概念的知识结构（共12篇）
概念的知识结构 篇1
结构力学是高校土建类专业的一门重要的专业基础课, 主要研究杆系结构的内力和变形及结构的组成规律, 在基础课和专业课之间起着承上启下的作用[1]。承上是指在理论力学、材料力学的基础上, 进一步研究杆件结构;启下是指为钢筋混凝土结构、钢结构等专业课的学习打下坚实的基础。教师在讲授结构力学课程的过程中, 要十分重视帮助学生建立完整的知识体系和扎实掌握基本概念。
1 帮助学生建立知识体系
1) 建立完整的专业知识体系。
学生在本科阶段的前一年半时间主要是学习基础课, 如高等数学、理论力学、材料力学等, 从大二下学期开始学习结构力学课程。由于刚开始接触专业基础课, 学生对其与专业课之间的联系还不是很清楚, 所以教师在教学过程中应重视将课程内容和专业课程联系起来。例如, 让学生了解力矩分配法就是钢筋混凝土结构以及钢结构等结构设计的重要工具, 结构的动力计算是为了对结构进行抗震设计等等。将结构力学课程的相关内容与专业课联系起来, 并向学生做一些简要介绍, 帮助学生建立“数学—力学—结构—施工”这条完整的专业知识体系, 更加有助于提高学生学习本课程的积极性。
2) 建立“三大力学”知识体系。
在“三大力学”课程中, 理论力学是研究物体机械运动一般规律, 材料力学主要研究构件在外力作用下的变形、受力与破坏或失效的规律, 结构力学主要研究工程结构受力和传力的规律, 以及如何进行结构优化。
力学课程教学过程中, 要重视让学生建立更加清晰完整的力学知识体系, 尽量从力学知识体系的高度引导学生深刻理解力学概念。例如, 用截面法进行受力分析, 在三大力学课程中均有涉及, 仅仅是分析的对象有所不同。又如平衡问题, 包括质点的平衡、刚体的平衡、结构的平衡、静定结构以及超静定结构中力法、位移法中平衡条件的应用, 其理论依据都是相同的, 也仅仅是分析的对象有所不同。再如, 结构力学中的动力学部分, 主要研究体系在动力环境中的安全和可靠性, 学生普遍反映难度较大。实际上, 这部分内容在理论力学和材料力学中也涉及到, 只是理论力学的动力学部分和材料力学的动荷载部分主要研究简单系统的动平衡问题, 重点是动力学的基本原理和解释一些振动现象, 而结构力学重点是分析复杂系统的动力响应。
理论力学和材料力学是结构力学的基础, 力学中最基础的概念和理论都是在这两门课程中建立起来的。从这样的角度来引导学生, 可以让其在力学学习的各个阶段, 从整个力学知识体系的角度, 总结出力学分析及平衡的一般性规律, 不断加深对力学基本概念的理解。
3) 建立结构力学课程知识体系。
结构力学课程内容中, 各部分知识也是有机联系的, 形成完整的体系[2]。针对各部分知识, 帮助学生从整体上把握课程知识体系尤为重要。
例如, 在学习结构动力学时, 就需要重点讲解如何利用惯性力将动力问题变换成静力问题。又如, 在结构力学教学大纲中明确指出, 要“熟练掌握静定梁和刚架内力图的作法”“熟练掌握静定桁架内力计算”“熟练掌握静定结构在荷载作用下的位移计算”“熟练掌握用截面法求指定截面的内力”等等。以上这些内容均属于静定结构部分, 为什么都必须熟练掌握, 不难发现, 这些内容在整个结构分析中至关重要, 是超静定结构问题分析和计算的基础。教师在讲解用力法求解超静定结构时, 就需要重点讲解如何将超静定结构变成较为简单的静定结构来分析。所以在教学过程中, 应将静定结构分析的重要性明确告诉学生, 并让学生引起足够重视。这样在学完本课程之后, 学生掌握的不再是一些支离破碎的知识点, 而是前后有机联系的知识的组合体。
2 注重基本概念的掌握
1) 深刻阐述基本概念。
掌握结构力学的基本理论和方法, 是土木工程专业学生的看家本事。结构力学知识点多, 前后内容联系紧密, 前面所学内容往往是后续内容的重要基础。初次学习结构力学时, 一定要循序渐进, 稳扎稳打, 切忌间断, 似懂非懂。基本概念既是基础, 也是重点。只有深刻理解基本概念, 才能提高解题速度, 也有利于思路的延伸和知识的融汇贯通。
例如, 在讲解位移法基本原理时, 由于其与力法分析超静定结构步骤基本一样, 部分学生会将两者相混淆。教师可以将这两种求解结构内力的方法进行对比讲解, 让学生对力法和位移法的基本原理和方法有清晰透彻的理解。又如, 在学习“影响线”这部分内容时, 也会有学生将影响线与前面所学的内力图相混淆, 所以有必要将两者进行对比总结。再如, 在学习“结构的几何组成分析”这章内容时, 学生对“约束”“自由度”“几何不变体系”“几何可变体系”“瞬变体系”等一些概念理解不透, 则可以以大跨度斜拉桥为例来介绍[3]。对于重要的基本概念、基本原理以及分析问题的思路, 教师要舍得花时间去讲清讲透。
2) 基本概念趣味化。
教学应当是“教”与“学”的有效融合与紧密统一, 教师的主导作用与学生的主体作用是保证教学效果的不可分割的两个方面[4]。结构力学内容呆板、枯燥, 学生很容易产生厌学情绪。教师不仅要注重如何讲解结构力学知识, 更要思考如何激发学生的主观能动性, 让学生积极参与到教学环节中。学生一旦由“要我学”转变为“我要学”, 其学习积极性、学习的效率、学习的效果都会截然不同。
土木工程专业的实践性很强, 因此, 在讲授课程时, 要注重将枯燥无趣的基本概念、基本原理与实际问题联系起来。例如, 讲解“影响线”这部分内容时, 告诉学生学完本部分内容以后, 就可以对“在车辆移动荷载作用下的桥梁结构”和“在吊车荷载作用下的厂房结构”进行分析和计算。当教学让学生感觉能够用到解决实际问题时, 学习才能得到促进。对于那些比较抽象的基本概念, 我们还可以借助多媒体。例如, 可以利用动画来演示几何可变体系的运动现象、结构在不同频率及相应振型下的振动过程, 使学生对抽象的概念有比较直观的了解。另外, 使用多媒体也可以大大减少教师的板书时间, 而把精力用在讲解基本概念上。
3) 通过做题加深概念理解。
做题练习是结构力学一种重要的理论联系实际的学习环节[1]。布置足够数量的并具有典型性的习题, 要求学生多做多练。实践证明, 只有通过做一定数量的题目, 才能理解和掌握其中的概念、原理和方法。做题练习是为了学到知识, 提高本领, 切忌照抄照搬。教师选讲习题时, 也要做到精简明确, 有所取舍, 重点内容和基本思路及分析方法要充分展开讲解, 要尽量避免讲解重复性内容和做繁琐的数学运算。通过习题课进行讨论、讲评, 鼓励学生主动发言, 表达自己的分析过程, 说错也没有关系, 及时发现问题才能尽快解决。这样学生在教师的引导下积极思维, 基本原理和方法也就越来越清晰。
4) 课外答疑澄清模糊概念。
课外答疑是课堂教学的补充和延伸, 在结构力学教学中具有十分重要的作用。由于学时有限, 课堂授课的节奏往往较快, 部分学生可能跟不上课堂进度, 这就需要学生利用课余时间来及时消化。教师课下应积极与学生面对面的交流, 每周安排固定的答疑时间, 随时欢迎学生提问, 及时了解他们的学习进展与动态, 并通过作业情况掌握学生对课堂内容的接受程度和概念的理解程度, 对一些模糊概念要及时澄清。另外, 课外答疑还可以随时关注学生的进步, 及时对他们给予鼓励, 通过交流不但可以增强师生友谊, 也会在一定程度上提高学生对本课程的兴趣。
以上是针对结构力学课程的特点, 以夯实基础理论知识, 建立较为全面的知识体系为目标, 对结构力学课程的教学内容和教学方法, 提出的几点体会。总之, 在结构力学教学过程中, 教师不仅需要精通本专业知识, 还必须坚持科学发展观, 大力加强教学改革, 才能切实提高人才培养质量。
参考文献
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[4]周臻, 尹凌峰, 缪志伟.基于首要教学原理的结构力学教学过程重构[J].高等建筑教育, 2011, 20 (5) :59-64.
概念的知识结构 篇2
从一定意义上说，社会的劳动分工是构成产业的最本质性的条件。马克思曾指出“单就劳动本身来说，可以把社会生产分为农业、工业等大类?叫做一般的分工??”这种分工不是指劳动对象和生产要素。所谓产业，按照经济学理论的界说，就是指生产同一性质产品或劳务，是基于使用价值来理解的，如工业产品、农业产品、商业服务、邮电服务、教育服务等。按大的分类，就是大的“集合体”。如社会生产就有工业、农业、商业、文化、教育等产业部门。如果细分一点，就是小的“集合体”。如就工业产业部门而论，又有纺织、炼钢、造船等产业部门;就农业部门来说，叉有农业、林业、牧业等产业部门。假如再细分一点，就有更小的“集合体”。这些大大小小的产业部们，就是大大小小的“集合体”。每个小的“集合体”都必然属于相应的一个大的“集合体”。
产业“集合体”是有一定结构条件的。就是说，作为一个产业部门“有很多基本单元。这些基本单充根据一定的条件而构成一个产业部门。这些条件就是集合体诸元素之间存在的共同性，归纳起来有如下几点。
其一，生产性。所谓生产性，就是创造财富的活动功能。一般说有两种生产。“在第一种生产中，生产者物化”;“在第二冲生产中，生产者所创造的物人化”。但是，“一切生产都是个人在一定社会形式中，借这种社会形式而进行的对自然的占有”。这种占有就是创造社会财富。
其二，商品性。生产的产品和提供的劳务都不是自身消费，而是用来交换。这就决定了其社会性质，不存在无偿供给的消费品。
其三，求利性。所谓求科性，就是通过生产产品和提供劳务获得尽可能多的经济收益，以实现职工劳动的价值，并实现产业的发展。社会主义产业的求利性与资本家的唯利是图有本质的不同，它是社会再生产实现的根本要求。
概念的知识结构 篇3
关键词：建筑结构；概念設计
一、概念结构设计的的意义
在建筑领域——概念设计指结构概念设计，结构概念设计是保证结构具有优良抗震性能的一种方法。概念设计包含极为广泛的内容，选择对抗震有利的结构方案和布置，采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施，设计延性结构和延性结构构件，分析结构薄弱部位，并采取相应的措施，避免薄弱层过早破坏，防止局部破坏引起连锁效应，避免设计静定结构，采取二道防线措施等等。应该说，从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤中都贯穿了抗震概念设计内容。
1、弥补计算机的缺陷
在当今社会，计算机的高精度，往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解，所以在方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来实现，只有加强结构概念的培养，设计师采用概念设计可以填补计算设计能力不足的空缺，使建筑结构设计使结构设计更完美。
2、概念设计的创新思维
概念设计是创造性思维的一种表现形式，要设计就要有创新，而创新正是概念设计人员进行创造性思维的结果，技术创新的本质就是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创作。
3、概念设计对抗震更为合理
在概念设计中，应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，避免了因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力，拥有良好的变形能力和消耗地震能量的能力，对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。
二、结构设计在概念设计中要注意的问题
1、在选择建筑场地时要选择抗震性较好的地段，尽量避开不利地段，如果
避不开的地段则要采取针对措施，必须将由于地震场地条件而间接导致结构破坏的因素考虑进来。概念设计过程中不能忽略建筑平面布置等要求，如果方案存在严重不规则的现象则严禁采用。在确定结构体系的过程中，要对结构体系方案、技术可行性和经济性等进行综合比较，提高建筑结构的延性与匀质性，尽量降低建筑重心。此外，由于发生地震时会持续一定的时间或者会多次、反复作用，所以要尽量设置多道抗震防线。因此在结构设计过程中，要保证结构体系与相关抗震结构要求相符，对构件的强弱关系进行适当处理，从而提高结构的抗震能力。
2、注意结构刚度、承载力分布的合理性，在实际工程中只有通过提高工程成本或者降低结构延性指标等才能进一步改善结构的抗侧移刚度，而结构设计时可以有意识地提高结构中重要构件、关键构件的延性，以改善设计方案的经济性。在判断计算方法是否合理时可以通过概念来确定，从某种程度而言，这种方法也是概念设计的延伸。现在计算机技术在工程设计中的应用越来越广泛，绝大多数设计均是依靠计算机来实现的，但是要在设计过程中将设计经验理性、科学地利用起来，再与施工中可能遇到的问题互相结合，对计算结果进行分析，并在画图中进行合理的调整，才能保证结构设计的科学性与实用性。
3、在结构材料选择过程中，选择钢筋时要尽量选择延性、韧性以及可焊性较好的，且混凝土也要与规定的强度等级要求相符，控制脆性材料的用量，保证材料满足抗震设计要求，将其强度充分发挥出来。此外，为提高结构强度还要保证结构的整体性，具体包括两个方面：一是满足抗震的构造连接，二是包括经过计算的节点连接。
4、要注意施工过程中实际问题的现场处理。因为建筑施工现场存在诸多不
确定性因素，可存会出现无法操作或者施工误差过大等各种问题，仅靠单纯的计算无法解决问题，因此只能依靠设计人员专业的设计经验与设计技术，在协商施工、监理等各方后再提出准确、合理的解决方案。
三、结构设计的主要措施
在实际的结构设计中，无论是制定方案或者初步设计，还是结构计算或者绘制施工图，甚至在施工现场的工地服务均要贯穿概念设计的理念，因此，结构设计过程中要注意以下几个方面：
首先，在选择建筑场地时要选择抗震性较好的地段，尽量避开不利地段，如果避不开的地段则要采取针对措施，必须将由于地震场地条件而间接导致结构破坏的因素考虑进来。概念设计过程中不能忽略建筑平面布置等要求，如果方案存在严重不规则的现象则严禁采用。在确定结构体系的过程中，要对结构体系方案、技术可行性和经济性等进行综合比较，提高建筑结构的延性与匀质性，尽量降低建筑重心。此外，由于发生地震时会持续一定的时间或者会多次、反复作用，所以要尽量设置多道抗震防线。因此在结构设计过程中，要保证结构体系与相关抗震结构要求相符，对构件的强弱关系进行适当处理，从而提高结构的抗震能力。
其次，注意结构刚度、承载力分布的合理性，在实际工程中只有通过提高工程成本或者降低结构延性指标等才能进一步改善结构的抗侧移刚度，而结构设计时可以有意识地提高结构中重要构件、关键构件的延性，以改善设计方案的经济性。在判断计算方法是否合理时可以通过概念来确定，从某种程度而言，这种方法也是概念设计的延伸。现在计算机技术在工程设计中的应用越来越广泛，绝大多数设计均是依靠计算机来实现的，但是要在设计过程中将设计经验理性、科学地利用起来，再与施工中可能遇到的问题互相结合，对计算结果进行分析，并在画图中进行合理的调整，才能保证结构设计的科学性与实用性。
再次，在结构材料选择过程中，选择钢筋时要尽量选择延性、韧性以及可焊性较好的，且混凝土也要与规定的强度等级要求相符，控制脆性材料的用量，保证材料满足抗震设计要求，将其强度充分发挥出来。此外，为提高结构强度还要保证结构的整体性，具体包括两个方面：一是满足抗震的构造连接，二是包括经过计算的节点连接。节点连接要遵循“强节点、弱杆件”的设计原则，把握好构造连接的度，并非构造连接越刚越好。最后，要注意施工过程中实际问题的现场处理。因为建筑施工现场存在诸多不确定性因素，可存会出现无法操作或者施工误差过大等各种问题，仅靠单纯的计算无法解决问题，因此只能依靠设计人员专业的设计经验与设计技术，在协商施工、监理等各方后再提出准确、合理的解决方案。
结束语
随着社会经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，建筑结构设计理念需要不断地更新和完善，才能满足人们对建筑结构设计质量的更高要求，必须加快对建筑结构设计相关的包括设计计算理论和建筑施工工艺及材料在内的一切研究，让建筑结构设计更为安全使用、经济可靠。而作为建筑结构设计人员的结构工程师也应该不断巩固自身专业技能并汲取先进的设计思想，开拓创新，加深对新型建筑结构设计理念的推广和应用，促进建筑结构设计乃至整个建筑生产工程的发展和进步。
参考文献：
[1] 朱蔚惠.浅谈建筑结构设计中的概念设计及结构措施要求[J].科技创新与应用，2012，（20）：222.
[2] 张海峰，乔安宇.建筑结构设计中的概念设计与结构措施[J].黑龙江科技信息，2012，（12）：236.
概念的知识结构 篇4
理想的评价应是客观的、可信的、受作答情境影响最小的,最重要的是它能捕获学生的知识结构。[1]测评实践告诉我们,客观性测验,如选择、填空、简答题等可能是客观的、易评的,但这些问题的解答往往依赖于学生的记忆,更多地倾向知识点的考评,很难检测被试者的知识结构;而主观性测验,如论述题、研究报告等或许减少了对学生作答情境的限制,也允许他们阐释自己的知识结构,但评价的客观性普遍受到质疑。如何实现理想评价呢?国外大量研究表明,概念图评价是以层次化、可视化、结构化的方式来评估高水平、表征意义学习特征的概念化理解能力,它能直接捕捉学生的学科知识结构。[2]
中美两国在教育理念、教学方法等方面存有很多差异。那么,两国中学生的学科知识结构有无差异?有哪些差异?本文拟用SPSS统计软件分析两国中学生所构造的概念图,从而比较他们的学科知识结构。
二、概念界定
知识结构是指事实、概念、观念、公理、定理、定律等的组合方式,可分为学科知识结构、个体知识结构和群体知识结构。[3]
学科知识结构是指各门学科都是由一些最基本的概念、原理组成,这些基本概念、原理的相互关联及形成这些关联的更深、更一般的意义关系构成了该学科知识结构。[4]
概念图是一种以图表的形式反映概念和概念间关系的知识结构图,它由节点、连线、连接语、命题和层级组成。节点表示概念,这里的概念泛指感知到的同类事物的共同属性,它可以表征为学科概念、原理、信息点等;连线表示概念间的意义联系,并用箭头表示指向;连接语指在连线上用于标明两概念间关系的字、词、符号或短语;命题是两个概念之间通过连线、连接词而形成的概念、原理的更深层意义关系;层级(或类型)是概念的展现方式,它可以是线型、层次型、辐射型及网络型。[5]
概念图评价:是对学生所构建的概念图的内容、层次和结构进行测评,它既包括定性分析也包括定量打分。[6]实测时,我们给学生提供系列概念,用学生自己设计的连接词语构建概念图,简称C评价或C技术。(1)
三、研究方法与研究假设
本研究采用定性和定量相结合的方法,如表1所示。
学生所建概念图的质量可以评测其知识结构性状。其中构图的平均分、标准差及茎叶图的分数分布可以评价学生的构图质量,间接反映学生的知识结构,从而定量、宏观地比较两国学生知识结构有无差异;概念图的命题构建和构图结构可以直接反映学生的知识结构,从而微观地比较学生知识结构的差异点。
四、实验设计
研究对象。中国学生:石家庄市第六中学九年级的49名学生,其中男生25名,女生24名,基本源自家境良好的家庭。美国学生:加利福尼亚湾中学九年级的49名学生,男生25名,女生24名,他们大部分来自中等或中等以上家庭。同由教龄10余年的理科教师任教,他们均学习了关于密度、质量和物质的单元课程。
概念图技术的培训。两组学生均进行了两次集中培训。第一次,用PPT系统讲解概念图知识及其制作;第二次,系统地培训C技术,使得所有学生都能掌握其制图方法。之后,进行了前测检验,结果为P>0.05。
遴选评价概念:由于“浮力”部分是中学物理的重点和难点,其知识有很好的结构性,因此我们选择了“浮力”中的部分概念为测评内容。经过1名物理学科教学论教师、4名初中物理学科教师、5名物理学科教学论研究生反复讨论,从20个可能的概念中选出9个概念,并合作研制出标准概念图1。
评分系统:基于学生所创建的命题质量和数量求得命题总得分,单命题采用“四分制评分”,如图2所示。
为了科学地对每个概念图进行评分,我们创建了“命题资料库”,其中涵盖每位学生所构建的命题。根据“命题资料库”和图2,经过反复研讨,最后又补充了如下的评分细则:
(1)语法不严密,非标准答案用词,但意义描述正确给满分。
(2)概念之间有联系,但未给出箭头指向,酌情给1或2分。
(3)连接了两个有意义的概念,但意义描述模糊,酌情给1或2分。
(4)所连接的两个概念没有科学意义,不给分。
实验前学科主任宣讲了测试意义,要求学生认真对待。测试时两国学生分别在异地进行,测试时间为15分钟。之后,美国试卷密封并通过特快专递抵石家庄。
五、实验结果和讨论
(一)中美中学生学科知识结构的宏观、间接比较
1.中美中学生构图平均分和标准差之整体比较
根据评分细则,评分组(1名物理学科教学论教师、2名物理学科教学论研究生)对98名学生的构图结果进行了评判。评分时,2名研究生分别评判中国学生试卷与美国学生试卷,然后交换,进行复查,对存有异议者由教师定夺。测试分数的统计值如表2所示。
表2表明,最高分出自中国学生(中Max=32.0>美Max=27.0),中国中学生的平均分高于美国中学生(中Mean=20.41>美Mean=17.37)。中国中学生的标准差高于美国中学生(中Std Deviation=6.055>美Std Deviation=5.936)。
由于参与测验的两国学生均是从正态总体中抽出的独立样本,他们通过了前测,具有同质性,因此可进行配对样本T检验。表2表明,95%的置信区间是[1.0234,5.0582],没有包括零,即平均分之间的差值平均来说为零是无法接受的。同时显著性水平小于0.05,也就是说有95%以上的把握认为他们的差值的均值不等于0。由此可以断定,整体来看,美国学生得分低于中国学生,两国中学生的知识结构存有显著差异。
2.中美中学生构图分数分布的茎叶图之比较
中美中学生分数的茎叶图详细描述了两国学生的分数分布情况,如图3、图4所示。由此可见,整体上中国学生分数远高于美国学生;中国学生最高分(32分)高于美国学生最高分(27分);中国出现了两名极异分数(8分),而美国则无此现象。另外,中国学生的得分出现了明显的极端现象:最高分段(2人)和最低分段(2人)学生人数均较少,而中间分段学生人数较多,其中得20-24分的学生最多(19人);美国学生分数分布相对均匀,除低分段(<10分,5人)和高分段(≥25分,7人)学生以外,其他各分数段学生人数接近(10-14分,12人;15-19分,13人;20-24分,12人)。若按照中国五分段分数统计,最高分数段学生为尖子生,最低分数段学生为学困生,则中国的高分段学生仅2人,而美国有7人,中国低分段学生为9人(加上2个极异生),美国为5人。
以上茎叶图分析表明:中美中学生的分数分布存在显著差异,也就是说两国学生所创造的概念图存有显著差异,即学生的知识结构有明显差异。为深入探究两国学生知识结构的差异来源,我们进行了微观上的命题创造和构图结构研究。
(二)中美中学生学科知识结构的微观比较
1.中美中学生命题构建之比较
命题是概念图的基本构成单位,它揭示了学生的知识结构性状。根据学科知识的要素和图1特点,我们将其划分为常识性知识、学科性知识和应用性知识,并派生三类命题:常识性命题(生活和学习中应具备的基本知识)、学科性命题(学科中学习的知识)、应用性命题(学科知识的简单应用)。
图5显示了中美中学生所构建命题的情况。可见,学生在三类命题创建上有显著差异。在常识性命题创建上中美学生较接近,且美国学生稍高于中国学生,如在三个命题“木块-体积”、“物质-木块”、“液体-体积”的创造上,中美学生的百分比分别为:76%和79%、71%和72%、63%和67%;在学科性命题创建上中国学生远好于美国学生,如在三个命题“质量-密度”、“密度-体积”、“浮力-密度”的创造上,中美学生的百分比分别为:92%、86%、80%和49%、38%、36%;在应用性命题创建上中国学生也好于美国学生,如在三个命题“木块-浮力”、“液体-浮力”、“物体-浮力”的创造上,各自的百分比分别为:72%、62%、65%和49%、55%、50%。
可见,中美中学生所创建的概念图命题明显不同,中国中学生的学科知识坚实,学科知识的简单运用较好,但常识性知识略劣于美国中学生。
2.中美中学生构图结构之比较
根据两国学生的构图情况,我们得出五种结构类型的概念图——线型、树型、圆型、中心辐射型和网型。为了细化研究,我们又把这五种类型划分为简单型、一般型和复杂型,线型结构的为简单型,有网状结构的为复杂型,树型、圆型和中心辐射型为一般型。(1)实践表明,构图类型在一定程度上反映了学生的创造能力:构图类型越多、复杂程度越高,学生的创造力越强。据此,我们对学生们的构图进行了分析,结果如表3和图6所示。表3和图6表明,在构造一般类型图方面,两国学生无明显差异;然而在简单型和复杂型构图上,二者有差异,美国54.1%的学生构建了复杂型概念图,高于我国4.8%;4.2%的美国学生构建了简单型概念图,低于我国3.6%。
由此可得,两国学生所构建概念图的结构也具有差异,总体来看,美国中学生的构图类型多,复杂程度高,因此,他们学科知识结构的创造能力略优于我国。
六、结论
概念图是一种以结构化的形式反映概念和概念之间关系的空间网络图。作为评价工具它具有考察点多的优势,不仅能给出学生得分和得分分布,而且还能从命题创造与构图结构等方面来分析学生的知识及其组织,因此能较好地评价学生的知识结构。
概念图测试实验表明,中美中学生的学科知识结构有显著差异。相对美国中学生,中国中学生应试能力强,平均分高,但分数分布不均匀;虽然他们的基础知识扎实,学科知识的掌握及简单运用较好,但在常识性知识和知识创新上有待提高。
我们认为这一结果与两国的教育现实有关,如我国的基础教育扎实,学生的知识体系夯实;美国的基础教育相对宽松,重视知识的宽度和学生创新能力的培育。
值得说明的是,上述结果除受偶然误差(概念图的理解、评分等)影响外,还受系统误差(测试内容、评分标准、学生作答时的情境和心态等)的影响。如两国学生对本次测试的态度不尽相同。我国考试次数频繁,师生均重视考试和各类测试;而美国考试的频率及学生对分数的关注程度远低于我国。从答卷过程和交卷时间可说明这一点:中国绝大多数学生拿到试卷后,首先认真思考,然后执笔构图,概念图完成后再次思索并检查,直至交卷时间,交卷后仍互相讨论,并围着老师索要“标准答案”;美国学生答题过程则具有多样性:一些学生犹如中国学生一样也经历了“思考→构图→检查→交卷”的过程,一些学生则经历了“思考→构图→交卷”的过程,还有些学生的过程是“构图→检查→交卷”和“构图→交卷”。美国提前交卷者(13人),远多于中国学生(7人)。
当然,以上研究还需要改进或进行深度探究如:(1)怎样减小系统误差?(2)如何检测学生构建概念图时的思维过程?(3)学生性别、思维水平、学习风格与构图结构有怎样的相关性?(4)不同形式的概念图评价分别主要激发了学生知识结构的哪些方面?(5)怎样实现知识结构的形成性评价?
参考文献
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[4][美]布鲁纳.教育过程[M].邵瑞珍译.北京:文化教育出版社,1982.36～38.
详解Lua中的数组概念知识 篇5
数组是有序的对象的装置，它可以是包含含有多个行和列的行或多维阵列的集合的单个二维数组，
在Lua中，数组是使用索引表与整数实现的。数组的大小是不固定的，它可以增长基于我们需要受存储器限制。
一维数组
一维数组可以用一个简单的表结构来表示，可以初始化，使用一个简单的for循环读取。如下例子所示。
代码如下:
array = {“Lua”, “Tutorial”}
for i= 0, 2 do
print(array[i])
end
当我们运行上面的代码之后，将得到下面的输出。
代码如下:
nil
Lua
Tutorial
正如在上面的代码中看到，当我们试图访问索引中是不存在的数组中的元素，则返回nil。在Lua索引通常开始于索引1，但有可能在索引0和小于0，以及创建对象。显示使用负索引数组下面我们初始化使用for循环数组。
代码如下:
array = {}
for i= -2, 2 do
array[i] = i *2
end
for i = -2,2 do
print(array[i])
end
当我们运行上面的代码之后，将得到下面的输出。
代码如下:
-4
-2
0
2
4
多维数组
多维数组可以用两种方式来实现。
数组的数组
一维数组通过控制索引
对于3,3多维阵列如下所示使用数组的数组的例子。
代码如下:
-- Initializing the array
array = {}
for i=1,3 do
array[i] = {}
for j=1,3 do
array[i][j] = i*j
end
end
-- Accessing the array
for i=1,3 do
for j=1,3 do
print(array[i][j])
end
end
当我们运行上面的代码之后，将得到下面的输出，
代码如下:
1
2
3
2
4
6
3
6
9
对于3,3多维阵列的例子如下所示使用操作索引。
代码如下:
-- Initializing the array
array = {}
maxRows = 3
maxColumns = 3
for row=1,maxRows do
for col=1,maxColumns do
array[row*maxColumns +col] = row*col
end
end
-- Accessing the array
for row=1,maxRows do
for col=1,maxColumns do
print(array[row*maxColumns +col])
end
end
当我们运行上面的代码之后，将得到下面的输出。
代码如下:
1
2
3
2
4
6
3
6
9
校长教育经营力的概念与结构 篇6
摘要：社会主义市场经济条件下，校长不仅是管理者，也是经营者，校长的教育经营力属于校长核心领导力。校长教育经营力是指校长为了达到学校既定教育目标，将企业的经营管理理念与方法部分运用到学校领导与管理中，按照市场经济的运作方式，借用企业管理的理念和运行机制，优化配置和合理使用各种校内外资源，获得教育上优质的有形和无形资产的较快增长的一种能力。校长教育经营力由校长的品牌经营力、校长的营销力、校长的资本（产）经营力、校长的人力资本配置与开发力组成。
关键词：校长教育经营力 概念 结构
教育是产业，不同于行政管理部门，教育是一个特殊的产业，属于第三产业即文化产业。既然教育是一个产业，那就应当对之进行经营，而不仅仅是加以管理[1]。校长能否具有较强的教育经营力，已成为中小学校核心竞争力具有持久优势的一个重要表征。中小学的生存状态、竞争地位、管理绩效与发展潜力，越来越取决于其获取人力资源、物力资源和财力资源的数量和质量。因此，校长需要提高自己的教育经营力，优化配置和使用各种教育资源，注重中小学投入与产出之间的效应，追求社会效益与经济效益的最佳平衡。
一、校长教育经营力的概念
从宏观角度上来说，教育经营是指通过产业经营的方式盘活整个社会的教育存量，扩大教育增量，促进教育资源有效配置和科学利用。从微观角度上来说，教育经营是指某一教育单位为了实现教育目标，科学合理地配置教育资源以实现效益最大化[2]。校长教育经营力就是指校长为了达到学校的既定教育目标，将企业的经营管理理念与方法部分运用到学校领导与管理中，按照市场经济的运作方式，借用企业管理的理念和运行机制，优化配置和合理使用各种校内外资源，获得教育上优质的有形和无形资产的较快增长的一种能力。当然，校长经营学校须遵循教育的基本规律与学校本质属性。中小学校本质上是人才培养的基地，其公益性、知识性、服务性与产业的属性特质决定了中小学校的经营以育人为主要旨归，校长经营学校并不是把中小学校简单推向市场，也不是完全商业化的开放办学，校长经营学校时必须保持学校与社会、市场适当的距离，必须高度关注人才培养的质量，进行成本核算和讲求经济效益，保持社会效益与经济效益适度的张力，追求两者的动态平衡。
二、校长教育经营力的结构
中小学的资源主要分为财力、物力与人力资源，与之相适应，校长教育经营力可以细分为校长的品牌经营力、校长的营销力、校长的资本（产）经营力及校长的人力资本配置与开发力。
1.校长的品牌经营力
什么是品牌？历来见仁见智。美国市场营销协会（AMA）将其定义为：品牌是一种名称、名词、标记、符号或服务，使之与其他竞争者的产品和服务相区别，而某些人就将品牌定义成广大消费者对产品精神上以及物质上的体验，品牌是一个整体性的概念[3]。学校品牌是经过精心培育和市场选择形成的，中小学校品牌是学校的金字招牌和无形资产，能维护学校形象、降低招生成本、吸纳优质生源、吸引优秀教师、增强融资信用、拓展生存空间、抵御各种偶发风险。校长品牌经营力是指校长将中小学校品牌视为独立的资源和资本，并以此为主导，组合、带动与运用学校各种资源和资本，从而取得最大经济效益和社会效益的一种经营活动和经营行为的能力。校长品牌经营力包括校长品牌定位能力、品牌设计能力和品牌营销能力。
校长品牌定位能力是校长在SWOT分析和教育市场充分调研的基础上，找出自己学校的比较优势，对学校特定的品牌在文化取向及个性差异上进行科学决策的能力。校长对学校科学的品牌定位是学校品牌经营成功的前提和基础，它为中小学校进占和拓展教育市场，集聚人、财、物等各种资源要素正确导航。如果校长不能对自己的学校品牌进行科学定位，就很难树立自身独特的被社会与家长所认可的品牌个性和学校形象，进而难以积聚各种要素资源，延缓了优质学校建设的进程。
校长品牌设计能力是校长在对学校品牌正确定位的基础上，基于正确品牌定义下的视觉沟通，便于学校正确把握品牌方向，并能够使教育服务消费者准确快捷地对学校品牌形象进行深刻有效的记忆的能力。校长要成立专门组织机构，制订中小学品牌战略发展规划；运用UIS设计，创建学校视觉识别系统、行为识别系统和理念识别系统，塑造中小学校文化形象，增强中小学校品牌的文化品味。同时提高学校教育服务质量，增强中小学生与家长作为教育服务消费者的满意度、增强教育服务生产者——中小学教师的满意度、增强中小学教育服务的消费者——更高一级学校的满意度，确保中小学品牌的卓越文化品质。
校长品牌营销能力就是校长把中小学的教育产品形象通过一些特定手段与媒介深刻地映入教育消费者心中的能力。校长要有效运用口碑传播、网络营销和新闻媒体营销等多种营销策略，提升学校的美誉度、知名度和忠诚度，积累学校的品牌资本，扩充学校的社会资本，充分彰显学校的品牌价值。
2.校长的营销力
营销一词最早来自经济学，主要是针对营利性公司的市场竞争的理念和策略[4]。“营销”是以一种可持续的方式来确定并满足顾客和社会需求的管理过程。“营销”不同于“营利”，营销是以满足顾客需求为核心[5]。“营销”不是“做广告”，它是包含产品、价格、分销、促销等一系列因素的整体战略[6]。校长的营销力是指校长从市场的需求出发，计划出能满足教育服务消费者需求的教育产品，并通过一定的营销策略宣传自己学校且进一步与教育服务消费者达成交易，以实现自身想要达到的目标而采取某种策略的能力。一个优质的中小学校如果没有一个有营销头脑的校长就很难将自己推销出去，在市场经济时代，人们已很难从同等水平、层次学校的外在表现去辨别它们的优劣，从而做出理想选择。与此同时，现今是一个处处充斥着“营销”词汇的时代，营销也早已不再只是商业的独有代表。但是多数校长并没有一个有效推广学校的方式，以至于教育服务消费者心中并没有对该学校产生一个深刻的印象，也因此在众多中小学校的激烈竞争下黯然失色，教育服务消费者没有产生对这些中小学校的兴趣也就不会有选择的倾向。营销可以分为内部营销和外部营销，外部营销简单地说就是向教育服务消费者推销自己所生产的产品，而内部营销是指与教育服务生产者教师之间不断分享信息，并且认可他们所做贡献的过程。这个过程也构建了一个健康的企业文化，只有持续不断的内部营销才能创建出一流的企业[6]。校长能成功地进行营销是中小学校效益来源的枢纽之一。校长营销力的特性主要表现在以下几方面。
（1）产品具有无形性
校长营销是将生产和消费结合在一起的，且产品是无形的，因此与一般的商品不一样。其产品受到各个因素影响会变得不稳定，而校长要做到的首先就是将教师的教学质量放在教育服务消费者面前，变得透明化，得到他们的认同，否则产品有可能因难以保留而影响校长进行学校营销的效率。
（2）教育具有公开性
学生在中小学校接受教育，不只是单个机构或者个人的行为，这是国家规定的，不可更改的，学生的成长一直倍受社会关注，教育是国家兴旺发达的基石，中小学也如同其他阶段的学校一样倍受大众的瞩目，校长要做到将中小学校的一切教育让大众知晓。
（3）群众多样性
一所学校面对的不只是学生和教师，应大致包括四类：学校教师（教育服务生产者）、学生（教育服务消费者）、家长与社区（教育服务消费者）、当地教育局。如同学生在中小学校所受教育具有公开性一样，这四类人员对中小学校提供的教育都具有评判的权利，影响着中小学校在社会中的生存与发展，因此，校长就要具备能够向各方介绍自己学校的能力。
（4）教育目标多重性
中小学这种教育机构与一般的营利机构是不一样的，它所追求的目标是多样的，最主要的是培育人。一所学校不仅要提供满足学生与家长等教育服务消费者对教学及师资的需求，还要与国家教育机关所推出的政策相配合，为满足其提出的目标而努力，校长在此就要提供多重目标来适应教育服务消费者的需要。
3.校长的资本（产）经营力
在市场经济条件下，随着教育改革的不断深化，学校与市场的关联度越来越高，学校特别是民办中小学校的地位越来越窘迫，办学经费捉襟见肘、难以为继，校产陈旧破损，办学物质匮乏，这就要求校长必须面向社会、面向市场办学，在合理配置学校物力财力资源，提高资本、资产使用效率的同时，还要从社会和个人获得更多的资本、资产。资本经营，就是指买卖资产与经济组织的行为。资本经营是与生产经营相对应的范畴，生产经营是指生产与买卖产品的经营行为，而资本经营则是以资产及经济组织的交易为中心的[7]。从微观角度阐述校长的资本（产）经营力，就是指校长在遵守教育规律和国家有关法规的前提下，以提高效率和节约成本为基本原则，对学校财力和物力进行筹谋、运营与管理，以实现学校财力和物力不断保值与增值，实现学校效益最大化的能力。在市场经济条件下，具有办学优势的学校特别是民办学校，不能单纯凭借自身的财力和物力优势来进行规模的扩张，而应该凭借自身的财力物力优势，以经济利益和产权关系为杠杆，吸纳、整合社会资产、资本或者其他薄弱中小学校的资产、资本，扩大办学规模，提高自身的核心竞争力。其主要方式既可以是承包租赁、参股控股，也可以是兼并和托管。校长资本（产）经营力的功能主要表现在以下几方面。
（1）解决中小学校的生存问题
中小学校特别是民办中小学校的开办既是为了取得社会效益也是为了获取应得的经济效益，让自身有所壮大发展。一些薄弱中小学校，就是指办学效益差，甚至难以继续下去的学校，这些学校的主要特征就是靠校长的努力改革或者调整已经难以摆脱现有的问题，而他们面临的是两种结果：一是办不下去，学校倒闭，但这只是治标不治本的方法；另一种就是校长通过对现有资产重组来解决问题，也就是现在企业之间会常出现的方式——收购，这样不仅能解决中小学校的生存问题，并且能够解决中小学校倒闭之后教职工失业的重大问题。
（2）解决中小学资源配置效率问题
中小学校各有优势，但是都比较分散，无法形成中小学教育的完整优势，因而中小学教育在教育上虽属于基础地位，并且受到大众关注，但是其真正的地位却没有像高等教育一般受到普遍关注，从而导致有限的中小学教育资源配置效益低下。在这种情况下，只有加大力度推进中小学校的资本（产）经营，通过不同学校之间的资产重组来解决以往不能将优势结合的问题。
（3）解决中小学校组织形式问题
我国现在大多中小学校是以中小型规模为主的组织形式，而这种形式会让我们的学校难有发展活力。校长需在教育市场中取得三样办好校所必备的东西：规范合理的中小学校教育服务价格；中小学校本身有一个健全的经营方式；在校长科学有效地进行资本（产）经营下能够解决现有的组织形式问题。
（4）解决中小学校结构调整问题
如今的中小学校结构不合理不等同于过去结构不合理，这个不合理存在结构老化需更新的问题。这也就意味着要对中小学校进行全面的调整，使其向高层次发展过渡。调整的方法有多种，而解决中小学结构问题主要靠资本（产）经营。本文所指的中小学校结构不合理不只是中小学校管理上的不合理，还包括投资等方面的不合理。校长有效合理的资本（产）经营是能够从根本上解决中小学校结构问题的方法。
4.校长的人力资本配置与开发力
校长的人力资本配置与开发力是指校长为了实现既定的目标，对学校教师团体中的人力资源进行有效、合理及充分的配置与开发的能力。学校人力资本经营什么，关键在于弄清楚人力资本产权归属问题，从而理解学校人力资本为什么可以经营和怎样经营[8]。校长的人力资本配置与开发力应包括校长对教师的招聘、教师的培训、定期的工作分析、薪酬福利管理及基本的劳动关系管理等方面所体现的能力。
（1）校长在人力资源配置与开发中的特征
①在配置与开发形式上侧重整体效应
俗话说，人多力量大，这句话放在任何一个需要集体出力的事情上毫无疑问地贴切，与此同时也不能够忽略个人的影响贡献，校长也不例外。中小学校追求的发展是一个全面、和谐的发展，就像“木桶效应”中水桶想要装满水要求每块木板都是一样大小并且没有损坏的，如果有一块不齐或者有破损的话，木桶就不能装满水，因而校长也要做到关注学校发展的整体性。
②在配置和开发内容上关注文化底蕴
一般中小学校的创建管理者都会侧重于他们所要展现的一个特色，有的中小学校是以艺术为特色，有的就是语言。他们这样的办学理念成为该学校稳步发展的基础，因此，校长在人力资本配置与开发上都比较关注文化底蕴的建设，用他们特有的办学理念来吸收人才以成就学校的发展壮大，同时也能提高家长对学校的接受度。
③在配置和开发方式上呈现人性化
中小学校不似大型企业，整个学校里工作人员不会有很多，所以中小学教师或其他工作人员更方便直接沟通，人际交往和情感状态更易得到维系。就个人而言，在学校里面情感因素要大于理性因素对人的影响，因为这是一个小型的人与人之间交往的“社会”，不管是生生、师生还是师师之间都要用感情去联系。因而，校长在人力资本配置与开发方式上要注重以人为中心，以人性化的方式来调动教师的主动性，民主地接受教师合理建议，能在决策时更多地以人为本，更多地考虑到教师，以达到集体人员一起努力建设学校。
（2）校长人力资本配置与开发力的主要内容
①工作分析
工作分析是指校长通过对学校工作任务的分解，根据不同的职务工作内容所需设置不同的岗位，并规定每个岗位应承担的职责、工作条件等。工作分析的目的是合理配置人力资源，确保人与工作之间的最佳匹配[9]。校长的工作分析首先应是对中小学校发展前景的整体规划，进而对每一个工作岗位进行分配，如有需要，在一般岗位下增添具有该校特色的职位，并对其职位进行具体和明确的规定，避免出现权责交叉导致互不管理的情况。
②人力资源规划
人力资源规划是一个系统的工程，内容涉及范围广，而校长制定人力资源规划是为了保证人力资本管理的活动与中小学校的发展方向和目标能一致，保证管理的各个环节能够协调进行，其主要作用就是满足中小学校总体发展方向的要求，促进中小学校人力资本的开展，提高中小学校人力资本的利用率。
③校长的招聘与选拔
招聘与选拔是指校长为了学校发展的需要而采取迅速、有效的方式为中小学校找到所需要的、合适的求职者，并将其安排到相应的工作岗位上让他们发挥能力。其主要作用是促进对中小学校发展和人力资本的充分利用，以此提高工作效率。
④校长的绩效管理
绩效管理是指校长运用科学的考核标准和方式，对学校教师的工作成绩进行定期的评判，从各个方面来了解教师完成工作的情况，以便于及时发现他们的不足及存在的问题，对此要奖罚分明，才能够进一步提高教师的工作效率，为人事决策和人事管理提供可靠依据。
⑤教师激励
教师激励是指校长为调动教师的工作积极性、提高教师工作效率所采取的有激励作用的手段。激励能够分为两方面，一是物质性的激励，二是精神性的激励，这两方面都不能够忽略。选用激励的方式要因人而异，有效、合理的激励是需要建立在对人的工作动力与满足感的分析之上，因此，校长对教师是否深入了解成为能否成功激励的关键性一步，教师激励的主要作用是激发和调动教师的工作积极性，将教师的个人目标与学校的整体目标实现统一，增强中小学校团体的凝聚力及团体内部的协调统一。
参考文献
[1] 厉以宁.关于教育产品的性质和对教育经营的若干思考[J].教育科学研究，1999（3）.
[2] 孙伟，王涛，叶玮光.对教育经营的理性思考[J].教育理论与实践，2005（7）.
[3] 雷勇.公办幼儿园品牌战略内涵剖析及模式研究[J].才智，2012（23）.
[5] 邓恢祯.构建学校营销理念，提升学校竞争力[J].全球教育展望，2007（36）.
[6] 周玲.试论学校营销的理念与策略[J].教学与管理，2005（16）.
[7] 方心.PXSF幼儿园服务营销管理研究[D].成都：西南财经大学，2011.
[8] 张万鹏，王千红.论高等学校的资本经营[J].江苏高教，2004（5）.
[9] 栗玉香.试论学校人力资本经营[J].教育理论与实践，2003（6）.
[10]真金，赵阳，李赞祥.建筑企业人力资源管理[M].北京：北京理工大学出版社，2009.
[作者：袁小平（1965-），男，湖南常德人，湖南第一师范学院图书馆，教授，研究员；伍雨莹（1993-），女，湖南长沙人，湖南省长沙市望城区职业中专，助教。]
注重结构概念设计的应用 篇7
随着计算机技术的快速发展, 各种结构软件的普及, 给结构设计人员带来很多方便快捷的同时, 也造成了设计人员对程序的过分依靠, 往往“重计算, 轻概念”。这正好印证了瑞士教授斯亭的一句名言:“整天埋头于资料和结构计算的人往往把常识忘掉”。结构设计人员应该足够重视概念设计, 即“概念第一位, 计算第二位”, 在把握结构设计上的大概念和大原则的前提下, 结合计算数据及设计规范做出科学合理的分析, 使得结构方案更加合理, 经济。
1 概念设计的几项原则及应用
1.1 拉结成整体原则
(1) 单独柱基间宜设置拉梁, 拉梁的实际作用就是将各单独柱基拉结成一体, 以避免个别独立柱基个体独立沉降, 导致柱基之间产生沉降差, 对结构产生次生应力, 致使结构产生开裂等其他不良影响。设置了拉梁, 某个柱基沉降就会通过拉梁牵涉到相邻柱基随之沉降, 一方面消除或减少了相邻柱基间的沉降差, 同时拉梁中的主筋也会抵抗由于沉降差产生的次生弯矩, 当然, 这就要求拉梁的截面尺寸要足够大, 具备一定刚度, 一般拉梁高度至少取跨度的1/20~1/15, 否则拉梁的高度过小, 不会起到有效拉结构件、一起沉降的作用。可参照极端的设想, 企图用一根细钢丝来拉结两个独立柱基, 肯定达不到一起沉降的效果, 因为细钢丝明显刚度不够。
(2) 当两个独立柱基距离很远时 (超过8~9m) , 不宜设置拉梁, 因为此时拉梁的拉结作用很小, 拉结意义不大。
(3) 加强层屋顶各柱之间同样要设置构造拉梁, 使其形成整体受力。加固改造项目中后作构件与原结构构件均宜有构造拉结形成整体受力结构。
1.2 锚固的构造原则
主要涉及到钢筋锚固中的两个重要概念:
(1) 钢筋锚固长度中水平段的作用是显著的, 弯折后锚固长度的作用, 明显要大打折扣, 有实验证明, 弯折后的锚固效果还不足水平段的70%, 也就是说, 在承受静力荷载为主的情况下, 水平段的粘结能力起主导作用, 国内外实验结果也证明了这个结论。所以钢筋锚固优先采用水平直段, 当水平直段不足以满足锚固长度的规范要求时, 要根据实际情况用弯折锚固补充要求的长度。这简称为“水平直段优先, 弯折段为辅助。”
(2) 构件内的钢筋锚固尽量在本构件内部完成, 当本构件锚固确实不足以满足锚固长度的规范要求时, 再被迫进入其他构件内锚固, 以补足长度要求。
构件本身的钢筋锚固应该以内部解决为主, 如果在其他构件中锚固, 一方面造成其他构件内部钢筋密集, 混凝土难浇筑, 难振捣, 另一方面, 和其他构件的内部钢筋也会有位置干涉的可能, 所以应该尽量避免。
1.3“次要让位于主要”原则
钢筋布置在同一位置发生干涉时, 应把握谁更重要就优先保证谁的位置, 次要钢筋让位于主要钢筋的原则。工地现场施工中, 纵横交错几个方向的钢筋经常出现此类问题, 等待设计人员现场解决。如果没有清晰的结构概念, 很容易搞反搞晕。这并不是复杂的计算难题, 只要通过简单定性分析, 头脑中把握住大的结构概念, 问题就会迎刃而解。
例如以下情况:
(1) 当梁的外侧主筋与柱外皮主筋位置发生干涉时, 就要判断梁和柱谁对结构更重要;因为梁是构件, 而柱是梁的有效支座, 显然支座比构件更重要, 所以优先确保柱外侧主筋位置不动, 梁主筋让路于柱主筋, 具体做法为梁主筋快到干涉位置点时, 提前向内侧做1∶6斜坡绕过柱主筋后, 再做1∶6斜坡回位。
(2) 主梁和次梁上铁也不可避免的会有位置冲突, 过去相当多的结构设计师认为, 次梁上铁应该搭在主梁上铁之上, 仿佛很生动的主梁承托次梁一样, 这种做法似乎概念很清晰, 其实是错误的, 因为无论是主梁上铁还是次梁上铁, 与混凝土共同工作时都是受拉的, 不存在次梁上铁压着主梁上铁的压力, 或者说也不存在主梁上铁支撑着次梁上铁承托力, 所以这种做法所谓体现了主梁承托次梁的概念就落空了, 正确的概念是, 因为主梁比次梁更重要, 于是主梁上铁要优先保证位置, 以使得主梁上铁的有效高度最大化, 所以次梁上铁要让位于主梁上铁, 亦为次梁上铁快到干涉位置点时, 提前向下侧做1∶6斜坡绕过主梁上铁后, 再做1∶6斜坡回位。
同理, 解决板上皮与梁上皮齐平时, 板上铁快到干涉位置时, 提前向下侧做1∶6斜坡绕过梁上铁后, 再做1:6斜坡回位。
(3) 混凝土剪力墙竖向筋和水平筋的位置问题, 一般习惯做法是将水平钢筋放置在竖向钢筋外侧, 这是有理论依据的。顾名思义, 剪力墙是以抗剪力为目的的混凝土墙, 而剪力墙的水平钢筋类似于柱箍筋的抗剪作用, 理所当然应该放置在竖向钢筋外侧, 以达到水平抗剪 (或抗震) 的目的。而用于挡土的混凝土墙, 其挡土压抗弯是问题的主要方面, 抗剪是次要问题, 而竖向钢筋是用于抗弯的钢筋, 它的有效高度越大越有利, 所以要优先保证竖向钢筋的外侧位置, 于是水平钢筋退其次, 相应要放在内侧。
1.4 强度等级选择
关于在何处采用高强度或低强度材料, 在设计概念不清楚的时候, 有些保守的设计师往往认为采用高强度等级的钢筋或混凝土肯定比低强度的安全, 其实这种做法实在过于笼统, 有些情况恰恰与实际是背道而驰。
比如钢筋在用作吊钩时, 不宜用高强度HRB335和HRB400钢筋, 而应该用低强度的HPB235级钢筋, 因为一级钢延性好, 破坏前征兆明显, 预警性性能好。另外, 在设计吊钩时, 施工图中还须注明, 不得采用冷加工钢筋, 其原因也是因为冷加工钢筋强度虽高但延性差, 用于吊挂中不合适。
混凝土也非一律用高强度的就有利, 比如基础中就应该慎用高强度等级, 因为高强度等级混凝土水泥含量较多, 水化热较大, 很容易造成干缩裂缝, 而基础埋在地下, 一旦有裂缝产生, 防水和钢筋腐蚀的问题就会接踵而来。
2 结束语
概念的知识结构 篇8
所谓结构设计是将建筑、其他设备专业所要表达的内容用结构语言体现出来的过程, 而结构语言则是指各种结构元素, 而结构元素则是从专业图纸中提炼出来的, 建筑物或其他构筑物的结构体系就是利用这些结构元素构成的。具体而言, 结构设计的主要内容是结构方案、结构计算以及施工图设计等三个环节, 其中结构方案的主要任务是确定出建筑的结构形式, 需要参考的指标包括建筑物的重要性、工程所在地的抗震设施烈度、相关地质勘查资料、建筑高度与层数、场地类别等等, 然后根据确定好的结构形式的特点与实际要求, 进行结构承重体系、支撑以及受力构件的布置。该阶段的基本方法就是结合不同结构形式的适用范围, 遵循经济性与合理性的原则, 最终确定出最佳的结构形式。结构计算环节的主要内容是计算各项参数, 包括荷载、内力以及构件的相关试算与计算等, 要注意选择科学、适用的计算方法。
施工图设计环节的主要任务则是根据计算环节的结构将构件布置、配筋等确定下来, 然后再确定构件的构造措施。需要注意的是, 在整个结构设计的过程中要严格参照相关规范要求来进行, 设计人员不但要全面、深入地理解相关规范, 还要全面把握施工的工艺及具体流程, 从而保证结构设计的适用性、合理性以及科学性。
2 结构设计与概念设计的关系
所谓概念设计是以个人经验为基础, 基于宏观的角度对建筑结构进行定性设计。相对概念设计来讲, 结构设计是一个逆向过程, 其根据概念设计的整体要求、力学与数据原理等由定量设计发展为定性设计, 其中定量设计包括内力、配筋、稳定性以及变形等, 而定性设计则是规范中规定的构造要求。由此可见, 建筑结构造价水平的高低以及施工进度的快慢会受概念设计水平的直接影响, 如果概念设计不合理, 会导致建筑整体结构出现安全问题。概念设计体现的是一种先进的设计思想, 结构工程师的主要任务是基于特定的建筑空间利用整体的概念进行结构设计, 并对构件与结构、结构与结构之间的关系进行和谐处理。
从某种程度而言, 现行的结构设计与计算理论还存在一定的不足, 例如混凝土结构设计过程中, 内力计算以弹性理论为基础, 截面设计则以塑性理论的极限状态为基础, 计算理论本身就存在矛盾性, 因此计算结果必然会与实际情况存在较大差异。针对这种不足就需要通过优秀的概念设计加以弥补。此外, 现代设计对计算机程序的依赖性过强, 计算结果未做科学分析, 并且在设计方案环节无法利用计算机实现初步设计, 而是需要结构工程师利用其结构概念专业知识选择效果好、成本低的结构方案, 无法保证单根构件的安全性, 就无法保证结构整体的安全性, 因此概念设计与结构设计的关系是相辅相成、缺一不可的。
3 结构设计的主要措施
在实际的结构设计中, 无论是制定方案或者初步设计, 还是结构计算或者绘制施工图, 甚至在施工现场的工地服务均要贯穿概念设计的理念, 因此, 结构设计过程中要注意以下几个方面:
首先, 在选择建筑场地时要选择抗震性较好的地段, 尽量避开不利地段, 如果避不开的地段则要采取针对措施, 必须将由于地震场地条件而间接导致结构破坏的因素考虑进来。概念设计过程中不能忽略建筑平面布置等要求, 如果方案存在严重不规则的现象则严禁采用。在确定结构体系的过程中, 要对结构体系方案、技术可行性和经济性等进行综合比较, 提高建筑结构的延性与匀质性, 尽量降低建筑重心。此外, 由于发生地震时会持续一定的时间或者会多次、反复作用, 所以要尽量设置多道抗震防线。因此在结构设计过程中, 要保证结构体系与相关抗震结构要求相符, 对构件的强弱关系进行适当处理, 从而提高结构的抗震能力。
其次, 注意结构刚度、承载力分布的合理性, 在实际工程中只有通过提高工程成本或者降低结构延性指标等才能进一步改善结构的抗侧移刚度, 而结构设计时可以有意识地提高结构中重要构件、关键构件的延性, 以改善设计方案的经济性。在判断计算方法是否合理时可以通过概念来确定, 从某种程度而言, 这种方法也是概念设计的延伸。现在计算机技术在工程设计中的应用越来越广泛, 绝大多数设计均是依靠计算机来实现的, 但是要在设计过程中将设计经验理性、科学地利用起来, 再与施工中可能遇到的问题互相结合, 对计算结果进行分析, 并在画图中进行合理的调整, 才能保证结构设计的科学性与实用性。
再次, 在结构材料选择过程中, 选择钢筋时要尽量选择延性、韧性以及可焊性较好的, 且混凝土也要与规定的强度等级要求相符, 控制脆性材料的用量, 保证材料满足抗震设计要求, 将其强度充分发挥出来。此外, 为提高结构强度还要保证结构的整体性, 具体包括两个方面:一是满足抗震的构造连接, 二是包括经过计算的节点连接。节点连接要遵循“强节点、弱杆件”的设计原则, 把握好构造连接的度, 并非构造连接越刚越好。
最后, 要注意施工过程中实际问题的现场处理。因为建筑施工现场存在诸多不确定性因素, 可存会出现无法操作或者施工误差过大等各种问题, 仅靠单纯的计算无法解决问题, 因此只能依靠设计人员专业的设计经验与设计技术, 在协商施工、监理等各方后再提出准确、合理的解决方案。
4 结构设计中协同工作概念的应用
通常在工业产品的设计与制作过程中会融入协同工作的概念, 所谓协同工作是指某个工业产品未达以使用寿命期间, 某个结构零件发生损坏对产品的整体性能产生影响。而对于建筑结构而言, 协同工作是指建筑工程中要将每个部件的作用充分发挥出来, 实现其与其他零件的互相配合。协同工作要求产品零部件的使用寿命相似, 并且承受基本相同的荷载, 不得出现长时间受力不均的问题。在结构设计中的协同工作要注意正确处理基础与上部的关系, 保证二者形成一个有机的整体, 例如砖混结构受自身刚度的影响会发生不均匀沉降, 因此可以利用钢圈与构造柱之间形成一个统一的整体来抵御。此外, 在建筑结构设计中, 协同合作还表现在建筑受力时要保证结构的各个部件受力均匀, 水平应力要保持在较高的水平。
高层建筑设计中要尽可能避免短柱, 保持各个柱的水平应力互相接近, 同步达到最大承载能力。不过实际工程中建筑物层数越多, 竖向与水平方向所产生的荷载力变越大, 相应的地层的截面积也会逐渐加大, 会导致高层建筑物底部的几层出现短柱现象。针对这种情况, 可以在柱截面设置竖槽, 将矩形柱变成田形柱来提高结构的承载能力, 减少短柱现象, 这样既保证了同层的水平柱在受力时, 同时达到最大的承载能力。
总之, 在概念设计日益重要的今天, 要求结构工程师应有深厚的基本理论基础, 并能不断吸取他人先进的设计思想。对自己的作品、设计, 应经常进行深刻的反思, 对每一项设计都精益求精。
摘要：在建筑结构设计过程中, 结构工程师设计水平的高低从很大程度上是由概念设计与结构措施来体现的, 因此概念设计与结构措施的重要性不言而喻。文章就针对该问题展开讨论, 在分析结构设计的相关概念、主要内容的基础上, 分析概念设计与结构设计的关系, 并在最后提出结构设计的主要措施。
关键词：建筑结构设计,概念设计,结构措施
参考文献
[1]吕天媛.把概念设计运用到建筑结构设计中来[J].黑龙江科技信息, 2012, (1) :310.
[2]张英迪.建筑结构设计中的概念设计及结构措施略论[J].科技与企业, 2012, (21) :227.
[3]朱蔚惠.建筑结构设计中的概念设计与结构措施[J].科技创新与应用, 2012, (20) :222.
[4]张海峰, 乔安宇.论建筑结构设计中的概念设计及其措施[J].黑龙江科技信息, 2012, (12) :236.
[5]瞿懿.浅谈建筑结构设计中的概念设计[J].黑龙江科技信息, 2012, (7) :281.
[6]鲁鸿鹏.浅谈结构设计中的概念设计[J].中国新技术新产品, 2012, (19) :201.
谈建筑结构的概念设计 篇9
1 建筑结构概念设计的重要性
目前我国结构计算普遍采用概率极限状态理论,现行的多种规范一般是以概率理论为基础的结构极限状态设计准则,该法在运算过程中还带有一定程度的近似,作为结构工程师不应盲目的照搬照抄规范,应该把它作为一种参考。我们现在对地震的认识还有许多局限性,现在一般应用计算机设计,并不能真实的模拟地震情况,致使设计计算结果与实际情况相差较大,特别是一般采用简化后的计算结果,甚至有的作用效应至今无法定量的计算出来,因此在结构设计中,大量的分析计算是必须的,也是设计的重要依据,但仅此往往不能满足结构的安全性、可靠性要求,不能达到预期的设计目的,所以我们必须非常重视建筑结构的概念设计。从某种意义上来说,结构的概念设计甚至比大量的分析计算更为重要。现行的几本结构设计规范都明确规定了任何建筑结构的设计都必须符合概念设计的要求,而且还是强制性条文。
2 概念设计的几项基本要求
2.1 结构体系的简单性
结构体系应根据建筑的设防类别、抗震的设防烈度、建筑高度、场地条件、地基情况、材料和现场施工情况,综合比较而确定。规范明确要求,结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径,结构在两个方向的动力特性宜相等(动力特性一般指周期和振型),一个简单的结构体系对抗震十分有利,可以很容易地从宏观上把握结构设计。
2.2 结构体系的规则性
结构体系的规则性包括结构平面规则和结构竖向规则,合理规则的结构方案是安全可靠和优秀设计的基本保证。
规则的建筑结构体现在体型简单,抗侧力的刚度和承载力上下变化连续、均匀,平面基本对称,没有明显的突变。建筑结构不宜采用不规则的方案,不应采用严重不规则的方案。
2.3 结构体系的整体性
建筑结构中,楼板对于结构的整体性起着非常重要的作用,结构的水平力就是依靠楼板来传递到各个抗侧力构件梁、柱、墙,而且协调抗侧力构件共同作用,这就要求楼板有足够的平面刚度并与各个构件有效连接。
3 概念设计的基本措施
结构的概念设计涉及到的范围很广,从建筑方案、结构方案到合理的结构计算模型,从结构的配筋计算到构件的配筋构造都要运用概念设计的思想。
3.1 结构的刚度控制
结构依靠其自身的刚度来抵抗水平作用力,但并不是结构的刚度越大越好,因为结构的刚度越大,结构的地震力也会随之增大,容易破坏,而且也需要更多的建筑材料,似乎是不经济的。比较柔的结构虽然节省材料,但变形要大一些,结构设计时要把建筑的刚度控制在一个合理的范围内。
国内外的震害经验表明,当建筑的自振周期与场地的卓越周期相接近时,建筑物的震害比较大,故建筑的自振周期应避开场地的卓越周期,自振周期与结构的质量和刚度有关,当确定了一个建筑物的场地后,就要调整结构的刚度,使其自振周期偏离场地的卓越周期。
结构平面布置时,应使结构的刚度均匀,避免扭转,《抗规》和《高规》都不同程度的对扭转作了定量的要求。当计算结果不能满足规范要求时就要调整结构的平面刚度布置或结构的质量分布。结构的侧向刚度布置也应均匀,避免突变,以限制结构在竖向的某一楼层或少数的楼层出现薄弱部位,而且结构的侧向刚度宜从下至上逐渐减小。
3.2 关于延性结构
中地震作用下,允许部分结构构件屈服进入弹塑性状态,大震作用下,结构不能倒塌,因此结构应该设计为延性结构,延性结构用它的变形能力(而不是承载力)来抵抗地震作用,如果结构的延性不好,则必须用足够大的承载力来抵抗地震作用,这样就要采用更多的建筑材料,是不经济的。因此延性结构是一种经济、安全、合理的结构设计对策。
所谓延性是指构件和结构屈服后,具有承载力不降低或基本不降低且有足够塑性变形能力的一种性能,一个延性结构应该是构件和整个结构都具有延性。
3.3 关于多道防线
抗震结构应该设计成多道防线,即超静定结构,而不是静定结构,第一道防线破坏后只会使结构减少一些超静定次数,结构不会整体倒塌。另外,一般强烈的地震后,往往还有多次余震,如果只有一道防线,在首次地震破坏后再遭余震,则会倒塌,如双重抗侧力体系,由两种受力和变形不同的抗侧力结构组成,每个抗侧力结构具有足够的刚度和承载力,可以承受一定比例的水平荷载,并通过楼板连接协同工作,在地震作用下,一部分破坏时另一部分可以抵抗后期的地震作用。比如带连梁的剪力墙结构,框架剪力墙结构等。另外也要控制结构破坏的部位和破坏的次序,即适当处理各个结构构件的强弱关系,承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件,比如要强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱底等。要防止在结构的局部上加强而忽视整个结构各部位的刚度和承载力的协调。要有目的的控制薄弱部位,使之有足够的变形能力。
4结语
概念设计是通过大量的事故分析,地震分析,模拟试验的定性定量分析,以及大量的设计与使用经验分析得出来的一些基本的结构设计原则。目前,在建筑设计中普遍采用计算机来计算和出图,设计人员使用计算机来提高工作效率,但是计算机仅能做机械的复杂的计算,并不能判断结构是否合理,因此我们不能完全依靠计算机,更应该提倡概念设计,这样才能做出技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的工程设计。
参考文献
[1]GB 50011-2008,建筑抗震设计规范[S].
[2]JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[3]樊永华.概念设计在结构设计中的应用[J].山西建筑,2008,34(12):84-85.
探讨砌体结构的抗震概念设计 篇10
关键词：砌体结构,抗震性能,概念设计,构造措施
0 引言
我国属地震多发国家,需要考虑抗震设防的地域辽阔。在1976年的唐山大地震和2008年的汶川大地震中,人民的生命和财产遭受了巨大的损失,这对建筑物的抗震设防提出了更高的要求。因此,建筑物在设计时应该严格遵循“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防目标[1]。
多层砌体房屋由于构造简单,施工方便,造价低廉并可就地取材等优点,是我国民用建筑(如旅馆、病房、办公楼、教学楼,尤其是住宅等)的主要结构形式之一。多年来砌体结构房屋是我国当前建筑中使用较广泛的一种结构形式,是由块体和砂浆砌筑而成的墙作为建筑物主要竖向受力构件的结构[2]。在抗震设防地区,多层砌体房屋由于其组成的基本材料和连接方式决定了其脆性性质,变形能力较小,抗震性能较差。因此改善砌体结构延性,提高房屋的抗震性能具有极其重要的意义。
1 砌体结构抗震概念设计
根据《建筑抗震设计规范》(2008年版)《砌体结构设计规范》,并结合设计的实践经验,砌体结构抗震概念设计要点如下。
1.1 建筑设计方案合理
建筑平面和立面的规整性是整个结构设计中一个十分基础的内容。建筑设计应符合抗震概念设计的要求,不应采用严重不规则的设计方案,即使不可避免时,也应尽量在适当部位设置防震缝,将体形复杂、平面特别不规则的建筑布局分割成几个相对规则的独立单元。在实际工程设计中,应尽可能在满足建筑造型和使用功能的前提下,将平面布置、立面外观设计得较为规整、简洁,这样能有效地提高工程的抗震性能。建筑平面、立面宜尽可能简洁、规则,质量中心与刚度中心相一致。对于结构平面布置不规则的结构,质心与刚度中心往往不容易重合,在地震作用下会产生扭转,大大加剧地震的破坏力度。建筑立面应避免头重脚轻,房屋重心尽可能降低,避免采用错落的立面,凸出屋面建筑部分的高度不应过高,以免地震时发生鞭梢效应,同时应控制好结构竖向强度和刚度的均匀性。
1.2 限制房屋的层数和总高度
砌体房屋高度的限制是十分敏感且深受关注的规定。基于砌体材料的脆性性质和震害经验,限制其层数和高度是主要的抗震措施。砌体房屋的层数越多,高度越高,它的地震破坏程度越大,所以限制砖砌体房屋的总高度及总层数对减少震害有很大作用。文献[1]对多层砌体房屋的总高度和总层数做了强制性规定。在设计中房屋总高度及总层数应同时满足规范规定的限值,在中、强地震作用下,因倾覆力矩过大,使得底部墙体产生过大的压力或剪力而破坏,因此减轻自重、减少层数、降低层高是削弱地震影响的有效途径之一。在2008年版抗震规范中特别强调,乙类的多层砌体房屋应该允许按本地区的抗震设防烈度查表,但层数应该减少一层,总高度应该降低3 m。多层砌体房屋总高度与总宽度的最大比值应满足文献[1]的要求。
1.3 限制抗震横墙间距
多层砌体房屋的横向地震作用主要由横墙承担,不仅横墙须有足够的承载力,而且楼盖须具有传递地震力给横墙的刚度。因此要严格限制砌体结构抗震横墙的间距。
由于墙体在平面内的受剪承载力较大,平面外受弯承载力较低,当多层砌体房屋横墙间距较大时,房屋的相当一部分地震作用需要通过楼盖传至横墙,纵向砖墙就会产生平面外的弯曲破坏。可见抗震横墙的设置、抗震横墙间距的大小,对提高砌体结构的抗震能力,减小震害是非常重要的。
1.4 优化结构体系
砌体结构应优先采用横墙承重体系或纵横墙共同承重的结构体系。纵横墙的布置宜均匀对称,沿平面内宜对齐,沿竖向应上下连续,同一轴线上的窗间墙宽度宜均匀。当房屋立面高差在6 m以上,房屋有错层且楼板高差较大或者各部分结构刚度、质量截然不同时最好按要求设置防震缝。
楼梯间墙体缺少各层楼板的侧向支撑,有时还因为楼梯踏步削弱楼梯间的墙体,尤其是楼梯间顶层,墙体有一层半楼层的高度,震害加重。因此,在建筑布置时楼梯间尽量不设在尽端,或对尽端开间采取特殊措施。
教学楼、医院等横墙较少、跨度较大的房屋,宜采用现浇钢筋混凝土楼、屋盖。
2 抗震构造措施
2.1 设置现浇钢筋混凝土构造柱和圈梁
在多层砌体房屋中合理地设置钢筋混凝土构造柱能使砌体的抗剪承载力提高10%～30%。另外,在多层砌体房屋中合理地设置构造柱,能起到增强房屋整体性的作用,还可以利用其塑性变形和滑移摩擦来消耗地震能量,从而大大提高抗震能力。现浇钢筋混凝土构造柱的设置部位和构造要求应符合现行建筑抗震设计规范的要求。
设置圈梁是多层砖房的一种经济有效的抗震措施,可提高房屋的抗震能力,减轻震害。在多层砌体房屋中设置沿楼板标高的水平圈梁,可加强内外墙的连接,增强房屋的整体性。由于圈梁的约束作用使楼盖与纵、横墙构成整体的箱形结构,能有效地约束预制板的散落,使砖墙出现平面倒塌的可能性大大降低,以充分发挥各片墙体的抗震能力。圈梁作为边缘构件,对装配式楼、屋盖在水平面内进行约束,可提高楼盖、屋盖的水平刚度。圈梁与构造柱一起对墙体在竖向平面内进行约束,限制墙体裂缝的开展,保证墙体的整体性和变形能力,提高墙体的抗剪能力。屋盖和基础顶面处的圈梁具有提高房屋竖向刚度和抵抗不均匀沉陷的能力。现浇钢筋混凝土圈梁的设置及构造应符合现行建筑抗震设计规范的要求。
2.2 限制砌体墙段的局部尺寸
在砌体结构房屋中,由于门窗洞口的设置,出现了窗间墙、门间墙、尽端墙等。虽然房屋局部尺寸的影响有时仅造成局部破坏,并未造成结构整体性倒塌,但是,房屋局部破坏必然影响房屋的整体抗震能力。而且某些重要部位的局部破坏还会带来连锁反应,形成墙体各个击破的破坏甚至倒塌。1976年河北唐山地震和2008年四川汶川地震已有了惨痛的教训。所以在文献[1]中第7.1.6条规定了房屋的不同部位,不同设防烈度情况下房屋局部尺寸的限值。在注解中,也提到“局部尺寸不足时应采取局部加强措施弥补”。在砌体结构房屋设计中,特别是在多层砌体结构住宅设计中,房地产开发商为了追求市场卖点,在楼盘户型、外立面效果上标新立异。建筑设计师迎合开发商的意愿,大开间、大门窗洞口、悬墙、飘窗齐上阵,导致房屋的局部尺寸很多不能满足局部尺寸限值。宏观震害表明,房屋尽端是震害较为严重的部位,这是因为房屋结构上的不对称或地震本身的扭转分量造成的,同时也有“端部效应”动力放大的影响。由于砌体结构房屋的楼屋盖一般为现浇混凝土结构,山墙、外纵墙均为承重墙,尽端最好不开窗或开小窗,因为这一部分的地震反应敏感,破坏普遍,承重山墙的局部破坏可能导致第一开间的倒塌。大飘窗上的梁处于弯剪扭受力状态,也易造成混凝土板开裂。在实际设计中,外纵墙尽端至门窗洞边的最小距离不能满足要求,此时可采用加强的构造柱或增加水平配筋措施,以放宽局部尺寸限制,但不能认为要求有局部尺寸处可以用构造柱来代替。像前面所述在外墙尽端设大飘窗,采用加大的构造柱来代替必要的墙段,就会使砌体结构改变其结构体系,这对房屋抗震是非常不利的。为了保证砌体结构房屋的抗震能力,减小震害,建议规范对局部尺寸的限制应以强制条文来规定;对局部尺寸不足时应采取局部加强措施加以具体规定或严格限制;审图部门要严格审查局部尺寸是否满足规范要求,增强设计人员的抗震减灾意识。
2.3 加强各构件间的连接
1)构造柱与砖墙。
构造柱与砖墙连接处应砌成马牙槎,并应沿墙高每隔500 mm设2ϕ6拉结钢筋,每边伸入墙内不宜小于1 m。
2)构造柱与圈梁。
构造柱与圈梁连接处,构造柱的纵筋应穿过圈梁,保证构造柱纵筋上下贯通。
3)屋架与圈梁。
楼屋盖的钢筋混凝土梁或屋架应与墙(柱)或圈梁可靠连接;6度时梁与砖柱连接不应削弱柱截面,独立砖柱顶部在两个方向均有可靠连接;7度以上不得采用独立砖柱。
4)墙与墙的连接。
7度时层高超过3.6 m或长度大于7.2 m的大房间,以及8度或9度时外墙转角或内外墙交接处,当未设构造柱时应沿墙高每隔500 mm设2ϕ6拉结钢筋,每边伸入墙内不宜小于1 m。
5)后砌墙体的连接。
后砌的非承重砌体隔墙,应沿墙高每隔500 mm设2ϕ6拉结钢筋与承重墙连接,每边伸入承重墙内不宜小于0.5 m。
6)附属构件的连接。
栏板的连接:砖砌栏板应配水平钢筋,且压顶卧梁应与混凝土立柱相连,压顶卧梁宜锚入房屋的主体构造柱。
3 结语
砌体结构应用范围广泛,但是变形能力和抗震性能较差。结构设计人员如何发挥其优势,并通过相应的措施来弥补砌体房屋脆性材料在抗震性能方面的不足是关键。笔者旨在通过本文的抗震概念设计研究,改善砌体结构的抗震变形能力,从而达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准抗震设防目标。
参考文献
[1]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].
[2]GB 50003-2001,砌体结构设计规范[S].
巧用学生的数学知识建构科学概念 篇11
在简单的复习引入后，我用投影仪展示如下知识：
一个氢原子的质量：1.674×10-27千克
一个碳原子的质量：1.993×10-26千克
一个氧原子的质量：2.657×10-26千克
我问学生：“这种数据给我们的书写、计算、记忆带来了极大的不便，同学们能不能规定一个标准1，将这些数据简单化呢？”
为了降低难度，我把学生的思维引导到如何规定标
准1上。
学生1：把“1×10-27千克”作为标准1，那么
一个氢原子的质量为1.674，
一个碳原子的质量为19.93，
一个氧原子的质量为26.57。
多好的想法！比起原来的数字，已经简化了两点：①去掉了科学计数法；②去掉了“千克”这个单位。尽管由于刚接触这部分知识，该学生的表达还不是很规范，但他的头脑中已形成相对原子质量的雏形，非常的难能可贵！
学生2：把一个碳-12原子的质量分为12等分，每一份作为单位1，其他原子的质量与该碳原子的1/12的比值，作为该原子的相对原子质量。
该学生的回答非常完整，这一类学生他们经过认真地预习，尽管还是知其然，而不知其所以然，但他们的学习态度是值得其他同学学习的，同时这也正是我希望得到的答案，它是我预设的引子。
学生3：能不能求出它们的最大公约数？如果有最大公约数，我们就能将最大公约数规定为单位1。
真是天才！尽管不能算出真正的最大公约数，但单位1不就是近似最大公约数吗？该学生的思维的深度、广度，创新性解决问题的能力值得呵护。
我原先的教学设计是沿着学生2的思路引出相对原子质量，接下来进行相应的计算。学生3的回答打乱了我的计划，但我还是决定沿着该生的思路走下去。于是，我马上把幻灯片切换到表格（如下表）。
质子、中子、电子、碳原子、氧原子的相对原子质量
“分析表格中的数据，你认为哪个数据最接近最大公约数？”由于课堂完全超出我原先的预设，这张幻灯片的出现也有太大的跳跃性，大部分学生觉得困惑，几个平时发言积极的学生也欲言又止。我适时板书以下素材以降低难度：
①电子的质量跟质子、中子比，可忽略不计；
②质子质量≈中子质量；
③大部分原子由质子、中子、电子构成。
学生4：把一个质子或中子的质量作为标准1是否合适？
我不置可否，继续在上面表格中输入碳原子、氧原子、质子、中子、电子的相对质量，这时大部分学生都有恍然大悟之感。
接下来，我只需做好总结：一个质子质量、一个中子质量、碳原子质量的1/12、氧原子质量的1/16，这四个知识点非常接近，科学上为了测定方便，规定把碳-12质量的1/12作为标准1。
出示相对原子质量的定义：把一个碳-12原子的质量分成12等份，其他原子的质量与碳-12原子的质量的1/12相比后得出的比值，就是该原子的相对原子质量。
至此，相对原子质量的教学就水到渠成了，尽管课前我精心准备的教学方案在这堂课上没派上多大用场，且整堂课的教学比我预计的要多花些时间，但由于在本课教学中我注重过程教学，注重学生原有的知识与新知识之间的建构，学生理解得比较深刻，为后面相对分子质量的理解及化学式、化学方程式的相关计算做了很好的铺垫。
马克思说过：“一种科学只有成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步。”课后我查阅一些课外资料，结合自己的教学实践发现，许多科学试题的求解过程实质上是将科学问题转化为数学问题，经过求解再还原为科学问题。我们在使用数学方法时不能仅局限于用数学方法进行计算，我们要多思考如何用学生的数学思维来解决比较抽象的科学含义。
例如，在“速度的计算公式”的教学中，学生在解决小学行程问题的应用题中，已经有较多的该方面数学知识的积累，上课时我直接给出三句话：
甲同学10秒钟跑80米
乙同学10秒钟跑70米
丙同学11秒钟跑80米
然后提出三个问题：
①甲、乙两位同学，哪一位跑得快？请说明理由。
②甲、丙两位同学，哪一位跑得快？请说明理由。
③乙、丙两位同学，哪一位跑得快？请说明理由。
从①、②两个问题中，学生可得出课本上的结论：比较快慢有两种方法：一种是比较通过相同路程所用的时间；另一种是比较相同时间内通过的路程。第③个问题，经过充分的讨论后，大部分学生还是能先算出各自每秒钟通过的路程再进行比较。学生在不知不觉中已运用了速度的计算公式进行计算，教师只需适当点拨（秒、小时都是单位时间），进而可以归纳出速度的定义（物体在单位时间内通过的路程）。由于学生已体会了该定义得出的过程和方法，所以对定义的理解会比较深刻，公式运用起来也会得心应手。
通过进一步研究发现，在初中科学教学中还有很多地方可用到类似的方法进行教学，如密度、固体压强、功率、溶解度的计算等。在溶解度的教学中，学生在比较不同物质的溶解能力时，教师给出几组数据后，很容易就能想到先算出每克溶剂中溶解的溶质的质量后再进行比较。教师只需说明科学上的规定：在一定温度下，100克溶剂里达到饱和时，所能溶解的溶质的质量。教师只需将学生的计算结果乘以100即可。
（责任编辑黄春香）endprint
在浙教版科学八年级下册第2章第7节《元素符号表示的量》的教学中，相对原子质量的含义是本节课的重点和难点，也是以后所有化学计算的基础。学生对该定义的理解程度，直接影响到学生对化学的学习兴趣和学习能力。用讲授法只能让学生记住相对原子质量的定义，而对于该定义的来龙去脉，部分学生直到初三还是一知半解。在本课的一次教学中，受一学生的“引导”，我利用了学生原有的数学知识，通过有效的知识建构，还原了相对原子质量概念的形成过程。这对突破教学难点，提高学生的思维品质，培养学生的创新能力等都起到了很好的作用。
在简单的复习引入后，我用投影仪展示如下知识：
一个氢原子的质量：1.674×10-27千克
一个碳原子的质量：1.993×10-26千克
一个氧原子的质量：2.657×10-26千克
我问学生：“这种数据给我们的书写、计算、记忆带来了极大的不便，同学们能不能规定一个标准1，将这些数据简单化呢？”
为了降低难度，我把学生的思维引导到如何规定标
准1上。
学生1：把“1×10-27千克”作为标准1，那么
一个氢原子的质量为1.674，
一个碳原子的质量为19.93，
一个氧原子的质量为26.57。
多好的想法！比起原来的数字，已经简化了两点：①去掉了科学计数法；②去掉了“千克”这个单位。尽管由于刚接触这部分知识，该学生的表达还不是很规范，但他的头脑中已形成相对原子质量的雏形，非常的难能可贵！
学生2：把一个碳-12原子的质量分为12等分，每一份作为单位1，其他原子的质量与该碳原子的1/12的比值，作为该原子的相对原子质量。
该学生的回答非常完整，这一类学生他们经过认真地预习，尽管还是知其然，而不知其所以然，但他们的学习态度是值得其他同学学习的，同时这也正是我希望得到的答案，它是我预设的引子。
学生3：能不能求出它们的最大公约数？如果有最大公约数，我们就能将最大公约数规定为单位1。
真是天才！尽管不能算出真正的最大公约数，但单位1不就是近似最大公约数吗？该学生的思维的深度、广度，创新性解决问题的能力值得呵护。
我原先的教学设计是沿着学生2的思路引出相对原子质量，接下来进行相应的计算。学生3的回答打乱了我的计划，但我还是决定沿着该生的思路走下去。于是，我马上把幻灯片切换到表格（如下表）。
质子、中子、电子、碳原子、氧原子的相对原子质量
“分析表格中的数据，你认为哪个数据最接近最大公约数？”由于课堂完全超出我原先的预设，这张幻灯片的出现也有太大的跳跃性，大部分学生觉得困惑，几个平时发言积极的学生也欲言又止。我适时板书以下素材以降低难度：
①电子的质量跟质子、中子比，可忽略不计；
②质子质量≈中子质量；
③大部分原子由质子、中子、电子构成。
学生4：把一个质子或中子的质量作为标准1是否合适？
我不置可否，继续在上面表格中输入碳原子、氧原子、质子、中子、电子的相对质量，这时大部分学生都有恍然大悟之感。
接下来，我只需做好总结：一个质子质量、一个中子质量、碳原子质量的1/12、氧原子质量的1/16，这四个知识点非常接近，科学上为了测定方便，规定把碳-12质量的1/12作为标准1。
出示相对原子质量的定义：把一个碳-12原子的质量分成12等份，其他原子的质量与碳-12原子的质量的1/12相比后得出的比值，就是该原子的相对原子质量。
至此，相对原子质量的教学就水到渠成了，尽管课前我精心准备的教学方案在这堂课上没派上多大用场，且整堂课的教学比我预计的要多花些时间，但由于在本课教学中我注重过程教学，注重学生原有的知识与新知识之间的建构，学生理解得比较深刻，为后面相对分子质量的理解及化学式、化学方程式的相关计算做了很好的铺垫。
马克思说过：“一种科学只有成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步。”课后我查阅一些课外资料，结合自己的教学实践发现，许多科学试题的求解过程实质上是将科学问题转化为数学问题，经过求解再还原为科学问题。我们在使用数学方法时不能仅局限于用数学方法进行计算，我们要多思考如何用学生的数学思维来解决比较抽象的科学含义。
例如，在“速度的计算公式”的教学中，学生在解决小学行程问题的应用题中，已经有较多的该方面数学知识的积累，上课时我直接给出三句话：
甲同学10秒钟跑80米
乙同学10秒钟跑70米
丙同学11秒钟跑80米
然后提出三个问题：
①甲、乙两位同学，哪一位跑得快？请说明理由。
②甲、丙两位同学，哪一位跑得快？请说明理由。
③乙、丙两位同学，哪一位跑得快？请说明理由。
从①、②两个问题中，学生可得出课本上的结论：比较快慢有两种方法：一种是比较通过相同路程所用的时间；另一种是比较相同时间内通过的路程。第③个问题，经过充分的讨论后，大部分学生还是能先算出各自每秒钟通过的路程再进行比较。学生在不知不觉中已运用了速度的计算公式进行计算，教师只需适当点拨（秒、小时都是单位时间），进而可以归纳出速度的定义（物体在单位时间内通过的路程）。由于学生已体会了该定义得出的过程和方法，所以对定义的理解会比较深刻，公式运用起来也会得心应手。
通过进一步研究发现，在初中科学教学中还有很多地方可用到类似的方法进行教学，如密度、固体压强、功率、溶解度的计算等。在溶解度的教学中，学生在比较不同物质的溶解能力时，教师给出几组数据后，很容易就能想到先算出每克溶剂中溶解的溶质的质量后再进行比较。教师只需说明科学上的规定：在一定温度下，100克溶剂里达到饱和时，所能溶解的溶质的质量。教师只需将学生的计算结果乘以100即可。
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在浙教版科学八年级下册第2章第7节《元素符号表示的量》的教学中，相对原子质量的含义是本节课的重点和难点，也是以后所有化学计算的基础。学生对该定义的理解程度，直接影响到学生对化学的学习兴趣和学习能力。用讲授法只能让学生记住相对原子质量的定义，而对于该定义的来龙去脉，部分学生直到初三还是一知半解。在本课的一次教学中，受一学生的“引导”，我利用了学生原有的数学知识，通过有效的知识建构，还原了相对原子质量概念的形成过程。这对突破教学难点，提高学生的思维品质，培养学生的创新能力等都起到了很好的作用。
在简单的复习引入后，我用投影仪展示如下知识：
一个氢原子的质量：1.674×10-27千克
一个碳原子的质量：1.993×10-26千克
一个氧原子的质量：2.657×10-26千克
我问学生：“这种数据给我们的书写、计算、记忆带来了极大的不便，同学们能不能规定一个标准1，将这些数据简单化呢？”
为了降低难度，我把学生的思维引导到如何规定标
准1上。
学生1：把“1×10-27千克”作为标准1，那么
一个氢原子的质量为1.674，
一个碳原子的质量为19.93，
一个氧原子的质量为26.57。
多好的想法！比起原来的数字，已经简化了两点：①去掉了科学计数法；②去掉了“千克”这个单位。尽管由于刚接触这部分知识，该学生的表达还不是很规范，但他的头脑中已形成相对原子质量的雏形，非常的难能可贵！
学生2：把一个碳-12原子的质量分为12等分，每一份作为单位1，其他原子的质量与该碳原子的1/12的比值，作为该原子的相对原子质量。
该学生的回答非常完整，这一类学生他们经过认真地预习，尽管还是知其然，而不知其所以然，但他们的学习态度是值得其他同学学习的，同时这也正是我希望得到的答案，它是我预设的引子。
学生3：能不能求出它们的最大公约数？如果有最大公约数，我们就能将最大公约数规定为单位1。
真是天才！尽管不能算出真正的最大公约数，但单位1不就是近似最大公约数吗？该学生的思维的深度、广度，创新性解决问题的能力值得呵护。
我原先的教学设计是沿着学生2的思路引出相对原子质量，接下来进行相应的计算。学生3的回答打乱了我的计划，但我还是决定沿着该生的思路走下去。于是，我马上把幻灯片切换到表格（如下表）。
质子、中子、电子、碳原子、氧原子的相对原子质量
“分析表格中的数据，你认为哪个数据最接近最大公约数？”由于课堂完全超出我原先的预设，这张幻灯片的出现也有太大的跳跃性，大部分学生觉得困惑，几个平时发言积极的学生也欲言又止。我适时板书以下素材以降低难度：
①电子的质量跟质子、中子比，可忽略不计；
②质子质量≈中子质量；
③大部分原子由质子、中子、电子构成。
学生4：把一个质子或中子的质量作为标准1是否合适？
我不置可否，继续在上面表格中输入碳原子、氧原子、质子、中子、电子的相对质量，这时大部分学生都有恍然大悟之感。
接下来，我只需做好总结：一个质子质量、一个中子质量、碳原子质量的1/12、氧原子质量的1/16，这四个知识点非常接近，科学上为了测定方便，规定把碳-12质量的1/12作为标准1。
出示相对原子质量的定义：把一个碳-12原子的质量分成12等份，其他原子的质量与碳-12原子的质量的1/12相比后得出的比值，就是该原子的相对原子质量。
至此，相对原子质量的教学就水到渠成了，尽管课前我精心准备的教学方案在这堂课上没派上多大用场，且整堂课的教学比我预计的要多花些时间，但由于在本课教学中我注重过程教学，注重学生原有的知识与新知识之间的建构，学生理解得比较深刻，为后面相对分子质量的理解及化学式、化学方程式的相关计算做了很好的铺垫。
马克思说过：“一种科学只有成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步。”课后我查阅一些课外资料，结合自己的教学实践发现，许多科学试题的求解过程实质上是将科学问题转化为数学问题，经过求解再还原为科学问题。我们在使用数学方法时不能仅局限于用数学方法进行计算，我们要多思考如何用学生的数学思维来解决比较抽象的科学含义。
例如，在“速度的计算公式”的教学中，学生在解决小学行程问题的应用题中，已经有较多的该方面数学知识的积累，上课时我直接给出三句话：
甲同学10秒钟跑80米
乙同学10秒钟跑70米
丙同学11秒钟跑80米
然后提出三个问题：
①甲、乙两位同学，哪一位跑得快？请说明理由。
②甲、丙两位同学，哪一位跑得快？请说明理由。
③乙、丙两位同学，哪一位跑得快？请说明理由。
从①、②两个问题中，学生可得出课本上的结论：比较快慢有两种方法：一种是比较通过相同路程所用的时间；另一种是比较相同时间内通过的路程。第③个问题，经过充分的讨论后，大部分学生还是能先算出各自每秒钟通过的路程再进行比较。学生在不知不觉中已运用了速度的计算公式进行计算，教师只需适当点拨（秒、小时都是单位时间），进而可以归纳出速度的定义（物体在单位时间内通过的路程）。由于学生已体会了该定义得出的过程和方法，所以对定义的理解会比较深刻，公式运用起来也会得心应手。
通过进一步研究发现，在初中科学教学中还有很多地方可用到类似的方法进行教学，如密度、固体压强、功率、溶解度的计算等。在溶解度的教学中，学生在比较不同物质的溶解能力时，教师给出几组数据后，很容易就能想到先算出每克溶剂中溶解的溶质的质量后再进行比较。教师只需说明科学上的规定：在一定温度下，100克溶剂里达到饱和时，所能溶解的溶质的质量。教师只需将学生的计算结果乘以100即可。
概念的知识结构 篇12
传统的汽车车身概念模型大多采用具有等效特性的梁单元来模拟车身中的类梁形结构,用板壳单元组成车身大的覆盖面,用刚性单元或柔性的接头单元[1]来代替车身主要的接头结构。研究表明将接头作刚性处理可能使整车刚度增大50%～70%[2],可见车身接头的刚度模拟十分重要。
计算机性能的快速提高以及高精度多参数近似模型的普遍应用已使概念模型的计算和优化时间不再是主要考虑的问题,那么概念模型中直接采用真实接头就成为一种较好的选择,其主要原因如下:
(1)传统概念模型采用柔性单元模拟接头时,需要提取接头的刚度。在提取接头刚度的过程中,接头几何中心点位置的选取和接头各个分支的截取长度对接头的刚度结果影响较大,容易产生较大误差;对于车身A柱下接头这类复杂的接头,提取刚度的工作量也较大。
(2)由于车身疲劳寿命的薄弱点一般在门框的角部区域,所以想要在概念设计阶段就考虑车身的疲劳耐久性能,就需要采用具有真实接头的概念模型。
(3)真实接头能准确地表达接头的质量,在概念模型的后续优化分析中可以将接头质量的变化考虑在内。
本文以国内某款自主研发的多功能乘用车为例,在其概念设计阶段首次建立了由真实接头并辅以梁单元和大尺寸壳单元组成的车身概念模型。
1 真实接头车身概念模型的建立
汽车车身的特性主要由车身关键截面特性、车身接头特性以及车身的框架结构特点决定,图1给出了基于真实接头车身概念模型(简称ZJ)的汽车车身设计流程。
1.1车身关键截面特性数据库
典型的车身关键截面一般是由若干层冲压钣金件通过焊接边上的若干焊点连接而形成的封闭截面,图2所示为某车型门槛梁典型截面。根据车型的不同,车身关键截面定义的位置也稍有差别,图3给出了某车型车身关键截面的位置。
车身关键截面特性数据库是一个汇聚了各种车型各个关键截面特性的综合信息库,它包含了各个截面的形状和位置,截面中每层零件的厚度及材料,截面的材料面积S,截面惯性矩Iy、Iz,截面惯性积Iy z,截面扭转常量Tj,截面所包围的总面积A等,它是设计厂家日积月累形成的核心资料。
1.2车身真实接头数据库
接头是车身结构的关键过渡部分,其结构往往比较复杂,一个合理的接头结构不仅可以增加车身的刚度,而且可以提高车身的疲劳耐久特性,图4给出了某车型典型的接头位置示意图。
要建立真实接头数据库,首先要确定如何截取接头部分,由于不同车型的接头结构可能差别较大,故对于接头的截取就不能简单地规定各个分支的截取长度,而要遵循几个原则:首先,尽量保留接头的特征和各个分支的圆角过渡部分;其次,尽量保留接头中的加强板结构。图5为某车型B柱下端接头的截取效果图。
1.3ZJ的建立与验证
在国内某款自主研发的多功能乘用车概念设计阶段,进行前期CAE分析的输入条件只有该车的外造型面、整车的总布置尺寸等,详细的车身有限元模型较难建立,需要建立概念模型。本文根据该车型的整体尺寸和基准车的结构特点,组合调用车身截面数据库和接头数据库中相应的数据,利用MSC.Patran软件建立的真实接头车身概念模型如图6所示。模型总长4200mm,总宽度1600mm,总高度1700mm;车身主要的承载结构,如A柱、B柱、C柱、D柱、门槛梁、顶盖周边梁、车架前后大梁和地板横梁等采用薄壁梁单元模拟,模型中梁单元共364个,有38种不同规格的截面特性;主要板壳承载部件,如地板、顶盖、前后轮罩、后侧围和防火墙等采用板壳单元模拟,模型中该类大尺寸壳单元共1110个;对车身结构性能影响较大的关键接头,如A柱、B柱、C柱、D柱的接头采用参考车或基型车的真实接头有限元模型代替,模型中真实接头左右对称共计14个;ZJ中共计810 24个节点,772 44个单元。概念模型中,梁单元与接头的分支通过RBE2单元连接,梁单元和壳单元通过共节点连接;真实接头中各个零部件采用CWELD单元模拟点焊,采用RBE2单元模拟二氧化碳保护焊。
有研究表明,详细车身有限元模型中局部采用梁单元代替相应的详细结构,其精度是可以满足工程需要的[3]。本文建立的ZJ特性如表1所示,从表中可以看出,ZJ的各种参数和该车型最终的详细有限元模型参数比较接近,说明本文建立的概念模型满足前期工程应用的精度要求。由于最终的详细有限元模型是在概念模型的基础上通过优化设计和局部调整后得到的,所以本文的ZJ和最终详细有限元模型的特性会有一定的误差。
2 近似模型的构建
近似方法是一种计算效率高、能较大程度加快优化过程且可靠性较高的优化设计方法,它的数学本质是利用逼近近似技术对离散数据进行拟合或插值来实现对未知点响应的预测,它是实验设计、数理统计和最优化技术的一种综合。
2.1拉丁方试验设计
在整个设计空间选取有限数量的样本点,使之尽可能地反映设计空间的特性,即称为试验设计[4],它是构建近似模型必不可少的步骤。本文采用拉丁方试验设计,它是一种充满空间的设计,它使输入组合相对均匀地填满整个试验区间,每个因素的设计空间都被均匀划分,并且所有因素都有同样数目的分区。然后,所有这些水平随机地组合在一起,同时,每一个因素的每个水平只被研究一次,这样就形成了采样点的设计矩阵,由于每个因子在每个水平上都能得到均匀地应用,因此,拉丁方试验设计能够以较少的样本点反映整个设计空间的特性,是一种有效的样本缩减技术,具有效率高、均衡性能好的优点[5]。
2.2移动最小二乘响应面法
响应面方法作为目前应用最为广泛的近似方法,它是一种以试验设计为基础的用于处理多变量问题建模和分析的一套统计处理技术,其实质是以试验设计、经验公式或数值分析为基础,对设计空间内的设计点的集合进行连续的试验求值,构造目标和约束的全局逼近。在工程应用领域,多项式响应面模型应用比较广泛,本文采用移动最小二乘二阶多项式响应面模型,其基本理论可简述如下:
式中,xi为设计变量;y为响应面拟合函数;m为设计变量的个数;β0、βi、βi i、βi j为待定系数。
对式(1)进行多元线性回归处理,即
y=β0+β1x1+…+βrxr+ε (2)
一般设ε～N(0,σ2)。对于待定系数βk(k=0,1,…,r),利用M(M≥r+1)个样本点采用移动最小二乘法确定,通过对加权余量函数求极小值获得。加权余量函数定义为
式中,yI为第I个样本点的响应值;
通常的权函数有指数型函数、三次样条函数和四次样条函数等,这里选用四次样条函数作为权函数:
式中,s=d/dmax;d为任意点x与采样点xI之间的距离;dmax为紧支子域的半径。
2.3响应面模型构建
2.3.1 白车身静态扭曲刚度分析模型的描述
在汽车行驶的过程中,车轮受到路面激励而使车身发生扭转变形的情况很普遍,车身抵抗扭转变形的能力将直接影响到车身的疲劳寿命及乘坐的舒适性。车身扭转刚度K反映了车身抵抗扭转变形的能力,该指标是车身常用刚度指标之一。本文在白车身左右前悬中心点施加一对方向相反的z方向力F,约束左右前悬连线中点的平动自由度及车身后悬支点区域的平动自由度,此时,扭转刚度K为
θ=δz180/(Yπ)
M′=10-3F Y
式中,M′为加载的扭矩;θ为左右前悬中心连线的扭转角;δz为右前悬中心点z向位移值;F为每个前悬中心点的加载力(本文取值2000N);Y为右前悬中心点y的坐标值(本文为577.8075mm)。
2.3.2 整车准静态强度分析模型的描述
汽车整车多工况准静态强度分析方法是常用的车身强度分析方法,该方法简述如下:根据车辆道路行使过程中车身各工况的加速度情况,计算出车辆4个轮胎处的路面载荷,将轮胎处的载荷通过车辆悬架的ADAMS模型转化为车身硬点处的载荷,将车身硬点处的载荷加载到整车(配重至满载状态)有限元模型,通过NASTRAN的惯性释放方法计算车身在各种工况下的应力情况。如图7所示,以ZJ为基础将整车中的动力系统、传动系统、排气系统、空调系统、座椅、乘员、车门、油箱、备胎和仪表板等非结构质量连接到白车身模型上,将整车有限元模型配重至满载设计要求的1600kg(不包含簧下质量)。
本文选取车辆行驶过程中较为典型的过坑扭曲工况,重点关注白车身中各个真实接头的最大应力区域。
2.3.3 选择设计变量
在ZJ中,车身的类梁形结构由具有等效特性的梁单元模拟,而梁单元的特性(除它本身在整车坐标系中的位置)可以用截面的材料填充面积S,截面惯性矩Iy、Iz,截面惯性积Iyz,截面扭转常量TJ这5个参数表示。实际工程中车身关键截面的各种特性之间有较强的关联性。本文引入Donders等[6]提出的截面等效厚度T的概念,使截面的各个特性随等效厚度产生线性关联变化,其原理可简述如下:由于车身中大多关键截面具有类矩形特征,故该方法假设车身关键截面形状可表示为图8所示的壁厚为T的矩形,其截面特性经过简化可表示为矩形壁厚T的线性函数:
S≈2(b+h)T (6)
Iyz=0 (10)
式中,矩形宽度b≈b1,矩形高度h≈h1。
本文将ZJ中关键截面等效厚度和真实接头中的加强板厚度作为变量,将白车身的扭转刚度K,受力较大的接头3、接头5、接头6、接头7的最大应力σ3、σ5、σ6、σ7和白车身质量mc作为响应量。由于车身变量较多,需要进行灵敏度分析以减少变量数目。如图9所示,首先根据实际工程经验初选模型中的33个截面(左右对称)的等效厚度变化率r(r为优化的截面等效厚度与初始的截面等效厚度之比)和7个接头(左右对称)中的加强板厚度t作为变量,然后对6个响应量分别进行灵敏度分析。表2列出了每个响应量敏感度最高的5个变量名称,最终选取的优化设计变量共10个,将它们作为两个分析模型的耦合设计变量,各个设计变量的初始值及取值范围见表3。
2.3.4 移动最小二乘响应面模型构建
本文将每个设计变量平均分成70个设计水平,利用拉丁方试验设计方法进行70次采样。设置设计变量为r11、r13、r17、r21～r24、r33、t6、t7,将车身扭转刚度K和真实接头中受力较大的接头3、接头5、接头6、接头7的最大应力σ3、σ5、σ6、σ7作为约束函数,将车身的总质量mc作为目标函数构建其优化问题的近似模型:
其中,σ3、σ5、σ6、σ7的应力约束值是针对DC03材料(弹性模量E=210GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7850kg/m3,屈服强度σs一般在120MPa至240MPa之间,抗拉强度σb≥270MPa)按照指定的车身疲劳寿命计算得出的,其中σ6、σ7的约束值根据实际工程经验适当放大。
2.4响应面模型精度评价
近似模型需满足必要的精度才能够替代有限元模型进行优化计算。检验响应面模型精度可从两个方面进行:其一是检验响应面模型在采样样本点时的拟合相对误差;其二是检验响应面模型在设计空间中任意点的相对误差。相对误差RE的表达式为
式中,y为有限元模型仿真计算值;
图10为接头6最大应力σ6在70个样本点处的相对误差示意图,各个响应量在采样点的最大相对误差如表4所示。本文在设计空间中随机选取了5个样本点,各个响应量在任意样本点的相对误差如表5和表6所示。由表4～表6的数据可以看出,各响应量的相对误差绝对值大都在2%以内。综上所述,本文构建的响应面模型精度较好,可以代替真实有限元模型进行优化计算。
3 ZJ优化分析
在汽车概念设计阶段,车身结构变动的余地较大,车身关键截面和关键部件厚度等参数取值范围经常发生变化,要得到工程师比较满意的结果往往需要进行大量反复的优化计算,且本文ZJ的约束目标函数牵扯到两个计算模型,若每次都采用物理模型进行优化计算,则效率将会很低。因此,笔者构建近似模型来替代物理有限元模型进行优化分析,ZJ优化设计流程如图11所示。
利用连续二次规划优化算法对上述近似模型进行优化,目标函数mc的优化过程如图12所示,各个变量的优化值见表3,将变量优化值代入有限元物理模型计算的结果及响应面模型优化结果见表7。
通过优化分析,ZJ的B柱上接头、C柱上接头、D柱上下接头区域在整车过坑扭曲工况下的最大应力满足了给定指标,车身的扭转刚度K也有了较大提高,并且白车身总质量减轻了6kg左右。
根据优化结果可知,D柱上下接头的加强板优化厚度都有所增厚,这是由于该车型尾门框接头在车辆行驶过程中受载荷较大,其应力水平主要和尾门框的局部刚度有关,在不改变尾门框大小的前提下,通过增加加强板厚度来提高刚度是最为有效的方法。根据灵敏度分析结果可知,B柱上接头和C柱上接头的加强板对该接头最大应力不是影响最显著的,这是由于B柱上接头、C柱上接头处于车身的中部,其受载情况和整个车身的刚度有较大关系,若能使车身均匀受载,即使不增加其加强板的厚度也能使其应力降低。根据优化得到的车身关键截面特性,考虑车身造型、内部空间以及总布置等方面的尺寸约束条件,同时考虑截面钣金件冲压成形等方面的形状约束要求,通过蚁群算法可以快速生成较为合理的截面形状,这里不再赘述。
通过在概念设计阶段就利用ZJ对车身敏感部位进行优化设计,从而减小了详细设计阶段的设计更改工作量和缩短了研发周期。该方法和现行商业软件SFE Concept相比,ZJ模型更加易于构建,对工程师的技能要求不高,计算效率也相对较快,且精度完全满足前期工程的应用需要,但是由于不是全参数化模型,所以对于模拟白车身整体结构框架形式的变形能力较弱。该车型最终状态的白车身有限元模型如图13所示,白车身参数如表1所示,白车身的刚度和模态指标均达到了设计要求,且该状态车身结构顺利通过了海南试验场26 000km的强化道路试验,目前该车型已进入量产阶段。
4 结论
(1)首次提出了适用于汽车概念设计阶段的由真实接头并辅以梁单元和大尺寸壳单元组成的车身概念模型。通过某自主研发的多功能乘用车应用案例,表明 ZJ是一种易于构建、修改方便且满足工程应用精度要求的有效模型。
(2)在某自主研发的多功能乘用车概念设计阶段,建立了ZJ的强度分析模型和刚度分析模型,利用拉丁方试验设计方法和移动最小二乘响应面法构建了其近似模型,通过连续二次规划优化算法得到了车身截面特性和真实接头加强板厚度的合理组合,实现了车身的轻量化,为该车型的后续设计工作提供了重要的支持。
摘要：在汽车概念设计阶段,调用车身关键截面特性数据库和车身真实接头数据库,根据车身总布置尺寸建立了由真实接头并辅以梁单元和大尺寸壳单元组成的车身概念模型——真实接头的车身概念模型(简称ZJ)。将ZJ中关键截面等效厚度和真实接头中的加强板厚度作为变量,通过灵敏度分析找出了对接头强度和车身扭转刚度影响最大的变量作为设计变量。利用拉丁方试验设计方法对ZJ进行样本数据设计,然后采用响应面方法构建了其扭转刚度和强度近似模型。应用连续二次规划优化方法对概念模型进行寻优,在满足车身扭转刚度和车身强度的前提下,减轻了车身的质量。
关键词：汽车概念设计阶段,真实接头车身概念模型,响应面法,轻量化
参考文献
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