型结构满足相似要求，才能按相似条件由模型试验推算出真型结构的相应数据和试验结果。

2.3.1模型的相似要求和相似常数

一、几何相似

结构模型和真型满足几何相似，即要求模型和真型结构之间所有对应部分尺寸成比例，模型比例即为长度相似常数。

即（2-1）

下标m和p分别表示模型和真型。

模型和真型结构的面积比、截面模量比和惯性矩比分别为：

（2-2）

h

（2-3）

（2-4）

根据变形体系的位移、长度和应变之间的关系，位移的相似常数为

（2-5）

二、质量相似

在结构的动力问题中，要求结构的质量分布相似，即模型与真型结构对应部分的质量成比例，质量相似常数为：

（2-6）

对于具有分布质量的部分，用质量密度（单位体积的质量）表示更为合适，质量密度相似常数为：

（2-7）

由于模型与真型对应部分质量之比为Ｓm，体积之比为所以单位体积质量之比即质量密度相似常数为：

（2-8）

三、荷载相似

荷载相似要求模型和真型在各对应点所受的荷载方向一致，荷载大小成比例。

集中荷载相似常数

（2-9）

线荷载相似常数.（2-10）

（2-10）

面荷载相似常数（2-11）

弯矩或扭矩相似常数（2-12）

（2-12）

当需要考虑结构自重的影响时，还需要考虑重量分布的相似

（2-13）

式中和分别为质量和重力加速度的相似常数

按公式可知,而通常

则（2-14）

四、物理相似

物理相似要求与真型的各相应点的应力和应变、刚度和变形间的关系相似。

（2-15）

（2-16）

（2-17）

式中分别为法向应力、弹性模量、法向应变、剪应力、

剪切模量、剪应变和泊松比的相似常数。

由刚度和变形关系可知刚度相似常数为

（2-18）

五、时间相似

对于结构动力问题，在随时间变化的过程中，要求结构模型和真型在对应的时刻进行比较，要求相对应的时间成比例，时间相似常数为Ｓt

（2-19）

六、边界条件相似

要求模型和真型在与外界接触的区域内的各种条件保持相似。

也即要求支承条件相似，约束情况相似以及边界上受力情况的相似。

模型的支承和约束条件可以由与真型结构构造相同的条件来满足与保证。

七、初始条件相似

对于结构动力问题，为了保证模型与真型的动力反应相似，还要求初始时刻运动的参数相似，运动的初始条件包括初始状态下的初始几何位置、质点的位移，速度和加速度。

2.3.2模型设计的相似条件

结构模型试验的过程客观地反映出参与该模型工作的各有关物理量之间的相互关系。

由于模型和真型相似关系，因为它也必然反映出模型与真型结构相似常数之间的关系。

这样相似常数之间所应满足的一定关系就是模型与真型结构之间的相似条件，也就是模型设计需要遵循的原则。

一、结构静力试验模型的相似条件

一悬臂梁结构，在梁端作用下一集中荷载Ｐ

在a截面处的弯矩为（2-20）M

截面上的正应力为（2-21）

截面处的挠度为（2-22）

当要求模型与真型相似时，则首先要求满足几何相似

即

同时要求材料的弹性模量Ｅ相似，即

要求作用于结构的荷载相似，即

当要求模型梁上am处的弯矩、应力和挠度和真型模型相似时，则弯矩、应力和挠度的相似常数分别为：

将以上各物理量的相似常数关系代入公式（2-20），（2-21），（2-22）

则可得

（2-23）

（2-24）（2-25）

由以上公式（2-23，24，25）可见

仅当

（2-26）

（2-27）

（2-28）

才满足

（2-29）

（2-30）

（2-31）

这说明只有当公式（2-26），（2-27），（2-28）成立，模型才能和真型结构相似，因此，公式（2-26），（2-27），（2-28）是模型和真型应该满足的相似条件。

这时可以由模型试验获得的数据按相似条件推算得到真型结构的数据。

即

（2-32）

（2-33）

（2-34）

从上例可见，模型的相似常数的个数是于相似条件的数目，模型设计时往往是首先确定几何比例，即几何相似常数Ｓl。

此外，还可以设计确定几个物理量的相似常数，一般情况下，经常是先定模型材料，并由此确定ＳE。

再根据模型与真型的相似条件推导出其他物理量的相似常数的数值。

表2-4列出了一般静力试验弹性模型的相似常数。

当模型设计首先确定Ｓl及SE时，则其他物理量的相似常数就者是Ｓl或SE的函数或是等于1，例如应变、泊松比、角度位等均为无量纲数，它们的相似常数Sε,Sv,Sθ等均等于1。

表2-4结构静力试验模型的相似常数和相似关系

在上例中如果考虑结构自重对梁的影响，则由自重产生的弯矩、应力和挠度如下式表示在a截面处的弯矩（2-35）

截面上的正应力（2-36）

截面处的挠度（2-37）

式中Ａp为梁的截面积,γp为梁的材料的容重。

同样可以得到如下相似关系

即

（2-38）

（2-39）

（2-40）

以上公式中ＳV为材料容重的相似常数。

在模型设计与试验时，如果我们假设模型与真型结构的应力相等，则

由公式（2-39）可知，这时

如果Sl=1/4,则SV=4,即要求γm=4γp，当真型结构材料是钢材，则要求模型材料的容重是钢材的四倍，这是很难实现的。

即使真型材料是钢筋混凝土，也存在着相当的困难。

在实际工作中，