内结构件（共10篇）
内结构件 篇1
摘要：为解决传统内压容器设计上存在容器壁厚与容器直径之间的矛盾关系这一问题,设计了基于内拉结构的新内压容器方案。首先对内拉结构的基本原理和设计细节进行介绍,然后从器壁的受力和使用材料用量等方面分析了内拉结构相比于传统圆形截面的优势,最后提出了一种基于新内压容器的火箭燃料储罐设计,并进行了探讨研究。通过理论分析和ANSYS建模证明,所提出的内拉结构能够更好地实现内压容器的轻型化设计理念和绿色经济的制造要求,具有良好的应用前景。
关键词：内压容器,内拉结构,轻型化设计,ANSYS建模
0 引言
压力容器[1]是目前广泛应用于石油、能源、化工与航空等领域的关键设备。为节约材料、降低制造、运输和安装成本，实现安全与节约资源并举、稳定与经济平衡的制造要求，压力容器的轻型化设计成为了该制造行业的主导发展方向[2]。
压力容器的轻型化，主要是在保证容器安全的前提下，通过减少壁厚来达到减轻容器重量。传统的内压容器质地多以金属材料、复合材料或者外缠绕玻璃纤维以及碳纤维为主，且为圆形截面。按照GB150《钢制压力容器》[3]标准要求，同种材料在压力一定的情况下，压力容器的计算壁厚只与容器直径有关，这就导致容器容量与容器壁厚之间存在的矛盾关系。以往多采用新型材料和强化技术来解决这一问题，文献[4]设计了基于应变强化的奥氏体压力容器，对容器筒体部分的应变强化进行研究；文献[5]对压力容器中的焊接技术进行探讨，在器壁轻型化设计的前提下保证容器的质量、可靠性；文献[6]采用元胞蚁群算法对容器设计参数进行优化，以实现在满足各项设计指标的要求下，得到最佳设计方案的目的；文献[7]对奥氏体压力容器的强度裕度进行了研究，以期找出强度与壁厚平衡点。但这些方法存在的主要问题是，没能突破圆形截面对压力容器的限制，对于某些特殊要求，所进行的优化设计应用前景不大。本文针对这一问题，设计了一种基于异形内拉结构的新型内压容器，新型内压容器通过增加内拉结构以减小容器壁圆弧半径，从而达到减少容器壁厚降低加工成本和实现容器轻型化的目的。
1 内压容器壁厚设计原理
普通圆形截面压力容器，大致分为钢制压力容器、铝制压力容器、复合材料压力容器、周向缠绕和整体外缠绕压力容器。参照GB150《钢制压力容器》标准要求，容器壁厚δ与内压强pc之间的关系如式(1)所示。
从式中可知，同种材料在压力一定的情况下，压力容器的计算壁厚δ只与容器直径Dt有关，这就意味着若需要设计大容量的压力容器，不可避免的导致容器壁厚过大，增大加工难度，也违背了容器的轻量化设计要求。
目前，金属材质的压力容器，受限于金属自身相对不高的抗拉强度，存储相同安全系数以及密封相同压力体积气(液)体时，容器自身重量较重；采用复合材料的压力容器，虽然有一定优势，其纤维(承力构件)的抗拉强度很高，但是还需要有密封构件—树脂，这无疑增加了压力容器的重量，同时成本也较高。例如，在汽车行业使用的复合材料液化石油气储罐仅比相同规格的铝罐轻三分之一左右，而造价却高很多。最后，整体外缠绕罐多是潜水员氧气瓶等小型压力容器，减重的确明显，但不能做成大型压力容器，原因在于接管颈部是其很难避免的缺陷；故大型压力容器只能采用周向缠绕方式，却减重不大。这也是为什么长征2E火箭的燃料储罐还一直采用传统铝罐，而不使用新材料的原因。
2 基于内拉结构的内压容器
由式(1)可知，同种材料在压力一定的情况下，压力容器的计算壁厚δ只与容器直径Dt有关。但如果把式(1)中的容器(内)直径Dt看作为两倍的容器壁圆弧(内)半径，这也就意味容器壁厚在材料和压力一定的情况下，只与容器壁圆弧半径有关。因此，所以就有了本文对通过内拉结构来减小容器壁圆弧半径从而减小容器壁厚的设计。
2.1 内拉结构设计
通过式(1)的分析和对Dt含义的解释，本文通过增加减小内压容器壁圆弧半径以降低对壁厚要求，其所设计的内压容器内部截面如图1所示。
如图所示，所设计的容器壳体由多个凸形构件组成，其中凸形构件与容器中心通过内拉结构进行连接。壳体内部受压时，凸形构件受到的力通过角度α传递给内拉机构，且凸形构件的计算壁厚δ仅与内压力和自身半径有关。
内拉机构所受的力F内与凸形构件所受的力F凸满足力的矢量合成，即随着凸形构件所受的力增大而增大，并与角度a相反。F内与F凸的计算关系如式(2)所示。
在内拉结构中，两凸形构件间的连接区域设计如图2所示。
如图2所示，两凸形构件间为内折边，且两内折边重合，增加了强度，避免了F内的应力集中，同时也允许在其上打孔周向内拉，或者径向内拉。凸形构件内凹区域的焊缝，只承受凸形构件所受力垂直于内折边方向的分力。也就是说，焊缝的应力随着凸形构件内凹处夹角（图1的α角）的增大而增大，当角度为180度时，此纵缝就是典型的A类承力焊缝，必要时需要射线检测。而当角度为0度时，理论上焊缝不受力。
2.2 内拉结构分析
通过对内拉结构的介绍，可以看出，内拉结构的受力小于传统圆形容器结构。那么，在材料用量方面，内拉结构的内压容器是否具有优势，下面对此进行检验。
鉴于当容器半径较大时，壁厚对容器截面积的计算影响较小。因此为便于证明，假定不区分容器内半径和外半径，且气体面积为A=πr 2，内压容器壁厚，故容器材料近似面积如式(3)所示。
式中：p为容器的内压力，[σ]代表内压容器材料许用应力，r表示内压容器半径。
从式(3)中可以看出，圆形截面密封气体的面积A和所用材料的面积S是成比例的，也就是说，在不考虑封头的情况下，密封相同压力相同体积的气体，采用不同直径的圆形截面容器所需的材料是相同的（仅仅是容器的数量不一样，但总的材料截面积相同）。
下面以四段凸形构件组成的罐为例对内拉结构的内压容器截面积进行分析，其截面如图3所示。其中壳体中凸体半径为a。
备注：实线表示压力容器壁截面，虚线是为了说明而添加的线。
从图1分析，此时内压容器凸点各处应力相等。即容器各处壁厚相等。
同时，简化此模型如下：
1）忽略壁厚对容积的影响；
2）仅比较截面积和容器壁截面长度的关系。
从图3可以看出，整个罐被中心线划分为四部分，分别为上凸、左凸、右凸和下凸部分。以上凸部分为例，壳体中凸体的长度为2.618a，密封的面积（上凸部分剖面线面积）为1.309a2；中间内拉件的长度为1.366a，所密封的面积（上凸下剖面线区域）为0.683a2。从中可见，两者成线性比例关系，且整个压力容器的截面长度为15.936a，以及整个密封面积为7.968a2。
对于截面半径为a的圆形压力容器，其周长为6.283a，其密封的面积为3.1415a2。可以发现，两种容器的周长与面积对应比例皆为2:1。因此，从比例关系看，内拉结构压力容器和圆形截面压力容器具有同样的优势。
3 ANSYS数据分析以及应用设计
ANSYS软件[8]是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD,computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换。ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。目前，ANSYS软件已成为进行有限元分析的标准软件[9]。
3.1 ANSYS应力分析
设定内压容器中相邻凸形构件和内拉机构的角度为120°，即α==112200。°。则应用ANSYS对内压容器结构受力进行分析，如图4所示。
通过式(2)分析可知，凸形构件和内拉机构的受力相同，而上图选取的三个点的应力也证明了这一分析的正确性。同时，在相邻两凸形构件之间的区域，其应力近似是其他区域应力的一半，在实际生产时，这里对应的是压力容器的纵缝。但从应力值比较上看，它不是A类承力焊缝，在此将应力值较大的小于其他区域的焊缝称为密封焊缝。这意味着这种结构虽然复杂，但焊接要求降低了。图中所示的应力较大的点在凸形构件和内拉机构连接的尖角处，在设计时可以增大圆角来避免应力集中。
3.2 应用设计
本文所设计的内压容器特别适合应用于内压较大但对容器的重量有较高要求的领域。以火箭燃料储罐为例，通过应用本文所提出的内压容器，对储罐的结构进行设计，其侧视、剖视、正视以及储罐封头如图5所示。
图5中各标号所述表示部件名称列表如下所示：1：凸形构件；1-1：弧形板；1-2：弧形盖壳；2：内凹接缝；3：筒体；4：封头；5：中心连接件；6：径向拉板；7：纵向辅助拉件；8：拉筋；9：人孔法兰；10：内折边。
图5所示的火箭储罐设计大致参数如下：弧形板采用6061-T6，弧形盖壳采用5083-O，使用压力为2.5MPa，爆破压力8MPa，壁厚5mm。整体外径3.3米，凸形构件数量16个，除去内拉结构，整体重量仅为常规圆形截面压力容器重量的三分之一，在内拉结构采用高抗拉强度材料的情况下，整体重量有望控制在常规圆形截面压力容器重量的一半，即减重二分之一，非常可观。
4 结论
本文设计了基于内拉结构的新内压容器，并对其原理和相关设计进行了探讨。相对于传统圆形容器设计，所采用的内拉结构能够有效解决器壁与容器内压之间的矛盾关系，从而有利于实现内压容器的轻型化设计要求。虽然文中对内拉结构的受力以及凸形部分结合进行了分析和研究，且在内拉结构的基础上设计了新的火箭燃料储罐，然而考虑到内压容器中不同材料的热涨系数不一样，以及如何补偿等具体应用问题，内拉结构的应用还需要进一步研究，比如如何在纵向辅助拉件上增加波纹管等补偿件，或在容器中心连接件上添加补偿件，以及径向拉板特殊设计等，以此满足实际设计要求。
参考文献
[1]刘小宁,张红卫,刘岑,等.钢制薄壁内压容器静强度的可靠性设计[J].工业安全与环保,2011,37(3):48-50.
[2]游涛,陈刚,李清,等.静强度参数区间分布的薄壁内压容器可靠度[J].工业安全与环保,2013,39(12):50-53.
[3]GB150-1998.钢制压力容器[S].
[4]韩豫,陈学东,刘全坤,等.基于应变强化技术的奥氏体不锈钢压力容器轻型化设计探讨[J].压力容器,2010,27(9):16-22.
[5]林尚扬,于丹,于静伟.压力容器焊接新技术及其应用[J].压力容器,2009,26(11):1-6.
[6]刘瑜,马良.基于元胞蚁群算法的卧氏内压容器优化设计[J].化工机械,2010,37(1):17-22.
[7]马利,郑津洋,寿比南,等.奥氏体不锈钢制压力容器强度裕度研究[J].压力容器,2008,25(1):1-5.
[8]林国庆,王茂廷.基于ANSYS软件对压力容器开孔接管区的应力与疲劳分析[J].化工机械,2011,35(02):10-15.
[9]马舒琪,陈玉明,吴定勇.基于ANSYS的尾矿坝静、动力学稳定性分析[J].工业安全与环保,2011,37(7):15-20.
内结构件 篇2
【摘要】太极拳和中华武术的其它拳种都非常重视“丹田”的作用，认为“丹田”在人体内部对于力的产生以及养生等许多方面都发挥重要作用。随着太极拳和武术事业的向前发展和走向世界，我们有必要对传统理论所讲的一些重要概念比如“丹田”等等，给出一个比较科学与合理的解释。因为，这是太极拳和武术事业向前发展和走向世界必须要做的工作，我们不应该停留在传统理论的框架内停滞不前，必须要对传统理论进行改革和创新，以适应这种形势的发展。有鉴于此，本文试从人体腹部生理构造方面对“丹田”及其所发挥重要作用的原理进行分析和探讨，希望能起到一个抛砖引玉的作用。本文从人体腹部的生理构造开始进行分析和探讨。
【关键词】太极拳;生理结构;丹田;养生。
1 人体腹部存在一个气囊。
从人体的生理结构看腹部存在着一个腹腔，而传统理论所讲的“丹田” (下丹田) 就在腹腔这个位置，指的不是一个点而是一片区域，基本上和腹腔相吻合。从腹腔的结构看腹腔的外层由多种肌肉所组成。腹腔的前部有腹直肌、腹横肌、腹斜肌等肌肉以及网膜、脂肪和皮肤所包裹，内部有内脏由韧带、系膜等悬浮固定在一定位置，腹腔的上部是隔肌，下部有会阴处肌肉的承托，腹腔的后部有腰大肌、腰方肌?竖脊肌?背阔肌和胸腰筋膜以及脊柱的支撑，腹腔的内层由腹膜所覆盖，腹腔内外层的这些肌肉和腹膜从上下左右前后将腹腔严密的封闭，从而在腹部形成了一个密闭的盲囊。通过对这个盲囊在人体内受力情况及其在受力时所发挥的作用来分析，我们可以发现腹部的这个盲囊就像是人体的一个气囊。而实际上太极拳和武术传统理论就是把“丹田”比做人体的一个气囊，认为这里是人养气练气的地方。那么，腹部的这个气囊在人体内究竟发挥什么作用呢?下面我们继续进行分析和探讨。
2 腹部气囊犹如人体的一个“圆形橡胶空气弹簧”.
我们说腹部的这个盲囊就像是人体的一个气囊，但是它和一般的气囊构造不一样，它的内部因为容纳有内脏器官而不是中空的。但是，由于这个气囊的外层是由富有弹性的多种肌肉所组成，这些肌肉在呼吸运动的调节下可以改变它们的张力和强度。当呼吸运动增强时，气囊外层肌肉的张力和强度也会增强，那么腹部这个气囊的弹性就增大。当呼吸运动减弱时，气囊外层肌肉的张力和强度也减弱，那么腹部这个气囊的弹性就减小。从这里我们可以看出对于腹部的这个气囊，人们可以通过对呼吸运动的调节而改变它的弹性。还有，由于只有外层肌肉张力和强度的变化，所以气囊内部的压力几乎并不改变。因此，正是这种可以通过对呼吸运动的调节而可以改变弹性的特性，使得腹部这个气囊在腰部实际上就如同一个可以随着呼吸运动的调节，而可以改变弹性的“圆形橡胶空气弹簧”,这个“圆形橡胶空气弹簧”在人体内发挥着许多重要的作用。下面我们一一进行分析和探讨。
3 腹部气囊这个“圆形橡胶空气弹簧”在人体内发挥的重要的作用。
3.1 在人体内部力的产生方面发挥重要作用。
腹部气囊这个“圆形橡胶空气弹簧”究竟是怎样在人体内部力的产生方面发挥重要作用的呢?我们知道人体在用力的时候，呼吸的深度会加强且进行深呼吸，并且自然而然的会用到“气沉丹田”这种腹式呼吸(关于“气沉丹田”这种呼吸现在大家普遍认为一般来讲指的就是逆腹式深呼吸运动)，这时腹部气囊外层的肌肉随着呼吸深度的加强，张力和强度会增大，弹性会增强，腹部的这个气囊就好像被充了气的一个“圆形橡胶空气弹簧”,呼吸的深度越深 肌肉的张力和强度也越大，这个“圆形橡胶空气弹簧”被充的“气”就越足，弹簧的弹性就越强，弹簧的弹性越强积蓄的能量也越大，所以产生的力也越大。由于胸?腹?背部这些参与呼吸运动的肌肉非常强大，这是一群非常强壮的肌肉所以当它们在收缩与松弛时可以在人体内部产生强大的力量(这也就是传统理论上所称的“内力”或者“内劲”)。
3.2 起到保护脊柱提高腰部承受重量能力的作用。
我们说假如人体内原来由脊柱单独受力，现在由于有了腹部这个气囊，就变成了腹部气囊与脊柱共同受力，腹部气囊这个“圆形橡胶空气弹簧”分担了脊柱的受力，大大的提高了腰部承受重量的能力，并且起着保护脊柱不至因单独受力而损伤的作用。下面我们举一个例子来加以说明。比如说人们在举重抓举杠铃时，腰部由于有了腹部气囊这个“圆形橡胶空气弹簧”的支撑，从而变得强韧而有力，所以全身上下各部的力才能充分发挥出来，才可能把杠铃举起来。可是，假如我们在举重抓举杠铃时没有腹部这个气囊的存在，而让脊柱单独承担杠铃加于身体上的全部重量那会是怎样的呢?我们说如果人体在抓举杠铃时单独由脊柱承担杠铃加于身体上的全部重量，换句话说也就是如果杠铃的重量全部集中在脊柱上，那可以说是非常危险的。在这一过程中，当人体姿势稍微有些改变和位置有所移动时，都极易造成脊柱椎体间的.移位而使脊柱受伤。因为从脊柱的结构看它是由许多圆形椎体一个个竖直的垒加起来，内部有神经和血管，椎体间有软组织(椎间盘)，这种构造只适合承受垂直方向的力。可是当人体姿势改变或者位置有所移动时，人体重心会产生变化，为了维持身体的平衡，脊柱弯曲的屈度会产生变化，这时脊柱也就会被迫加上非垂直方向的力，脊柱受到这种非垂直方向力的冲击，很容易造成椎体间的位移而使脊柱受伤。但是，人体的腰部由于有了腹部气囊这个“圆形橡胶空气弹簧”的存在，分担了脊柱的受力，因而才使人能在举重或者承载重量时脊柱不至于受伤。通常人们总是感觉好像是脊柱在人体内单独承担着承载和传递上下部重量的作用，这是一个认识上的误区，实际上在人体的腰部还有腹部这个气囊与脊柱在共同承担承载和传递重量的作用，这个“圆形橡胶空气弹簧”对脊柱起着非常重要的保护作用。
3.3 在人体承受重量时发挥着稳定重心的作用。
我们知道人类由爬行发展到直立行走经历了一个长期过程，脊柱演变成近似“S”形弯曲，有着特殊的作用。尤其是骶椎与腰椎的结合呈一定的角度倾斜着，这个角度叫腰骶角。由于脊柱演变成近似“S”形弯曲，所以脊柱可以随着腰骶角角度的改变而进行灵活的蛇行运动，从而改变整个脊柱弯曲的曲度进行身体重心的调整。这样人体就是利用脊柱灵活的蛇行运动与“气沉丹田”这种腹式呼吸运动形成巧妙的配合，一方面通过控制呼吸量的大小以及气体在胸腹部的升降和吐呐，调节腹部肌肉的张力和强度，另一方面配合脊柱弯曲曲度的改变，随时随地的调整和分配腹部气囊与脊柱之间受力的大小，均衡人体内部力的分配，使人体在承受重量时起到稳定重心的作用。
3.4 起着保护内脏器官和大脑的作用。
上面我们谈到腹部这个气囊在腰部就如同一个可以随着呼吸运动的调节，而可以改变弹性的“圆形橡胶空气弹簧”,所以，当它的弹性增强时就可以使人体经受住一定强度的冲击和震动保护内脏器官和大脑。例如，人从高处跳下，虽然有踝、膝?髋关节的屈曲和脊柱的蛇行运动缓冲，但这远远还是不够的，现在再加上腹部这个“橡胶空气弹簧”的缓冲，就可以大大提高缓冲的效果，减轻震动引起的冲击，保护内脏器官和大脑。还有，训练有素的气功家和武术家他们可以让汽车从腹部压过，身体而毫发无损，这也可以证明腹部气囊这个“圆形橡胶空气弹簧”能产生多么强的抗压能力。
3.5 在养生方面发挥重要作用。
人体在进行呼吸时腹部气囊也在一张一弛的运动，而这样可以促进内脏器官的血液循环。中国太极拳和很多功法就是通过有意识的呼吸锻炼，来增强腹部气囊的运动促进内脏器官的血液循环，以此用于增强血液循环系统、消化系统、内分泌系统、生殖系统等的功能。所以腹部气囊这个“圆形橡胶空气弹簧”在养生方面同样也发挥重要作用。
4 结论。
以上，我们从人体腹部生理构造方面对“丹田”及其发挥的重要作用进行了分析和探讨，通过上面的分析和探讨我们可以得出如下结论：
4.1 太极拳和武术的传统理论所说的“丹田”在腹部，并且传统理论是把“丹田”比做人体的一个气囊，而从人体腹部生理构造方面来分析腹部确实存在着这么一个气囊，这个气囊就是解剖学上所说的腹腔这个盲囊。
4.2 腹部这个气囊犹如人体的一个“圆形橡胶空气弹簧”在人体内发挥许多非常重要的作用。说明了传统理论对于“丹田”的认识还是比较正确而且是与科学原理相符合的。
我们知道传统理论对于比如“丹田”等的认识和描述，大多停留在感性认识阶段，大部分写的是练功时的感受和境界，缺乏理性的分析和科学的论证。但是其中包含有非常科学的内涵，需要我们去开发和论证，这方面有大量的工作要做。我们必须要认识到太极拳和武术理论的研究需要科学化，因为这是太极拳和武术事业向前发展和走向世界的必由之路。
参考文献：
[1]邱树华，刘国隆。解剖生理学[M].上海：上海科学技术出版社，.10.
[2]陶熊，等。气功精选[M].北京：人民体育出版社，1981,6.
内结构件 篇3
【关键词】排桩；内支撑；支护结构；基坑；优化设计；方法
排桩内支撑支护结构是建筑工程中一项重要的结构，其在深基坑工程项目中应用比较广泛，而且可以有效提高基坑施工的质量。我国的建筑行业发展很快，由于人口的基数比较大，所以对住房的需求也比较大，为了缓解住房压力，提高土地的利用面积，建筑单位也在不断的优化结构设计，大力开发地下空间资源。所以，城市中的高层建筑以及地下建筑越来越多，这类建筑对地基施工质量的要求比较高，在深基坑环境中，施工的难度很大，而且容易出现安全事故，利用排桩内支撑支护结构，可以有效的解决这一问题，下面笔者对排桩内支撑支护结构优化设计方法进行了研究，以供参考。
1.工程实例
某高层建筑，地上为30层，地下是4层，高99.7m，层高是3.9-5.1m左右。该建筑施工场地的自然地坪高-0.25m，平面的尺寸是66m*45m，基坑东侧多为2层，7层砖混结构，距用地红线最近约为5.0m。基坑南侧和西侧均为砖混建筑结构，基坑北侧主要为道路和市政管线，用地红线距道路红线最近约为15.4m。
2.工程的水文地质条件
水文地质条件是工程施工前必须了解与掌握的内容，其对施工质量以及施工效率有着较大的影响，所以，施工单位在设计施工方案时，必须对施工场地周围的自然条件以及地质进行勘测。了解工程的水文地质条件，可以提高工程设计的质量，还可以保证工程按期完成，避免因为外界自然因素等问题，拖延施工的工期。勘测的主要内容主要有：查看施工现场是否存现地下水、当地的自然灾害问题、地质条件等等。勘测人员要利用专业的设备，对施工现场地下水的活动情况进行研究，要确保地下水对工程项目的施工不造成较大影响，才能进行动工。本文的工程实例中，施工现场地势比较平坦，其土质条件良好，在挖设基坑时发现该地区土地构成主要是：粉砂、粘土、粗砂、角砾等。该基地的土质条件属于强风化岩层，地下水的主要来源是降雨，水位的范围是2.8-3.2m左右。
了解工程的水文条件后，对设计人员制定基坑支护结构体系有很大的帮助，而且还能降低支护的成本，保证工程安全、高效的完成，施工单位还可以利用当地的自然条件，避免出现破坏当地生态环境的问题。另外，设计人员还需要充分考虑施工现场的条件，计划工程开挖基坑的深度、面积以及大小，这些内容都需要结合当地的水文条件进行确定。本文的工程案例，经过研究比较适合排桩内支撑支护结构体系，当地的地下水对其没有太大的影响，下面笔者结合实例对排桩内支撑支护结构优化设计方法进行简单的研究。
3.排桩内支撑支护结构的优化设计方法
排桩内支撑支护体系是一种复杂的结构，其主要是由排桩体系以及内支撑体系共同构成，在研究这种结构优化设计时，可以将二者看做是一个整体。排桩与内支撑在建筑结构中具有相辅相成的作用，如果将这两种体系分开设计与研究，则可能降低这两种体系的效用，而且还会降低建筑结构的稳定性。另外，对设计排桩与内支撑的具体内容时，需要考虑工程的实际情况以及设计要求，而且会利用到不同的公式，但是在设计建筑结构时，可以将二者有效的结合在一起，提高建筑的整体性。
本文中采用的是平面整体分析的方法，即将支撑杆件、腰梁作为一个整体，视为一个平面体系，设置若干支座，借助大型有限元分析软件SAP2000进行分析，得出支撑体系的内力与变形，最终设计出各构件的截面。利用SAP2000对内支撑体系进行优化设计，大体上分为以下几步：第一，定义轴网类型。第二，定义材料属性和截面。本文研究的内支撑为现浇钢筋混凝土支撑，支撑截面均为矩形。第三，绘制构件。将每一层支撑看作一个平面桁架，选用线单元来模拟这一桁架。第四，指定节点约束。分不同工况对该平面桁架施加约束。第五，荷载工况。在内支撑计算中考虑静力荷载工况。第六，分析工况。根据不同的节点约束，分不同工况对模型进行分析，得出不同工况下内支撑的内力，包括弯矩，剪力和轴向力。
4.A—A剖面结构设计计算
4.1排桩体系设计计算
根据前面提出的排桩内支撑体系的结构优化设计方法，以基坑东侧A—A剖面为例，对排桩体系进行结构计算。并考虑工况，分段采用等值梁法对排桩内力和各道支撑力进行了计算，按各工况求得的墙上弯矩作出弯矩包络图，对排桩配筋进行计算，按求得的支撑力设计各道支撑和围檩。
4.2内支撑体系的设计计算
内支撑系统由四道平面支撑和立柱组成。每道支撑包括环梁、腰梁和支撑杆。不同地质剖面计算求出的支撑系统需要提供的支护抗力是不同的，设计支撑系统时按所需最大支护抗力计算，第一，二道取N=353kN/m，第三，四道取N=571kN/m，支护抗力较小侧将由基坑外侧的被动土压力平衡。
根据约束条件的不同，分四种不同支撑条件对支撑体系进行分析： X向两铰：即沿X方向在环梁的两端设置固定支座；两邻边固定，将支撑体系的南侧与西侧的支座设置为固定支座；两邻边固定：将支撑体系的北侧与东侧的支座设置为固定支座；全铰：将环梁的约束全部设置为固定支座。
通过对计算结果分析比较得出：在X向双铰的支撑条件下，环梁的弯矩最大，支撑杆件的轴力最大；在将支撑体系的南侧与西侧的支座设置为固定支座的支撑条件下，腰梁的弯矩最大。在内支撑体系中，支撑杆件和环梁是主要的控制构件，因此考虑选用第一种支撑条件下各构件的最不利内力组合来对各构件进行截面和配筋计算。
5.结语
排桩与内支撑是建筑支护结构中两种不同的体系，在设计时二者需要利用不同的计算公式以及软件计算出具体的参数，为了保证建筑结构的稳定性，需要将排桩体系以及内支撑体系有效的结合在一起。在设计建筑基坑支护施工方案时，需要考虑工程的水文地质条件，外界自然因素对工程质量与施工效率有着较大的影响，如果不对施工现场的地质条件以及地下水等条件进行勘测，可能会延误工程的进度，还可能影响基坑的质量。在优化排桩内支撑支护结构设计时，要以经济、环保、安全为原则，还要利用专业的计算软件与公式，这样才能设计出最优的方案。 [科]
【参考文献】
[1]毛建波，朱安宁.一层内支撑在二层地下室深基坑支护工程中的应用[J].浙江建筑，2007（09）.
[2]贾定祎.钢筋混凝土地下连续墙结构与内支撑组合深基坑支护技术[J].建筑技术开发，1996（05）.
浅谈服装内结构设计 篇4
(一) 服装内结构设计的功能性
服装内结构设计的功能性主要以内结构线来完成, 如:省道线、分割线、褶裥等。这些结构线在功能性上可依据人体而定, 形成突出胸部、收紧腰部、扩大臀部等, 是服装显示人体曲线运动而应用的。功能性结构线是符合人体运动的, 而非静止的, 一定程度上能满足人体运动机能。要从人体各个部位活动关节的运动功能出发, 在这些部位上对服装进行一定的结构处理, 放入一些松量, 让这一局部的空间增大, 达到人体足够活动的空间而不影响审美合体性。由于三维人体表面凹凸不平, 从而表明机织物三维效果, 就必须去掉多余的部分, 除了面料的高温塑型的设定, 主要是通过褶裥与省道的设置来实施。这些结构线是在服装的功能性上以塑造人体曲线美为出发点而展开的舒适性的科学设计, 经典的公主线结构线分割便是为最好的人体展露而广泛应用的。公主线囊括了省道与分割线共存的结构线, 它是从人体的肩部开始出发经过人体胸凸点、腰凹点以及臀突点的结构线。在视觉上, 作为一条圆滑、细腻的曲线, 能够很好地呈现出宽肩部、丰满胸部、收紧腰部和放量臀摆的三围立体效果。公主线这一结构线经过了人体的最高点和最低点, 将肩省、胸省和腰省集于一身, 具有吸腰的特征, 使人体更易于表现胸凸, 将人体躯干的“S”造型完美呈现出来, 这也是功能性结构线的“功能”二字体现。
(二) 服装内结构设计的装饰性
褶是服装内结构线的另一种表现形式, 它将布料折叠缝制成多种形态的线条, 给人以自然、飘逸的印象, 从而增加了服装设计的艺术感、层次感和空间感, 起到重新塑造人体美的作用, 有效地诠释了当今服装设计的时尚品位和文化内涵。在服装设计中, 为了达到宽松的目的, 常会留出一定的余量, 使服装有膨胀感, 便于活动, 同时它还可以补正形体的不足, 但现今褶多用于装饰。打褶位置及方向、褶量不同, 即使同样技法, 也会显示出不同效果。根据形成手法和方式的不同, 褶可分为两种:自然褶和人工褶。
自然褶重在“自然”二字, 最具有装饰性。自然褶是立体设计中常出现的褶, 把面料直接披挂于身或者裁成衣片再在某处缝合或系扎, 利用面料的自然属性取得褶的造型效果。自然褶自然下垂、生动活泼, 具有洒脱浪漫的韵味, 所以设计师经常用于女装上, 像胸部、领部、腰部、袖口等处, 也由于自然褶在装饰性能上会形成许多平面结构设计中意想不到的美妙效果, 这正是许多设计师在进行设计时都热衷于自然褶的使用的原因。人工褶分为三种, 褶裥、抽褶和堆砌褶。人工褶中最有代表性的装饰褶就是褶裥。褶裥根据折叠的方法和方向不同, 可分为顺褶、箱式褶、工字褶、风箱式褶。这些褶裥可根据不同的设计目的垂直排列、倾斜排列或水平排列。此外, 褶裥还有宽窄之分, 有时一件服装上只有几个褶裥, 每条褶裥都较宽, 显露大方;有时可能会有几十甚至上百条, 褶裥窄小细密, 比如我们熟悉的百褶裙, 百褶裙这一经典运用多个装饰性的褶, 让人们感到年轻、愉快、公主感。这正是“褶”在服装上能给我们带来的无尽创意设计与感情表达。
二、服装内结构设计中的设计感
(一) 设计师品牌的创意造型
当今国内外品牌对细节化的内结构设计尤其重视。像国内做高端女装的精致品牌白领、玛斯菲尔等都在服装内结构设计的功能与装饰的运用上相当讲究, 其可体现服装的精致感与品牌感, 在消费者看来, 这一点恰恰是品位与地位标志, 也是吸引此品牌忠实客户群的重要原因之一。而像例外、速写等品牌在内结构设计的设计感上非常突出。如例外品牌的部分衣服袖子没有按常理的结构分割, 而是用倒装的立裁手法, 它在内结构线上也是功能性与装饰性的统一设计, 看似无章可循, 其装饰性的结构线也为功能性的结构线做到了整体造型上的辅助效果, 使整件衣服的造型达到更强的设计感, 体现了设计师品牌的文化与精神。日本设计师三宅一生的著名作品“一块布”, 只有极少的内结构线拼接, 就如同一块毯子披在肩上的效果, 这种所谓简约的设计概念对传统意义上的不同位置收省的处理手法来塑造女性曲线的服装设计概念是一次强有力的挑战。又如20世纪80年代开始设计的马丁马吉拉, 他的作品设计就是围绕着衣服的结构本身来做文章, 甚少考虑花纹、饰边、颜色等装饰:用重组、拼贴、手工塑型与加工的结构方式把长袍改成小外套, 把衣服的肩部、袖、腰部错位, 或把连体裤袜直接穿在鞋子外面来创意出自然形成的内结构造型。这些无一不表现内结构设计的创意性与细节重要性。
(二) 特性服装中的内结构设计
中山装和旗袍就是具有很强特性式的服装, 它的存在与源远流长的历史是密不可分的, 具有一定的精神代表和文化底蕴。中山装具有自己独特不变的固有结构款式, 闭式八字领口、立翻领、对襟、前门襟五粒明扣、四个贴袋、袖口三粒扣、后背无分割线。这些特性结构包含了孙中山赋予此款服装的政治上与思想上的文化含义, 衣领闭式代表严谨的治国理念;门襟五粒扣代表五权分立;袖口三粒扣代表三民主义;四个贴袋代表礼义廉耻;后背无分割线代表国家和平统一。中山装, 这本以人名命名的服装显然已成为我们当今社会的一种历史文化。
旗袍同样具有它所特有的款式结构, 像盘口、滚边、开衩, 无论是历史时期的旗袍还是现今时尚的旗袍, 这些固有的内结构设计都在秉承延续。这样的特性服装不单单存在于国内的历史性服装中, 而是每一个国家都有着代表性的具有历史发展的特性服装, 像日本的和服、韩国的朝鲜服、越南的奥黛、印度的纱丽等, 这些服装一度也被称为国服, 它们都具有鲜明的内结构特征, 代表了文化与历史等, 是民族的精神与国家的象征。特性服装的存在甚至在每一区域的历史纵线发展中也是变化和独特的特性发展, 如在我国五千年的历史发展中, 每一个朝代都有代表性的服装, 而每一代表性的服装中都拥有着独特专属的内结构设计细节, 而这每一个细小的细节又都蕴涵着意义与价值。用我们现代的眼光去看, 那每一个不可抹灭的细节不正是当今服装品牌风格属性。这些品牌的内结构风格属性的延伸与发展也便是服装的特性内结构设计。
所以, 无论是具有代表性的国服, 或是历史时期的服装, 还是现今的品牌服装, 都是具有独特的时代性、人物性、环境性以及特有的标志性内结构设计等因素, 我们显然已经把它们看作一种精神式的艺术作品。
三、总结
服装内结构设计创造是整体或局部间生生不息的转变相互存在的一个过程, 其表现的结果是结构线、辅料或面料图案的领域进入另一个层面的运用时期, 验证了一种创新, 一种转变, 一种联系以及所透出来的学术包容量。特殊的知识结构分割、独特的材料表现方式, 以及视觉的空间置换, 服装是一个实体, 更是一种文化。服装内结构设计语言的专题设置作为服装结构设计的一部分, 是依托于外结构大前提的制订与历史和对内结构对象的独特视角, 以及内结构属性的独特界定。内结构设计通常以分割线、省、褶裥等形式展示, 结合其他元素或色彩图案, 它们要和设计主题有某些共通之处, 但在外结构造型之间仍能保持整体性的平衡。创作服装内结构, 能给顾客带来情感效果并引发他们对品牌效应, 以提高品牌精致细节。内结构设计的手法和语言至关重要, 创新的生命力为品牌的价值与历史带来经典不衰。
摘要：服装结构设计具有塑造服装内外型, 可创造出不同风格并适合人体舒适的特点。服装结构设计在一定意义上来说既是结构线的设计, 也是人类表达和感受世界的一种方式。并用分割线、省、褶、口袋、领等细节方式手段使服装的外观变成客观存在的审美对象。从平面到立体、从简单到综合、从局部到整体, 在运用这些原理的同时围绕服装结构的功能性与装饰性进行充分发挥想象, 以此指导构思创作, 更好地突出服装内结构设计在整体服装乃至品牌上产生的文化与精神上的影响。
关键词：服装内结构设计,装饰性与功能性
参考文献
[1]陈建辉.论服装设计风格中的结构与解构.装饰, 2005 (14) :106.
[2]三吉满智子.服装造型学理论篇.中国纺织出版社, 2006.
[3]苏石民.服装结构设计.中国纺织出版社, 2008.
[4]方盛铸, 顾鸿炜.人体的点线面与服装结构设计.东华大学出版社, 2008.
[5]费舍尔.时装设计元素:结构与工艺.中国纺织出版社, 2010.
内结构件 篇5
特征结构内的量词排序与数量疑问短语的歧义解读
数量疑问短语是成分问句疑问短语的一种特殊形式.本文试图说明数量疑问短语的辖域特征并提出解构分析法将此类短语分解为数量疑问算子与存在集体量词.解构分析法的动因是两者在句子中分别有不同的辖域,而解构分析法能够很好地解释数量疑问短语的辖域歧义问题.在中心语驱动短语结构语法的框架下对成分问句进行研究的结果表明,数量疑问短语的.泛指/特指解读归因于量词在句子的特征结构内、量项值矩阵中的不同排序,疑问算子与量词之间的相对辖域次序并非是造成句子歧义解读的根本原因.
作 者：余小强 YU Xiao-Qiang 作者单位：湖南大学外国语学院,长沙,410082刊 名：外国语 PKU CSSCI英文刊名：JOURNAL OF FOREIGN LANGUAGES年，卷(期)：”"(4)分类号：H043关键词：数量疑问短语 解构分析 特征结构 量词排序 辖域歧义
构件内微粒声悬浮操控方法研究 篇6
关键词：内加工,超声悬浮,微粒,运动操控
0 引言
2003年,老一辈机械工程专家师汉民教授［１］将各种机械加工制造方法统称为“外加工”,并郑重设问:为什么不能将加工“工具”和加工能量送到坯料内部去,让其直接加工制造零件的新表面(即“内加工”)呢?当前,内加工技术的理论基础研究大多仍停留在透明材料的激光化学物理加工上,相关理论和技术的成果还难以满足非透明固体材料的操控与内部加工［２］。本课题组研究提出了一种任意材料的构件内部结构直接加工方法,即基于超声悬浮的构件内部结构直接加工技术。该方法与激光内加工技术相比具有加工装置成本低、加工工具和加工能量可根据实际需要柔性设计、加工材料可以任意选择等诸多优点。根据超声驻波场形成的原理［３］,在驻波场中悬浮的微粒球体直径须小于半波长,此情况也适用于构件内部的微粒悬浮［４］。超声驻波场中可悬浮的材料有很多,微粒既可以是固体也可以是液体,既可以是金属也可以是非金属［５］,这就为利用各种性态微粒加工坯料内部结构提供了很多可供选择的途径,例如,声化学腐蚀加工方法、液滴超声空化微爆加工方法、HIFU超声聚焦热加工方法等,这些方法可实施的前提是微粒悬浮和内部运动可操控。但在坯料内部微粒悬浮操控方法和运动控制技术目前还没有相关研究报道,本文旨在研究基于超声的微粒悬浮运动操控方法和建立操控性能试验分析装置,为在非透明固体材料内实施内部直接加工提供技术支持与硬件支撑,提供基于声悬浮的内加工系统平台初步设计方案,以期初步应用于坯料简单内通道加工试验。
1 微粒的声悬浮力理论分析及波传导模型研究
图1为单轴声悬浮装置示意图,超声波通过发射端传导到加工材料,再经过加工材料传导到内通道中,通过内通道腔内空间的发射与反射形成腔内驻波场来悬浮并操控微粒,超声传播腔内驻波场模型如图2所示,图中,h为通道高度。
1.1 微粒的声悬浮力及运动模型
设微粒材料特性为各向同性,受力产生的形变各向均匀,所处环境是连续理想介质,受力过程绝热,同时超声波为小振幅,环境温度为室温。依据King［６］的理论,声压的一般表达式为
图2腔内驻波形成模型
式中,p为声压;Δp为声压变化量;ρｍ为介质密度;ф为速度势;c为超声波在介质中的传播速度;uｐ为粒子速度。
当粒子处于不同声场中时,结合相应的自然边界条件可得到粒子所受辐射力。本文直接引用Yosioka等［７］提出的声辐射力理论,在驻波方向所受的辐射力可表示为
式中,λ为波长;p０为坐标原点处的声压;z为位移;Vｐ为粒子体积;ρｐ为粒子密度;βｐ为粒子可压缩系数;βｍ为介质可压缩系数。
可压缩系数与介质中的波速相关,即β =1/(ρc２)。设声比因子ф(β,ρ)为正,则粒子在驻波节点所受回复力情况如图3所示。图4所示为微粒水平运动受力模型,在垂直方向,微粒受声辐射力Fｚ作用;在水平方向,微粒同样受到辐射力Fｘ、Fｙ作用。
根据Takayuki等［８］提出的声辐射力理论,水平X方向的辐射力可表示为
式中,为有效声压;T为周期。
当粒子于流体介质之中做加速运动时,粒子的速度会逐渐变大,周围的流体速度也会逐渐变大,这势必要施加比粒子本身加速所需更大的力,这个力可以用虚拟质量力［９］来表示:
式中,uｒ为相对速度。
物体于流体中做相对运动受到的阻力称为黏滞阻力。黏滞阻力表达式为
式中,η为介质黏度;r为粒子半径。
在垂直方向,由于还受到微粒重力作用,因此,其运动方程可表示为
即
式中,mｐ为微粒质量;G为微粒的重力;g为重力加速度。
悬浮粒子的水平运动方程可表示为
即
由于对称性,Y轴运动方向受力与X轴方向受力一致。
综上所述,联立式(6)、式(7)可得微粒在驻波场的运动模型为
1.2 垂直入射波反射系数和透射系数计算分析
当超声波入射到材料新的分界面时,一部分能量穿透材料的分界面,而另一部分能量则在材料的分界面上反射回来,波的入射、透射、反射关系如图5所示［１０］。设入射应力为σＩ,反射应力为σＲ,透射应力为σＴ,假设声波传播限于水平X方向。
图5入射、反射与透射
由声阻抗公式W =ρcＬ(cＬ为介质声传播速度),得到反射系数、透射系数计算公式分别如下:
式中,W１、W２分别为介质1和介质2的声阻抗。
由于声能与压力的平方成正比,因此可以得到材料分界面的能量透射分配公式以及能量反射分配公式,把单位时间及单位面积内经由垂直于超声波方向的能量称为能量密度,即波强,用IＩ、IＲ和IＴ表示:
几种常见材料的超声波波速如表1所示,根据式(9)、式(10)和表1可以计算材料的声阻抗。
超声波从换能器发射端发出,传递到加工材料会有一部分的反射损耗。考虑到内加工环境,要求在第一界面获得较高的透射效率和在第二界面获得较高的反射效率。选择铝作为本文的加工对象材料,超声变幅杆的材料为45钢。设计波的传导途径为钢—铝—空气—铝—钢。
(1)首先计算超声波传导过程钢-铝的反射系数、透射系数和反射比、透射比。已知钢密度ρ１=7800kg/m３,钢中波速c１=5850m/s,计算钢的声阻抗为W１=ρ１c１=4.563×10７N·s/m３;已知铝密度ρ２=2700kg/m３,铝中波速c２=6250m/s,计算铝的声阻抗为W２=ρ２c２=1.6875×10７N·s/m３,计算B１２= W２/W１=0.37,将以上数据代入式(10)进行计算,结果如表2所示。
(2)计算超声波传导过程铝- 空气的反射系数、透射系数和反射比、透射比。已知铝密度ρ２=2700kg/m３,铝中波速c２=6250m/s,计算铝的声阻抗W２=ρ２c２=1.6875×10７N·s/m３;已知空气密度ρ３= 1kg/m３,空气中波速c３= 330m/s,计算空气的声阻抗W３=ρ３c３= 330N·s/m３,则B２３= W３/W２=0.000 019 6,将以上数据代入式(10)进行计算,结果如表3所示。
由表2、表3所示计算结果可知,钢 — 铝 —空气 — 铝 — 钢的声波传导途径设计是符合超声能量传递和各环节能量分配设计要求的。
2 声悬浮操控试验系统模型与设计实现
与单轴声悬浮装置的原理类似,利用三组发射端与反射端,构建出一个超声驻波三轴声悬浮装置,如图6所示。该超声驻波场为空间垂直交叉相错形成驻波节点相交的空间驻波悬浮场,从构件表面向构件内推半波长距离后形成的空间为运动可控范围,其内部任意点位置均可成为三维正交分布驻波场中一列驻波的波节点,即悬浮势阱阵列。构件内三轴声悬浮装置由超声发射反射端、驻波悬浮场、旋转托架、发射端旋转及平移驱动装置等组成,反复优化设计后构建图7所示的可动式驻波悬浮场运动操控方案。
设三个超声波发生器参数相同,频率f=30kHz,功率P=300W,振幅A=30μm。三维声悬浮系统的运动装置选用Zolix的TSA200-E滚珠丝杠导轨,每个导轨负责一个方向的自由度,超声波发射端使用固定支架固定在滑块上,利用与之匹配的三个数控装置控制步进电机使其带动超声波发射端完成三维空间运动。每个导轨可以通过手动或数控装置加载至步进电机上使其运动。步进电机型号为42BYG250A,其主要参数如下:相数为2,步距角为1.8°,定位转矩为0.012N·m,保持转矩为0.23N·m。实际试验装置如图8所示,由平台底座、固定支架、旋转托架、旋转发射块、可动式装置和基座块等组成。
图8声悬浮操控系统平台
3 构件内声悬浮微粒操控系统试验分析
3.1 微粒悬浮与透射厚度的关系试验
试验选用的加工材料为铝,尺寸(边长 × 边长)分别为15 mm×15 mm,20 mm×20 mm,25mm×25 mm,40 mm ×40 mm,50 mm ×50mm,高度有50mm和100mm两种。选用的悬浮微粒为聚乙烯泡沫微粒,密度为0.015~0.03g/cm３。空气中波速v=300m/s,超声波发生器频率f=30kHz,则超声波波长为
根据理论公式、发生器的功率和加工材料的传播性能,设计了不同透射厚度的试验。图9所示为内加工构件透射厚度H=16mm、通道圆孔直径为5mm时,直径3mm的泡沫微粒的悬浮效果。经过一系列的透射厚度悬浮测试,声悬浮力与透射厚度的关系如图10所示。
图9 H=16mm时的悬浮效果
图10声悬浮力与透射厚度的关系
根据图9所示的试验效果和图10所示的声悬浮力与透射厚度关系可知,内加工构件透射厚度在16mm之内时微粒能够稳定地悬浮,其有效透射厚度约为超声波波长的1.5倍。
3.2 微粒悬浮与通道直径大小、微粒直径大小的关系试验
分别设计ф5mm、ф10mm两种圆孔形通道和ф10mm×25mm,ф10mm×40mm、ф10mm×45mm三种长圆形通道,图11所示为ф10mm长圆形通道。选择直径为1mm、2mm、3mm,4mm的泡沫小球进行试验验证,以确定较优的微粒直径大小。试验中,当微粒直径在[0,1]mm范围内时,微粒悬浮稳定性随着直径的增大而增大;微粒直径在[1,4]mm范围内时,微粒稳定性没有明显变化,处于较稳定状态;当微粒直径大于4mm时,微粒迅速失稳,不能稳定悬浮。
图11长圆形通道图(mm)
试验结果表明:1ф10 mm圆孔形通道或ф10mm×25mm、ф10mm×40mm、ф10mm×45mm的长圆形通道中,微粒悬浮稳定性优于ф5mm圆孔形通道;2微粒的直径不能大于半波长5mm,需限制在半波长以内。 图11 所示为ф2mm泡沫小球悬浮稳定性试验效果。
3.3 微粒空间任意点悬浮与悬浮位移运动试验
采用ф2mm泡沫小球和ф10mm×25mm、ф10mm×40mm、ф10mm×45mm长圆形通道设计任意点悬浮和运动跟随试验。图12所示为任意点悬浮试验结果,在内通道中的各个稳定悬浮区域内,小球可以完成任意点悬浮,主要原因是三维超声驻波场交叉形成驻波节点域。图13所示为位移跟随试验,试验中将发射端向X正方向移动一定距离,内通道中的小球也跟着移动相应的距离,经过一系列的微位移量变化试验,将超声装置位移量和微粒位移量进行对比,如表4所示。
图12微粒任意点悬浮
图13微粒位移运动
试验结果表明:微粒位移跟随响应速度快,微粒位移跟随运动误差在0.65%以内,内通道中的微粒位移精度较高。结合任意点试验结果和位移运动跟随精度分析可知,悬浮微粒可以跟随超声驻波三维正交节点的运动而运动,声悬浮操控平台已达到运动控制基本要求,从而为下步开展微粒运动轨迹控制模型设计、运动精度分析和加工精度试验、内通道加工研究奠定基础。
4 结论
(1)微粒可在金属材料构件内部实现稳定悬浮,悬浮微粒可在较大量程范围内运动,且跟随速度快、位移精度高。
(2)微粒悬浮性能与构件形状、透射厚度、通道尺寸、微粒大小、声波波长及超声波功率有定量关系。
(3)从构件表面向构件内推半波长距离后形成的空间为三维驻波正交分布节点范围,在此范围内微粒运动可控,微粒跟随驻波节点运动而运动,可驱动到达通道内部任意点,在构件内部形成运动轨迹。
深基坑内支撑支护结构施工技术 篇7
某工程位于广西壮族自治区柳州市东环大道105号,南临广西215地质队办公楼,北面为文昌路,东侧为东环大道,西靠广西215地质队生活区。工程占地面积为7 554.18 m2,总建筑面积为56 293.1 m2。其中,地下建筑面积为15 965.1 m2,地上建筑面积为40 328 m2,地下室局部设人防工程。建筑高度为151.2 m,结构形式为框架-核心筒,地下3层,地上32层。
本工程基坑狭小,东西方向长约76.1 m,南北方向长约72.4 m,基坑周长约310 m,基坑占地面积为5 913 m2,开挖深度为18.1～23.1 m。基坑支护结构的安全等级为一级,采用支护桩加2道钢筋混凝土内支撑结构形式,其中西面为双排桩,桩径为1 200 mm,东、南、北3面为单桩,桩径为1 400 mm,桩间采用直径800 mm高压旋喷桩止水。基坑边与周边建筑物距离很近,西面8层住宅楼到基坑边的距离为8 m,南面3层办公楼到基坑边的距离仅6 m (如图1所示)。
2 水文地质情况
本项目基坑开挖深度大,根据岩土工程详勘报告,开挖后基坑侧壁主要由①1层杂填土、①2层杂填土、①3层素填土、②层淤泥质土、③层黏土、④1层坚硬～硬塑状红黏土组成,局部可能揭露④2层可塑状红黏土及下伏基岩,各岩土层物理力学性状差异较大(见表1),不均匀,开挖后基坑整体稳定性差。
地下室边线东面离东环大道非机动车道最近距离约14.5 m,地下室边线与道路间的地下管线(主要为电信、电力线缆及给水、排水管道等)分布复杂,地下线缆及管线埋深一般为路面以下1～2 m,其走向与拟建地下室边线走向大体一致,局部有穿插交错。
场区地下水分为上层滞水和岩溶裂隙水。上层滞水的水位埋深为0.5～9 m,为较高水位,水量较大,若在雨季,该地下水可遍布整个场区。岩溶裂隙水属承压水,水位埋深为6.9～8.8 m,水量受岩溶裂隙的发育程度及连通性控制,分部均匀性较差,年水位变幅为3～5 m。
3 工程难点
(1)基坑西侧为广西215地质队生活区,有4栋8层高的住宅楼,住宅楼基础为天然地基浅基础,埋深约1.5～3.0 m。场地内土质分布很不均匀,上层主要是杂填土,周边住宅楼对地下水及土体的变形相对敏感,土体一旦发生变成形容易造住宅楼沉降开裂。
(2)工程西面约1.4 km处为柳江,由于场地离柳江较近,与柳江水力联系密切,洪水期江水暂时性涨落对场地的地下水影响非常大。柳州市多年平均洪水位为82.22 m,高于基坑底的68.2 m,基坑开挖时正值雨季,地下水十分丰富,对基坑施工很不利。
(3)基坑面积约5 900 m3,内支撑梁区域的面积约1 900 m3,占基坑总面积的1/3。开挖两道内支撑梁下面的土方时,挖掘机要避免碰到内支撑梁和立柱桩,影响基坑支护结构的安全。
(4)基坑狭小,东西方向长约76.1 m,南北方向长约72.4 m,开挖深度最少达18 m。挖-9 m标高以上的土方时,自卸汽车装土后可以沿着运土坡道驶出基坑。开挖-9 m标高以下的土方时,坡道太陡,自卸汽车装土后爬坡困难,无法直接外运,土方的垂直运输很困难,需要采取非常规的运土方式。
4 主要技术措施
根据设计图纸的要求,基坑应严格按照如下施工工序进行:支护桩→立柱桩、旋喷桩施工→冠梁→土方开挖至第一道支撑底部→第一道内支撑梁施工→土方开挖至第二道支撑底部→第二道内支撑梁施工→降水井施工→土方开挖,同时桩间进行挂网喷面→挖至地下室底板底标高处。
4.1 支护桩、立柱桩及旋喷桩施工
支护桩和立柱桩均采用旋挖成孔灌注桩的形式,支护桩共177根,其中直径为1 000 mm的桩共64根,直径为1 400 mm的桩共113根;立柱桩共21根,为钢格构柱与钻孔灌注桩组合式,桩径为1 000 mm。由于受较高的地下水影响,采用旋挖钻机干法钻进工艺时,上层杂填土渗透系数大,地下水不断渗出,孔壁容易坍塌。施工时部署2台XR320D旋挖钻机,施工中采用泥浆护壁钻进的工艺,通过泥浆保持孔壁的稳定、冷却钻头、悬浮钻渣。钻孔时,先用捞砂斗挖土到岩层面,进入岩层后再更换为岩心钻,钻进过程中需定时监控钻杆的垂直度,垂直度偏差控制在0.5%之内。紧接着是下钢筋笼,钢筋笼在钢筋加工厂焊接完成后,用50 t的履带吊直接吊运到桩位并安装到孔内。钢筋笼整体吊装与传统的孔口搭接工艺相比,单桩可节省3～4 h,且钢筋笼的直线度和搭接质量更容易控制,最后浇筑桩身水下混凝土。支护桩施工完成后,立即同时进行立柱桩和旋喷桩的施工。立柱桩施工时,混凝土只灌注到基坑底面标高,桩身上部约18 m的部分留空。混凝土浇筑到设计高度后,每隔10 min用测绳测量混凝土面标高,若发生混凝土漏浆下沉则及时补料,稳定后才能将导管拔出。旋喷桩采用三管旋喷工艺,施工中使用一台ZSL-70全液压履带式工程钻机提前钻孔,高压旋喷桩机跟进喷浆,钻机和桩机均为自行式机械,施工方便。喷浆过程中,严格控制浆压、水压、气压均在设计范围内,喷管提升速度控制在0.1～0.2 m/min,水灰比控制在1.0～1.2。
4.2 土方开挖及内支撑施工
土方开挖施工采用盆式开挖,严格按照设计工况进行,先撑后挖,分层分段对称开挖,内支撑梁混凝土强度达到设计强度的80%后才能开挖下一层土方。土方开挖时,各工序施工安排要紧凑,形成流水作业,优先挖除内支撑梁区域的土方,尽快完成内支撑梁施工,减少基坑无支撑的暴露时间,避免基坑产生过大的变形。遇到雨天土方无法外运时,先将内支撑梁区域的土方挖出,倒运到无内支撑梁的区域,为内支撑梁提供工作面,优先保证内支撑梁的施工。土方挖至内支撑梁的底面标高后,定出平面位置,直接在土面上铺胶合板作为底模,钢筋绑扎完成后,梁的两侧木模板用对拉螺杆加固。开挖下一层土方时,立即将底模板拆除,避免模板沾在梁底形成安全隐患。运土坡道设置在基坑西北面,该区域的内支撑梁施工时,需将部分坡道的土方挖除,内支撑梁混凝土浇筑完成并洒水养护7 d后,分层将土方回填压实。
土方开挖分5层进行,第1层为第一道内支撑梁以上部分土方,该层土方深约4 m,一次全部挖除。第2层为第一道内支撑梁与第二道内支撑梁之间土方,第3层为第二道内支撑梁以下6 m土方,第2、3层土方开挖时均由2台PC 120小型挖掘机开到内支撑梁底下挖土,再用大型挖掘机倒运装车,自卸汽车从西北角的运土坡道出坑。挖两道内支撑梁下土方时,分层对称开挖,并注意避开立柱桩和内支撑梁,开挖前由测量员提前测量出立柱桩的位置,并做好标记,立柱桩周边1.5 m的区域采用人工挖除。第4层土方开挖时,由东侧向西侧后退出土,并穿插冲孔灌注桩基础施工。各区域土方挖除后,由南向北逐步挖除运土坡道的土方,最后用长臂挖掘机在北面的基坑边挖出余土,装入自卸汽车运出。冲控灌注桩基础施工完成后,进行第5层土方开挖,此时长臂挖掘机已无法取土,改用1台QY130汽车吊配4m3容量的料斗和1台皮带输送机进行土方垂直运输。2套设备同时运土,皮带输送机可用自卸汽车直接在皮带轮下方装土,汽车吊用料斗吊运土方到基坑北侧的一块6m×15 m的区域,再用挖掘机装车外运。基坑剖面如图2所示。
4.3 降水井施工
根据本工程地下水分布情况,设计方案设置了1 0口降水井,以便降低地下水位,配合基础施工。第4层土方挖除后,立即进行降水井施工,降水井成孔采用冲击成孔方式,孔径1 000 mm,水井深度要求进入中风化岩3 m。成孔后,将包裹了双层铁丝网的钢筋笼沉入井中,钢筋笼与孔壁之间的空隙回填级配碎石,井口放置1 400 mm直径的钢护筒,避免泥浆流入降水井。
4.4 坑中坑施工
基坑大部分区域开挖深度为18.1 m,基底主楼核心筒处的最大开挖深度达23.1 m,此施工范围为坑中坑,面积约400 m2,坑底在岩层面附近,地下水十分丰富。为确保边坡稳定安全,坑中坑放坡45°,边坡开挖后压入3 m长的Φ48 mm钢管作为土钉加固土体,钢管的垂直和水平间距均为2 m。边坡面层采用挂网喷锚加固措施,沿基坑边坡底设置1道钢筋混凝土挡墙,挡墙高1 m,厚0.3 m。坑中坑每边设置3个井点降水,开挖前把地下水降到坑底以下0.5 m。降水时密切注意基坑周边水位下降情况,坑中坑土方开挖后并未发现异常情况,边坡整体稳固。
5 基坑监测
由于工程基坑开挖较深,为保证基坑施工时周边建筑物、道路及管线的安全,基坑监测包括了支护结构和周边建筑物、管线的沉降观测。监测点布置如下:①基坑深层水平位移监测,沿基坑边在支护桩内布设8个观测点,测点编号为T1～T8。②基坑周边地表竖向位移监测,沿着基坑东面的东环大道和北面的文昌路,在靠近基坑一侧的人行道上布设12个观测点,测点编号为D1～D12。③基坑竖向位移及基坑水平位移监测,沿着基坑顶周边,在冠梁上布设13个观测点,测点编号为P1～P13。④基坑水位观测,在基坑边四周,距离冠梁约1.5 m的位置布设7个观测点,测点编号为S1～S7。⑤基坑周边建筑物竖向位移观测,在周边建筑物的四角和长边中点布设观测点,共布设42个观测点,测点编号为J1～J42。⑥基坑周边管线竖向位移监测,沿着基坑东侧的东环大道每隔15 m左右布设6个观测点,测点编号为G1～G6。⑦基坑支撑内力监测,在冠梁和第一、第二道内支撑梁布设32个观测点,每个观测点有4个应力计,测点编号为N1～N32。基坑及周边建筑物、管线共设置了120个观测点,基坑土方开挖时监测频率为1次/1d,土方开挖完毕且监测值稳定后,监测频率降低到1次/3 d。
基坑东北角土方开挖到-16.5 m后,进行冲孔灌注桩施工时,内支撑梁上有轻微震动,完成约10根桩后,发现内支撑梁与支护桩连接处局部有裂纹,部分支护桩间混凝土喷面脱落。监测单位对有裂纹部位进行重点监测,到桩基础施工完成,裂纹没有扩展,支护结构变形均在设计范围内,未出现危害基坑安全的状况。施工过程中,各个监测点的沉降速率、累积沉降、位移值及内力值均小于设计的控制值,并满足《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497—2009)中的相关规定,基坑和冲孔桩基础施工对周边建筑物及管线未造成不良的影响。
6 结语
针对深基坑深度大、平面窄的特点,本工程根据土方开挖各阶段采用不同的挖土方法和机械设备,取得了较好的效果。施工中,支护结构与土方开挖流水交叉作业,减少施工间歇,加快施工进度,并通过实时基坑监测确保基坑安全。从支护桩开始施工到完成土方开挖,共历时18个月,其中支护结构施工8个月,冲孔灌注桩基础施工7个月,土方开挖7个月。通过精心组织施工,不断优化施工方案,解决各施工难点,顺利完成基坑支护结构和桩基础工程,工程均达到施工质量验收规范和设计要求。
参考文献
[1]梅晓丽,陈杰,刘伟.某工程超大深基坑地基与基础施工技术[J].施工技术,2014(1).
[2]王自忠,杨世相,王晓曙,等.复杂条件下某工程基坑支护技术[J].施工技术,2013(19).
[3]JGJ 120—2012,建筑基坑支护技术规程[S].
[4]GB 50202—2002,建筑地基基础工程施工质量验收规范[S].
[5]GB 50497—2009,建筑基坑工程监测技术规范[S].
内结构件 篇8
1)房屋的总高度和层数。
因为多排柱内框架房屋的主要抗震构件仍是砌体墙,而砌体墙的数量相对来说又较少,墙体的破坏程度往往较严重,因此应比多层砌体结构房屋更加严格地控制房屋总高度和层数。对6度,7度地震区多排柱的内框架房屋层数不宜超过5层,房屋总高度不超过16 m;对6度,7度地震区房屋层数不宜超过4层,房屋总高度不超过13 m。
2)房屋的体型。
由于多排柱内框架砌体房屋的抗震性能差,因此内框架房屋建筑的体型要简单。体型简单和规则的建筑,受力性能明确,传力路径短,设计时容易分析结构在地震作用下的实际反应及内力分布,且结构细部的构造也易于处理,所以这类结构遭遇地震后其震害相对较轻。建筑体型不规则,平面上凸出凹进,立面上高低错落,易于形成刚度和强度上的突变引起应力集中,也容易形成薄弱环节,往往造成比较严重的震害。
3)房屋的平面形状。
多排柱内框架砌体房屋在无特殊要求的情况下宜采取简单对称的平面,如矩形平面。同时,建筑的平面刚度和质量分布力求对称。如果建筑的刚度和质量分布不对称,即使在地面平动作用下也会发生扭转振动,从而造成比较严重的震害。
4)房屋的立面形状。
多排柱内框架砌体房屋的抗震性能较差,因此宜采取规则的立面。建筑的质量和刚度沿竖向分布宜均匀。实际工程中,由于建筑的竖向收进处理,使地震时收进处上、下部分震动特性不同,易于在收进处的横隔层(楼板)产生应力突变,使竖向收进的凹角产生应力集中;又如,由于在建筑中低层需要开敞或在任意层需要大空间,将使结构上、下不连续,产生竖向刚度突变,易产生严重的应力集中和变形集中,从而导致严重的震害;再如,在建筑物低层设置上、下不连续的砌体墙,使建筑产生沿竖向不均匀性,设计时对上述质量和刚度沿竖向分布不连续情况应加以限制,采用必要的构造措施。
5)房屋的纵横墙布置。
对于多排柱内框架房屋而言,楼层侧移刚度主要取决于砌体墙,纵、横墙布置如果不对称,就意味着房屋刚度分布的不均匀、不对称,且房屋的刚度中心与质量中心不重合。此种情况下即使在单向平动作用下,房屋也会发生平移—扭转藕联振动,在地震时的多维地面运动作用下,房屋的扭转震动将是强烈的。它可以使房屋侧移刚度较弱一端的砌体墙、框架的变形进一步增大,从而加重震害。因此,进行内框架房屋的平面设计时,在满足工艺、使用要求的情况下,应尽量使纵、横墙的布置对称均匀,从而使房屋的震害缩小到最低限度。
6)横墙间距。
承重砌体墙的间距对内框架房屋的震害有着明显的影响,它不仅关系到砌体墙的破坏程度,而且对内框架的破坏尤其是外纵墙的平面弯曲破坏等影响甚大。横墙间距大,砌体墙所承担的地震荷载就大,当地震荷载超过砌体墙的抗剪强度时,就造成墙体的破坏。而横墙间距小的内框架房屋,外纵墙的破坏程度则较轻。对于内框架房屋,在工艺和使用要求能够认可的情况下,横墙的间距应尽可能地小一些,这样有助于减轻纵、横砖墙的震害。规范规定多排柱内框架结构房屋的最大横墙间距如表1所示。
7)楼梯间构造加强。
地震作用下楼梯间的破坏往往最严重,尤其是刚度较小的内框架结构房屋。因此,宜采用构造柱、圈梁、配筋混凝土带等措施予以加强。
8)楼板的选型。
多排柱内框架砖房在工程中常采用预制装配式楼盖或现浇整体楼盖,而这两种楼盖形式对传递水平地震剪力的能力大不一样。若楼板采用预制板,由于其平面内刚度不足,将会有较大的地震作用传给内框架柱,导致内框架柱易发生破坏。因此我国规范规定,为了提高楼板水平刚度,应采用现浇或装配整体式楼板。
9)构造柱的设置。
为了保证多排柱房屋的整体性,应设置构造柱。设置钢筋混凝土构造柱对约束砖墙,提高多层内框架房屋的整体抗震能力有良好的效果。多层内框架房屋的构造柱设置部位为:外墙四角和楼、电梯间四角,楼梯休息平台梁的支承部位;抗震墙两端及未设置组合柱的外纵墙、外横墙上对应于中间柱列轴线的部位。构造柱的截面,不宜小于240 mm×240 mm。构造柱的纵向钢筋不宜少于4Ф14,箍筋间距不宜大于200 mm。构造柱应与每层圈梁连接,或与现浇楼板可靠连接。
10)组合柱的设置。
组合柱能提高砖墙、砖壁柱平面外抗弯能力。 组合柱的截面高度可采用490 mm,钢筋不宜少于2Ф12,
摘要：对多排柱内框架砌体房屋的结构布置进行了分析研究,探讨了这种房屋在总高度和层数、房屋的体型、房屋的平面形状、房屋的立面形状、房屋的纵横墙布置、横墙间距、楼梯间构造加强、楼板的选型、构造柱的设置、组合柱的设置、圈梁的设置等各方面的结构布置要求,可供工程和设计人员参考。
关键词：多排柱内框架砌体房屋,结构布置,平面形状
参考文献
[1]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].
[2]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].
[3]东南大学.建筑结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.21-22.
[4]T.鲍雷,M.T.N.普里斯特利.钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计[M].戴瑞同,译.北京:中国建筑工业出版社,1999.26-27.
[5]方鄂华.多层及高层建筑结构设计[M].北京:地震出版社,1992.31-32.
[6]高小旺.建筑抗震设计规范理解与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.11-12.
[7]张三柱.多层内框架砖房抗震设计若干问题探讨[J].低温建筑技术,2000(4):23-24.
内支撑密排桩支护结构优化设计 篇9
1 优化设计的基本概念及要素
优化设计就是指在满足一定的设计要求下搜索“最合适的”设计方案。在结构设计过程中很多设计参数，如构件截面尺寸、材料特性、荷载作用位置等都可以用变量表示。优化设计即是通过赋予这些变量以不同值进而计算得到所关心的结果，通过比较这些结果并从中选取“最优”变量的分析过程。
1.1 初始条件
任何优化设计都必须在某些确定的设计前提下进行，不可能把所有的设计参数均当成变量来处理。实际工程中，某些设计条件在整个设计过程中是不因人力而改变的或者是基本确定的，这些设计条件即为优化设计的初始条件。本文的初始条件是:场地土的土层参数和基坑的开挖深度。
1.2 设计变量选取
设计变量是在设计过程中遵循一定规律而变化的参数，一般每一变量均有一定的取值范围，比如构件的截面尺寸、可变荷载的作用范围等。本文根据单排桩加一道钢管内支撑支护结构形式在实际工程中较常变化的设计参数，引入了两个引申变量:1)钢管内支撑的中心与地表的垂直距离d1和钢管内支撑中心与基坑底的垂直距离d2的比值，令其为j;2)第一次开挖深度w1与钢管内支撑的中心与地表垂直距离d1的比值，令其为k。
1.3 目标变量确定
目标变量是优化设计中极小化的变量参数，也是评价设计方案优劣的标准，它必须是设计变量的函数。在结构优化设计中常见的目标变量有内力值、位移值、重量、费用等。由于单排桩加一道钢管内支撑支护结构的最终造价均可与支护桩的内力及位移值相联系，故本文设定两个目标变量:1)支护桩身的最大水平位移u;2)支护桩身最大弯矩值M。
2 实用设计方法
支护结构设计一般多采用弹性地基杆系有限元单元法，这也是相关规范的推荐方法[1]。在实际工程设计中，采用计算机辅助设计，利用通用的商业化计算分析软件来进行支护结构的受力分析是比较实用的方法。本文采用“同济启明星Frws”深基坑计算软件，按前文1中所述的方法进行单排桩加一道钢管内支撑支护结构的优化设计。
3 优化设计工程实例
某深基坑工程，位于滨海地区，场地土依次主要为:素填土、粉土、粘土。各土层力学参数(亦即本文优化设计的初始条件)如下:(1)素填土层:重度18.5 k N/m3，厚度2.5 m，粘聚力c=4.5 kPa，内摩擦角=7°;(2)粉土层:重度19.5 k N/m3，厚度5.5 m，粘聚力c=10 kPa，内摩擦角=21°;(3)粘土层:重度19 kN/m3，厚度15 m，粘聚力c=17 k Pa，内摩擦角=16°。地下水位埋深0.5 m。
本基坑是一市政地道基坑，呈狭长形，长200 m，宽22 m，开挖深度d0=7 m。支护结构为单排桩加一道钢管内支撑，支护桩直径0.8 m，桩间净距0.2 m，钢管内支撑直径为600 mm，水平中心距4.0 m;支护桩外侧设双排咬合水泥搅拌桩止水帷幕;基坑内设大口井降水。基坑施工基本步骤为:1)施工降水大口井、施工水泥搅拌桩止水帷幕、施工支护桩;2)第一次开挖至深度w1;3)在距地表d1位置处加钢管内支撑;4)第二次开挖至基坑底，基坑完成;后续主体结构的施工等不再赘述。支护结构横断面如图1所示。
根据弹性地基杆系有限元单元法建立图1支护结构的计算模型如图2所示。图2中kt根据《建筑基坑支护技术规程》确定。
3.1 对竖向支撑位置的优化
以往单排桩加钢管内支撑支护体系竖向支撑位置的优化[2,3]均没有给出普遍适用的结果。本文取d1∈[0.4,2.0]，单位m，变化步长为0.2 m，按前文第2节的方法，计算得到u,M值。根据计算结果得到引申变量j与u,M的关系如图3所示。由图3可看出:桩身最大弯矩值M在j∈[0.04,0.4]范围内单调递减;当j=1/4时，支护结构桩身最大水平位移u最小。建议对于单排桩加一道钢管内支撑支护结构，竖向支撑位置距地表的垂直距离d1应取为支撑中心与基坑底的垂直距离d2的1/4。
3.2 对第一次开挖深度的优化
在前文3.1的基础上，取对本工程较有利的d1=1.4 m，此时令w1∈[0.4,4.0]，变化步长为0.2 m。同3.1类似，计算得到u,M值。根据计算结果得到引申变量k与u,M的关系如图4所示。
由图4可看出:桩身最大水平位移值u在k∈[1.4,2.8]范围内单调递增;当k=2.3左右时，支护桩桩身最大弯矩值M有最小值。建议对于单排桩加一道钢管内支撑支护结构，加撑前可适当增加超挖深度，以充分利用支护桩自身的支护能力。
4 结语
文章以两个参数竖向支撑位置和第一次开挖深度，对单排桩加一道钢管内支撑支护结构开展优化设计。通过引入参数j,k得到了一些具备普适性的建议。
参考文献
[1]JGJ120-99,建筑基坑支护技术规程[S].
[2]赵文永,俞尧良.基坑内撑式单排桩围护结构优化设计[J].浙江建筑,2001,110(6):22-23.
新型加氢反应器内构件的工业应用 篇10
关键词：焦化蜡油,焦化柴油,加氢反应器,内构件,工业应用
随着原油的重质化、劣质化日趋严重,加氢技术也在向更高水平发展,如采用活性更高的催化剂,扩大更多的反应空间,改进反应器内构件的性能等[1,2,3,4]。目前,国内外开发出一批新型加氢反应器内构件,通过强化气液分配来提高催化剂的使用效率及寿命,优化内构件结构以提高反应器内催化剂的有效装填空间及利用率,这样可以满足加氢装置高效、长周期平稳运行。其中,最具代表性的就是美国Shell公司开发的新型反应器内构件: 高分散性分配盘,它可以将催化剂床层径向温差控制在3 ℃ 以内; 超扁平冷氢系统,它可以将催化剂床层间内构件高度控制在1. 0 ~ 1. 4 m,使反应器空间的利用率达到86%[5]。本工作介绍了50 万t/a焦化蜡油加氢装置反应器内构件( 采用新型的气液分配盘及冷氢系统) 的特性,并对其工业应用效果进行了评价。
1 新型加氢反应器内构件(1)
加氢反应器由入口扩散器、顶部分配盘、冷氢系统、再分配盘、出口收集器等构成。分配盘上的气液分配器与冷氢系统是加氢反应器的关键内构件,其性能的优劣直接影响到催化剂的利用率及加氢效果。
1. 1 技术特点
1. 1. 1 新型气液分配器
由图1 可知: 新型气液分配器由泡帽、中心管及旋流结构组成; 中心管为上小下大的锥形扩口管,可以扩大液相物流的喷洒面积; 圆形泡帽下部均匀分布2 ~ 8 条缝; 旋流结构是由多个旋流片组成,位于中心管顶部,它可将泡帽顶部汇聚的液相进行旋流雾化分散[6]。该气液分配器是由中国石化石油化工科学研究院研发。
1. 1. 2 新型冷氢系统
新型冷氢系统由环形冷氢管与抽吸旋流对撞型混合箱组成[7],主要具有以下特点: ( 1) 在同一空间内,环形冷氢管与混合箱高度相同,冷氢系统整体扁平,这样有利于高效利用反应器空间,以及对现有加氢装置内构件的改造; ( 2) 在混合箱外壳与反应器内壁间,环形冷氢管高速喷出的冷氢与反应热物流进行充分的预混合; ( 3) 混合箱采用抽吸携带、旋流对撞、扰流等方式操作,这样可以提高湍流强度或延长混合时间,达到强化气液两相间的混合效果。该系统由中国石化石油化工科学研究院开发。
1. 2 加氢反应器的有效利用率
在工业装置中,新型加氢反应器内径为2. 8 m,采用三段催化剂床层,设置3 套分配盘及2 套冷氢系统,反应器总容积为122 m3。采用新型气液分配盘及冷氢系统后,可将催化剂床层间距控制在1. 0 m以内,催化剂设计装填量为100. 2 m3,反应器容积有效利用率达到82. 1% ,远高于67. 0% 的现有水平[5],与目前最先进的技术相当。
2 新型加氢反应器内构件工业应用
2. 1 内构件性能表征
在本工作中,可以用催化剂床层出、入口截面径向温差来分别表征分配器与冷氢系统的运转性能。径向温差越小,表明分配器与冷氢系统的性能越好。
反应器中催化剂床层不良径向温差说明催化剂没有得到有效利用,同时也影响到产品质量。为了达到相同的脱硫效果,只有提高平均反应温度,但是加速了催化剂的失活,进而降低了装置的运转周期。因此,催化剂平均反应温度及失活速率也体现了内构件性能的优劣。
2. 2 内构件性能标定
为验证新型加氢反应器内构件的运转性能,在设计负荷为63 t/h的条件下,以焦化蜡油为原料( 见表1) ,于装置运转中期对新型内构件的性能进行了标定,结果见表2。
由表1 可知,精制蜡油硫含量小于800 ×10- 6,能够满足下游催化裂化装置进料要求。
由表2 可知: 以焦化蜡油为原料,当装置的操作负荷为101% 时,催化剂床层入口处最大和平均径向温差分别为2. 7,1. 5 ℃,床层间注入的冷氢可将反应物流温度降低13. 6 ℃,表明冷氢系统的冷热物流混合性能良好,可有效控制催化剂床层温度; 在床层出口处,最大与平均径向温差分别为1. 7,1. 0 ℃,说明分配盘性能良好,可以将物流在催化剂床层内均匀分布; 装置的脱硫率为89. 5% ,达到了预期的加氢效果。由生产可知,反应器内构件总压降只有0. 07 MPa,表明内构件整体性能良好且压降适宜。
2. 3 对新型内构件性能的影响
2. 3. 1 操作负荷
由表2 还可知,以焦化蜡油为原料,当装置设计负荷为87% ~ 127% 时,催化剂床层的最大径向温差只有2. 7 ℃,床层出入口平均径向温差均低于1. 5 ℃,床层间注入的冷氢可将反应物流温度降低15 ℃ 左右。因此,在标定范围内,新型内构件具有很好的操作弹性,能有效控制催化剂床层冷热物流的混合与分布。
2. 3. 2 运转时间
由表3 可知,从装置运转初期至中后期,催化剂床层平均径向温差始终低于1. 5 ℃,不随操作周期而变化,而且在大处理量的工况下也是如此。由此可见,在装置运转周期内,新型内构件操作性能稳定。
2. 4 催化剂失活速率
由实际生产可知,装置在运行588 d后,催化剂失活速率为0. 030 ℃ /d,接近于加氢精制催化剂失活速率的下限( 0. 028 ~ 0. 060 ℃ /d)[8]。由此可见,新型内构件通过改善催化剂床层内物流分布,降低了催化剂的失活速率,达到了延长装置运转周期的目的。
2. 5 新型内构件对原料的适应性
为了解新型内构件对原料的适应性,考察了装置加工焦化柴油的工况。由表1 和表2 可知,当装置进料为焦化柴油时,内构件性能与焦化蜡油相当,床层入口处最大的径向温差只有2. 8 ℃,催化剂床层出入口平均径向温差小于1. 7 ℃,内构件总压降只有0. 08 MPa。因此,新型内构件不仅能处理高黏度的焦化蜡油,也能处理低黏度的焦化柴油,对不同性质的原料适应性好。
3 结论
a. 以焦化蜡油为原料,当装置设计负荷为87% ~ 127% 时,床层出入口平均径向温差均小于1. 5 ℃,内构件总压降只有0. 07 MPa,表明新型内构件能有效控制催化剂床层的径向温差和反应温度。
b. 新型内构件性能稳定,不受装置操作周期的影响。采用新型内构件,降低了催化剂的失活速率( 为0. 030 ℃ /d) ,达到了延长装置运转周期的目的。新型内构件对原料的适应性好,可用于高低黏度的轻重油品加氢装置。
参考文献
[1]叶文源.加氢反应器结构的初步探讨[J].石油化工设备技术,1981(1):17-23.
[2]Lamourelle A P,McK night J,Douglas E N.Clean fuels:Route to low sulfur low aromatic diesel[C]//NPRA Annual Meeting.Washington D C:National Petrochemical&Refiners Association,2001:AM-01-28.
[3]Salvatore Torrisi,Remans T,Svendsen J,et al.Proven best practices for ulsd production[C]//NPRA Annual Meeting.Washington D C:National Petrochemical&Refiners Association,2002:AM-02-35.
[4]Mehrotra S,Rouby J L,Torrisi S P,et al.Boost your ultra-low sulfur diesel margin[C]//NPRA Annual Meeting.Washington D C:National Petrochemical&Refiners Association,2005:AM-05-41.
[5]Swain J,Zonnevylle M.Are you really getting the most from your hydroprocessing reactor[C]//European Refining Technical Conference.Rome:GSTF,2000.
[6]中国石油化工股份有限公司.一种抽吸旋流型气液分配器:中国,200420115970.8[P].2004-11-30.
[7]中国石油化工股份有限公司.一种物流混合分配系统:中国,200710122023.X[P].2007-09-20.