环结构优化（共7篇）
环结构优化 篇1
1 引言
《鄱阳湖生态经济区规划》于2009年12月12日正式批复, 由此鄱阳湖生态经济区的建设正式上升为国家战略。江西省本着“集聚经济, 高效开发”的原则, 重点发展科技创新型、资源节约型和环境友好型工业, 优先发展战略性新兴产业、高新技术产业, 大力发展先进制造业, 加快改造提升传统优势产业。积极打造“三个基地, 一个后花园”。“三个基地”即: 沿海发达地区优质农产品生产供应基地、沿海产业梯度转移承接基地、劳务输出基地, “一个后花园”即把江西打造成沿海发达地区的旅游休闲后花园。
目前, 经济区内的产业涉足了汽车、机械、电子、冶金、化工、光伏等多个行业, 比如:南昌的汽车、电子, 九江的化工、船运, 景德镇的陶瓷, 鹰潭的有色冶炼, 新余的光伏、钢铁等。各产业分工明确, 产业链互有渗透。经过近几年的快速发展, 已经完成了工业化早期的结构转换, 该地区第一产业比重明显下降, 第三产业比重上升较快, 已进入工业化中期发展阶段。
在欧债危机后, 受国际市场经济波动以及人力成本上涨等因素的影响, 经济区内的企业都在不同程度上受到了冲击, 企业效益下滑, 在产业结构方面, 也存在一些问题。主要有:
(1) 产业同构。
由于都在一个地缘经济板块, 各地市在资源禀赋上大致相同, 而资源条件作为产业选择的重要依据, 导致各地区产业选择的结果相似;新钢与南钢的钢铁产品, 江铃股份与昌河汽车的轻型卡车系列产品等, 即使是同一家公司, 比如赛维LDK公司, 不仅在马洪、下村建立了工厂, 还在南昌成立了赛维LDK (南昌) 高科技有限公司, 在上饶成立了上饶江西赛维LDK太阳能公司, 而各地的产品大致相同。这必然加剧了市场的产品同构现象。另外, 各地方政府在承接东部地区的产业转移方面, 都给予了优惠的税收政策、土地政策等产业促进政策, 相同的产业政策导致各地市产业发展趋同。
(2) 产业的技术创新能力不强。
核心技术与关键技术的竞争力不强。由于外资公司入驻环鄱阳湖生态经济区的目的就是要充分利用当地的资源优势或低劳动力成本优势, 公司的核心或关键技术都未能向本地企业转移, 本地区的创新能力依然较弱。
目前, 国际光伏产业已进入第三代光伏电池的研发, 而赛维LDK生产第一代生产硅晶片光伏电池, 两者之间的差距可见一斑。新钢公司虽然是一家在上海证券交易所上市的上市公司, 但是在全国钢铁的市场份额占比较小, 远远落后于宝钢、武钢和河北钢铁等大型钢厂, 产品也主要集中在省内进行销售, 在新产品的研发上, 也落后于大型钢厂。
(3) 环境污染。
我国最大的淡水湖——鄱阳湖, 其周边区域生态条件良好, 是许多珍稀水禽越冬的首选栖息地, 被誉为“大陆之肾”。但在工业化的进程中, 鄱阳湖生态经济区也不可避免遭到污染, 沦落为我国主要的酸雨区之一。其中, 九江、景德镇和新余三个地市的人均二氧化硫排放量均超过 50 千克以上, 超出全省平均水平的3.5倍以上, 其主要原因就是工业污染, 废水、废气的乱排乱放。尤其是在新钢周边, 整年烟雾缭绕, 粉尘扑扑, 地下水受到了严重的污染;而九江市作为我省炼油及化工产业基地, 也不能幸免于难, 二氧化硫的排放同样也不容小觑。
2 产业结构优化的目标及路径
产业结构优化一般分为三个层次:合理化、高级化和高效化。合理化强调各产业之间的协调比例和关联水平, 而高级化的主要表现形式是指主导产业的有序更替, 高效化是指产业结构的效率不断得到提高。
产业结构优化的目标有三个, 分别是资源配置最优化、产业发展开放化和经济效益最大化, 它们是产业结构调整的方向。资源的优化配置是产业结构优化升级的实质, 而产业发展开放化则是一国融入全球经济, 从而更好地调整该国产业所应该遵循的目标和方向。
产业结构优化的主要理论为大道定理 (Turnpike Theorem) 。其所描述的经济增长最优路径即为产业结构优化升级的最优路径。产业结构优化遵循两条基本路线, 一为内向型优化。二则为外向型优化。其具体形式主要有:产业的空间转移、产品升级换代、产业链条位置升级和“跨越式”链条升级。
3 环鄱阳湖结构路径优化的动力因素实证分析
3.1 数据、变量定义与描述
(1) 数据来源。
除非特别说明, 本文中所用数据均来自《江西统计年鉴:1996～2011》。在数据的选取过程中, 尽量保持统计口径的一致性。为了剔除物价水平变动的影响, 利用 CPI指数对各数据进行了修正, 转换为 1979 年不变价格的相应指标。1996～2011年各年的CPI指数分别为:100.0、102.0、101.0、98.6、100.3、99.5、100.1、100.8、103.5、101.7、101.2、104.8、106.0、99.3、103.0、105.2。
根据鄱阳湖生态经济区的地理位置及数据的易得性, 本课题选取南昌、景德镇、九江、新余、抚州、鹰潭六个地区市进行分析。
(2) 变量定义。
根据前面的讨论, 本文主要研究产业结构优化的作用机制与路径。根据模型需要, 变量定义如下:
①产业结构合理化程度, 记为 Y。这里是用环鄱阳湖生态经济区第三产业产值占GDP的比重来表示。这是因为从 1996 年到现在, 环鄱阳湖生态经济区第三产业的占比在逐年上升。而第二产业占比的增长速度近几年明显放缓, 且部分地区的第二产业占比已出现下滑趋势。
②各地区市的社会总投资, 这里用invest的开头两个字母表示, 记为IN。
③各地区市的居民消费, 这里用consume的开头两个字母表示, 记为CO。
3.2 实证分析
(1) 相关性分析。
利用eviews6.0软件, 对产业结构合理化程度指数、社会总投资和居民消费三个序列数据进行相关性分析, 结果如表1所示。从表1中可以看出, 与产业结构合理化程度相关性最大的是社会总投资, 为0.68;居民消费为0.57。这在一定程度上说明, 在产业结构的优化升级过程中, 投资所起到的作用是大于消费的。然而相关关系并不意味着引导关系, 还需要对各个指标的引导关系进行进一步的检验和分析。
(2) Grange 因果检验。
运用Granger因果检验方法对产业合理化程度指数与社会总投资、居民消费的关系进行检验, 以此判断解释变量与被解释变量之间的影响方向, 得到结果如表2所示。从中可以发现, 在5%的显著性水平下, 社会总投资IN是产业合理化程度指数的 Granger 原因, 而在10%的显著性水平下, 居民消费是产业合理化程度指数的Granger 原因。这说明社会总投资的增长的确可以引导第三产业的发展, 而且其效果要优于居民消费。
可见, 居民消费的增长既有利于产业结构合理化程度的提高, 也有利于产业结构的高效化, 即消费需求既能带动第三产业的发展, 又能促进劳动生产率的提高。环鄱阳湖生态经济区要提高产业结构的合理化和高效化, 增加该地区的消费需求是最直接也是最有效的途径。
4 产业结构优化的路径
单纯融入全球价值链时, 区域内企业由于缺乏技术、资金和营销等优势, 与外方的谈判能力不足, 容易被外方钳制, 陷入沦为其代工厂的困境;单纯融入国内价值链, 企业往往缺乏创新的动机, 核心竞争力逐渐丧失, 企业找不到发展的方向。
只有立足于国内价值链, 又积极融入全球价值链的自主型模式, 对接和融合全球价值链和国内价值链, 走自主型产业结构优化路径。这才是环鄱阳湖生态经济区产业优化升级的最佳途径。理由如下:
(1) 国内外价值链的功能互补。由于国内市场需求非常大, 且消费层次较多, 涵盖了高、中、低档消费。同时融入国内外价值链, 提升产品的创新能力, 还可以提升国内价值链功能, 区域内企业的产品借助于国外价值链及渠道, 以自有品牌的形式打入国际市场。
(2) 国内价值链部分环节的国际化延伸。由于国内价值链中某些企业逐渐形成了核心竞争力, 成为主导企业, 需要寻找更低级的代工企业, 这样, 国内价值链必然向外开放并延伸, 加快区域内企业的国际化步伐。一般都经历三个过程:首先专注于国内市场的开拓和竞争, 在取得国内市场某个行业或产品价值链的高端环节竞争优势后, 建立自己的设计、品牌和营销渠道;其次进入周边市场, 形成以自主型的区域价值链分工体系;最后打入发达国家市场, 形成自主型的全球价值链。
(3) 由于产业结构的优化路径以国内市场为主导, 所以能够更好地为本国消费者服务。消费者的消费经验可以快速地反馈给企业, 企业据此研发生产新产品, 以满足消费者的需求, 进而形成企业与消费者的良性互动。同时, 本国市场风险小且容量大, 经济区内的企业在运输成本、客户熟悉程度和政府支持等方面都具有比较优势, 能更好地把握市场发展方向, 匹配市场需求, 以提升本土企业的竞争力。
5 产业结构优化的政策建议
5.1 加大基础设施的建设
根据实证分析结果可知, 投资对经济区的拉动作用比较明显, 而且投资需求是派生需求, 能派生出多个产业的需求, 拉动多个产业的发展。同时, 经济区的基础设施建设远落后于东部地区, 比如:经济区内的抚州市交通不发达, 火车站开出的列车次数少, 去到新余, 还需在南昌或东乡转车。鹰潭市作为江西省的铁路枢纽, 可以利用其优越的地理位置, 大力发展物流业, 构建覆盖鄱阳湖生态经济区的物流园区, 加速经济区内的物资流动。因此, 经济区内, 需加大力度进行基础设施的建设, 包括公路、铁路等等。
5.2 大力发展生态旅游, 提高第三产业占比
打造多元化旅游产品, 构建优质高效的旅游产业, 高起点规划, 以山、水、城为依托, 充分整合各地市的旅游资源, 打造一条生态旅游的产业带。以庐山、三清山、龙虎山、龟峰等国家级自然保护区为主的生态度假游;以瑞昌、修水、星子等地的温泉为依托的生态休闲游;在鄱阳湖核心区, 可以重点开发以湖泊、湿地、候鸟等为依托的湖区生态观光旅游;以陶瓷文化为依托的生态陶瓷游。
5.3 缩小城乡收入差距, 增加消费需求
目前, 过大的城乡收入差距严重制约了鄱阳湖生态经济区产业结构的优化升级。收入差距通过影响需求总量及需求结构, 导致需求不足或需求结构断裂等问题, 抑制了中低收入者的消费需求总量, 影响消费需求结构的提升。要缩小收入差距, 其措施主要有:
(1) 建立健全社会保障体系, 使居民无后顾之忧, 敢于消费。一是提升基本社会保障的标准, 使之与经济发展水平匹配, 同时又在各方面的可承受范围内;二是要扩大社保覆盖面, 提高收缴率, 多渠道保证资金来源, 各级财政要尽可能地增加对社会保障的投入;三是要完善社保的管理体制, 规范社保资金的收缴、支付及运营, 并对其保值增值。
(2) 深化劳动力市场改革, 增加居民可支配收入。
影响劳动力自由流动的主要因素有市场壁垒和城乡、地区差距等。必须打破行政和要素壁垒, 建立一个统一、规范的劳动力市场, 农村剩余劳动力能够平稳有序地向城市转移, 从而提高农村人口的收入, 逐步缩小收入分配差距。
(3) 加快产业结构调整, 满足多层次消费需求, 提升需求结构。政府要引导社会公众的消费理念, 引领消费升级, 提升社会公众的消费理念。另外, 要鼓励企业进行合理的市场定位、市场细分, 开展错位竞争, 要积极支持、引导企业进行技术创新, 开发新产品, 以满足多样化的消费需求。
4 自主创新, 实现技术突破
4.1 构建良好的创新环境
创新环境不仅包括信息网络、科研设施等硬环境, 也涵盖了创新政策、文化等软环境。完善与自主创新有关的法律法规, 尤其是与知识产权保护相关的法律法规, 还要建立可靠的社会信用体系、规范的市场竞争机制, 并完善市场监督和执法机制。
4.2 加大科研投入
第一, 政府要重视投入的社会效益, 对基础研究加大投入力度, 尤其支持共性技术和共享技术的研究开发。
第二, 优化财政科技投入结构, 发挥财政资金对企业自主创新的激励作用, 引导并支持企业开展 R&D 研究和先进技术的消化吸收与再创新。
第三, 推进产学研的一体化合作, 通过商业化方式如技术转让、专利许可等方式, 实现创新成果的转化与直接推广, 形成一定范围内的创新集聚效应;同时, 在自主创新成果的产业化过程中, 应充分发挥研发中心、重点实验室在关键技术发明创造中的核心作用, 给企业提供直接的技术支持和帮助, 结合技术引进、消化吸收与自主开发, 实现由技术引进为主向自主开发为主的转变。
4.3 调动企业创新的能动性
第一, 构建市场导向型的企业自主创新。企业要实行市场导向型的自主创新, 结合自身特色, 在前景向好、利润率较高的领域进行新产品、新工艺的研发, 将技术优势转化为产品优势、市场优势, 从而增强企业自身的市场竞争力。
第二, 鼓励企业之间建立研发战略联盟。应注重企业间技术的合作, 鼓励中小企业之间组建创新战略联盟, 进行从研发、生产到销售等各个环节的合作, 通过建立这种新的合作, 形成一个互相交叉、互相融合的研发外部网络和企业自主创新战略联盟, 全面提升企业的自主创新能力。
5 构建层次化的产业联动
随着欧债危机的爆发, 鄱阳湖生态经济区的发展环境面临着巨大变化, 加强各地市的产业合作水平, 构筑协调发展的格局, 推进经济区的产业整合和产业联动发展, 共同抵御外部风险。为实现经济区内产业整合的顺利进行, 必须遵循:
5.1 充分发挥各地市的比较优势
经济区内各地市之间, 不仅资源禀赋不同, 而且产业基础也存在一定的差异, 正是这种经济互补和产业发展差异, 使得产业联动成为现实。同时, 也有利于各地市的产业差异化发展。比如:南昌重点打造成光电产业基地和航空基地;景德镇优先发展特种陶瓷产业;新余建设成为国家新能源城市;鹰潭将有色金属、物流业作为其支柱产业等。
5.2 充分发挥政府的引导作用
市场对资源配置起基础性作用, 政府应积极推进市场一体化的建设;但由于市场主体的逐利性, 加上市场调节的盲目性、滞后性和自发性等特点, 使得市场机制无法又快又好地实现产业联动。所以政府必须进行引导和推动, 而以“政府推进与市场导向相结合”为行为准则。
参考文献
[1]周顺奎.新型工业化模式下的产业结构优化策略分析[J].特区经济, 2012, (1) .
[2]殷瑞钰.工程演化与产业结构优化[J].中国工程科学, 2012, (3) .
[3]蒋寒迪.产业生态化——鄱阳湖生态经济区科学发展的战略选择[J].中国井冈山干部学院学报, 2012, (1) .
[4]王静.基于产业结构优化视角的江西农村剩余劳动力转移研究[D].南昌:南昌大学, 2010.
环丙胺合成工艺的优化与改进 篇2
1 环丙胺工艺概述
1.1合成工艺方法
自20世纪90年代初以来环丙胺的合成工艺已得到比较充分的探讨和研究。概括起来有以下四种工艺方法:1,3—溴氯丙烷法、1,3—丙二醇法、乙酰乙酸乙酯法、γ—丁内酯法。前三种方法因原料供应、产品收率、产品质量以及环境污染等问题现已被淘汰,只有γ—丁内酯法在国内工业生产中得到广泛应用。
1.2γ—丁内酯五步法[1,2]
γ—丁内酯五步法是目前国内生产环丙胺较普遍的工艺方法,包括以下五个主要步骤。
⑴γ—丁内酯的氯化反应反应方程式为
◄向干燥的搪玻璃压力釜中加入γ—丁内酯和新制的氯化锌,在搅拌下通入无水氯化氢,通过调整氯化氢的加入速度控制反应温度不超过120℃。在2.07Mpa及120℃下搅拌反应2h。
⑵合成γ—氯代丁酸甲酯反应方程式为
将过量甲醇,γ—氯代丁酸粗品加入反应釜,在回流温度下反应2h,反应混合物经水洗、减压精馏得到产物。
⑶合成环丙甲酸甲酯反应方程式为将粉状甲醇钠、干燥的甲苯先后加入反应釜。搅拌下加热到100℃,慢慢加入γ—氯代丁酸甲酯,加完继续回流反应6h。冷却反应产物,中和水洗然后减压精馏。
⑷合成环丙酰胺反应方程式为向高压釜中加入甲醇钠、甲醇、甲苯和环丙甲酸甲酯,高压釜密封,充入氨气至压力0.7Mpa,在100℃�105℃之间反应5h,反应结束经除氨、除醇、中和处理,得到含环丙甲酰胺的水溶液。
⑸合成环丙胺环丙酰胺经Hoffmann重排反应制得环丙胺。反应方程式为向氢氧化钠溶液中通入氯气,制备一定量的次氯酸钠溶液。该溶液冷却到0℃,搅拌下加入环丙甲酰胺水溶液,保持温度0℃,加入一定量的氢氧化钠溶液,升温到45℃,继续反应2h,反应混合液精馏,得到产品环丙胺。
2 环丙胺合成工艺的优化与改进
2.1 一步制取氯代丁酸甲酯[3]
采用氯化亚砜(SOCI2)为氯化试剂,在甲醇存在下,使γ—丁内酯一步反应为氯代丁酸甲酯,即将五步法中⑴⑵步合二为一。反应方程式为:把一定量的γ—丁内酯、甲醇加入反应釜,在搅拌及冷却下慢慢加入氯化亚砜。通过调整加料速度和冷却水量控制反应温度不高于30℃,用3h左右将氯化亚砜加完,继续搅拌反应1h,慢慢升温到60℃反应1h,冷却到室温,加入碳酸钠水溶液中和反应混合物到pH6,转入分液器分相,水相用甲苯萃取,并同有机相结合后精馏,得到产物氯代丁酸甲酯,其收率(按γ—丁内酯计)为93%。
此改进的工艺同五步法相比有明显的优势。⑴工艺流程缩短,反应设备减少,尤其是不使用搪玻璃高压设备。⑵不使用催化剂,反应快速,副反应少,收率高。⑶避免了使用市场上不易购取,存放运输要求严格,价格较高的瓶装高压氯化氢气体。
2.2 环丙甲酸甲酯—环丙甲酰胺—环丙胺连续操作工艺
对五步法生产工艺的后三步进行优化处理,即对反应得到的环丙甲酸甲酯、环丙甲酰胺均不精制成为产品,以反应混合物的形式用于下步反应。
㈠环丙甲酸甲酯的合成[4]向反应釜中加入一定量的甲醇钠甲醇溶液和二甲苯,加热蒸出甲醇并回收,到反应温度达100℃,开始加入氯代丁酸甲酯,同时回收馏出的甲醇二甲苯共沸物,调整加料速度和加热量,控制反应温度在105℃�110℃之间。氯代丁酸甲酯加完,继续反应1h,反应结束反应液直接用于环丙酰胺的合成。
同五步法相比作了如下改进:⑴使用28%的工业甲醇钠甲醇溶液,代替易燃危险的固体甲醇钠。⑵反应中一边反应一边溜出甲醇二甲苯共沸物,保证了反应体系的干燥无水。⑶使用二甲苯代替甲苯使反应容易控制在较高温度,反应时间明显缩短。⑷反应混合物不经纯化,直接用于下步合成。有利于减少物料损失,同时减少了精馏设备,简化了人工操作。
㈡环丙酰胺的合成[5]把环丙甲酸甲酯反应液加入压力釜,通氨置换,而后充氨气到0.7Mpa,加热,控制反应温度在100℃�105℃,反应5h。反应完成,反应混合物用稀盐酸中和到pH6,直接用于下步环丙胺的合成。在此不合成中,反应所需的催化剂甲醇钠,以及溶剂甲醇和二甲苯,均来自上步环丙甲酸甲酯的反应液,无须重新加入,产物环丙酰胺不用分离精制,以溶液状态用于下步合成,从而大大简化了生产设备及操作。
㈢产品环丙胺的合成[6]环丙酰胺反应液加入反应釜,搅拌下冷却到10℃,加入一定量的工业次氯酸钠水溶液,共用约50min加完其间保持反应温度约10℃,而后加入浓度为40%的氢氧化钠溶液,加完升温到50℃继续反应2h。反应结束,反应液准备精馏。在此使用工业次氯酸钠溶液作原料,有利于实现工业化大规模生产。在反应液升温到50℃前,加入高浓度氢氧化钠溶液,对抑制副反应发生很有必要。
环丙甲酸甲酯—环丙甲酰胺—环丙胺连续操作工艺,在简化了设备和操作的同时,使产品收率得到明显提高。该三步反应的总收率(由氯代丁酸甲酯到产品环丙胺)达82.5%,折合每步反应的平均收率为93.8%。
3 结论
本文所述环丙胺生产工艺,对目前工业生产中广泛使用的γ—丁内酯五步法工艺做了优化和改进,使环丙胺生产工艺更加简明合理,所需工艺设备和操作得以简化,采用的原料在价格、安全和市场供应上更具优势,而且产品环丙胺的总收率达76.7%,较前报道的五步法收率提高10%以上,明显降低了产品的成本,提高了产品的市场竞争力。
参考文献
[1]尚东升,γ-丁内酯五步法制备环丙胺工艺评述[J]。江苏化工,2004,32(6):49-52.
[2]刘鸿,张翠娥,吕晓平。环丙胺的合成[J]。中国医药工业,1997,28(10):467-468.
[3]Verner Schwarze.A process for the peoduction ofγ-chlorocarboxylic acid esters[p].GB:2008111,1979-05-31.
[4]Verner Schwarze.Process for cyclizing upsilon-chlorlcarboxylic acids[p].US:4520209,1985-05-28.
[5]Herber Diehl.Process for the preparation of cyclopropanecarboxamide[p].US:5068428,1991-10-26.
环结构优化 篇3
低密度校验(Low-density Parity-check,LD-PC)码是一种接近香农极限的优秀信道编码。LD-PC码由Gallager在1962年的博士论文中首次提出[1],之后由于受限于当时的计算能力,未引起对其的重视,直到1990年被Mackay重新提出[2]。但是LDPC的编码复杂度是制约其走向实用的主要障碍。其中一类QC(Quasi-Cyclic)LDPC码的校验矩阵由循环置换矩阵组成,因此,在硬件实现时相比随机LDPC码需要更少校验矩阵存储开销并且可以使用移位寄存器实现快速编码。环是影响QC LD-PC码性能的主要因素,特别是短环。因此,具有大环长的QC LDPC成为研究的热点。
现已存在多种构造QC LDPC码的方法,包括有限几何、利用有限均衡不完全分组设计(BIBD,balance incomplete block design)和基于PEG算法的准循环码构造方法。其中有限几何方法构造出了四类围长为6的QC LDPC码,而基于BIBD方法构造的QC LDPC码可以达到很高的码率,但这类构造方法只能消除长度为4的环,其Tanner图中仍存在一定数量的6环,影响其译码性能。对于基于PEG算法构造的QC LDPC虽然与随机的LDPC在性能上接近,但未深入研究其环结构和围长分布,进而提高误码性能。
本文在分析基于PEG算法构造的QC LDPC码对应Tanner图的环结构的基础上,利用准循环码H矩阵的结构特性,最大限度地消除Tanner图中的短环,采用更好的移位因子选择准则,取得更好的围长分布,进一步提高了码的性能。
2 QC LDPC码的基本定义
码长为N的规则(J,L)QC-LDPC的校验矩阵可以写成以下形式:
其中码长N=p L,J和L分别代表H中每一列和每一行包含的1的个数,I(pj,l)为p×p循环移位置换矩阵,1≤j≤J-1,1≤l≤L-1。
如果pj,l=0,I(0)→p×p全零矩阵,否则I(pj,l)替换成一个循环移位置换矩阵,pj,l表示循环移位的值,存放在基矩阵B中:
式( 1) 和式( 2) 矩阵形式分别称作一致校验矩阵H的母矩阵和基矩阵,如果将基矩阵中的元素用相对应的循环移位置换矩阵置换,就可以得到相应的母矩阵。
3准循环码Tanner图中环结构
准循环码( quasi - cyclic code) 具有以下定义: 若码集中任一码字循环右移( 左移) 某个固定数L( L > 1) 位后得到的矢量仍为码集中的码字,则该码为准循环码[3]。准循环码与其对应的一致校验矩阵存在以下的关系:
若H=[H1H2…Hi]T,其中H1,H2,…,Hi为非零准循环矩阵,Hi包含首行循环右移(或左移)L的倍数位能得到的所有不同向量。H2由H1循环右移(或左移)L位得到,依此类推,首行则由最后一行循环右移(或左移)L位得到,则以H为一致校验矩阵的分组码为准循环码。若限定Hi的列数N为L的整数倍,p=N/L,通过对H进行适当的列置换可变换成以下的形式:
其中Iij为p × p维的循环矩阵,称之为H的块元素。
LDPC码的Tanner图由校验矩阵按照如下方式生成: 一个校验矩阵H的每一列对应一个变量节点vi,每一行对应一个校验节点cj,当且仅当Hij= 1时,vi和cj之间存在一条边连接。
式( 4) 对应的Tanner图为:
如图1中粗线所示,形成了一个长度为6的短环。
定理1若准循环码的一致校验矩阵的满足式(3)的条件,其对应的Tanner图中存在一个长为2t的环,且闭合回路中不同的"1"包含在不同的块元素中,则其Tanner图中至少存在p个长为2t的环,p为块元素的维数。
由定理1可知,若准循环码( 其校验矩阵可变换为式( 3) 形式) 的Tanner图中存在环,则环的数量将是p的整数倍。所以在构造H矩阵时,要尽量减少短环的数量,每剔除一条短环,将可减少p倍数量的同类短环。
4基于PEG算法最优围长分布构造
PEG ( progress edge growth) 算法是当前公认的对中、短码长LDPC码构造非常有效的算法之一,它采取逐边添加的方式构造码的Tanner图,在满足给定度分布的条件下能使Tanner图中短环数量尽可能少,使码的围长尽可能大[4]。但是PEG构造算法构造出的码字是属于随机类,其一致校验矩阵H缺乏结构性,导致编码复杂度过高,尤其随着码长的增长,编码复杂度剧增。
局部最短环: Tanner图中经过某变量节点的最小环定义为v的局部最短环,局部最短环长gv称为v的局部围长[5]。
假定校验矩阵有N列,则该校验矩阵的平均围长定义为:
其中gv表示变量节点vi的局部围长,nv表示变量节点vi的局部最短环的个数。
本文采用类原模图的构造方法,首先以PEG算法构造一个维数较小的校验矩阵,称为基矩阵B,再将基矩阵B中的"0"元素和"1"元素分别替换为p×p维全零矩阵和p×p维的循环置换矩阵(单位矩阵的循环移位)[8]。基矩阵维数由码率和编码后的码长N及块元素的维数p决定。通过这样形式的扩展之后,得到的新的校验矩阵不仅在维数上满足了设计需要,而且具有式(3)结构,这样我们只需通过简单的列变换就能将扩展后的高维度校验矩阵转换成可生成准循环码的校验矩阵,从而可以实现低复杂度编译码。
对基矩阵扩展时,循环移位矩阵的移位因子的选择是一个重要的问题。简单的方法是将基矩阵中的"0" 元素和"1" 元素分别替换为全零矩阵和p × p维的单位矩阵。通过这种方式产生的H矩阵的环结构和平均围长的分布相对于基矩阵并没有改善,因此性能得不到提高。采用循环置换矩( circulant per- mutation matrix) 替换" 1" 元素,可以通过合理的准则选择循环置换矩阵的移位次数,优化扩展后矩阵的环结构和平均围长的分布,使码性能得到提高。
根据Tanner图的环相对应的H矩阵中闭合回路的特点,讨论循环置换矩阵的移位次数的选择问题。设扩展后的H矩阵具有如下形式:
定理2形如式( 6) 的H矩阵,当且仅当H矩阵中包含一个长为2t的闭合回路,且有
其中Sαk,βk为H矩阵中回路的第k个顶点所在块元素I( Sαk,βk) 的移位值[6]。则Tanner图中包含一个长为2t的环。
因此,构造H矩阵时,适当选择各个循环移位矩阵的移位值对基矩阵进行准循环扩展,使其任意长为2i( 0 < i < t) 的环路均不满足定理2中的约束条件,则构造出的LDPC码的围长至少为2t ,可以消除基矩阵中的短环。
在式( 5) 给出了局部平均围长的定义,式中第二个等号是根据准循环置换矩阵中的所有变量节点具有相同的环长分布特性而得出。在构造一致校验矩阵时,选择使其平均围长最大的移位因子。
5仿真结果及结论
仿真分别采用PEG简单扩展法、PEG构造法、 基于PEG算法的准循环扩展法以及对于基于PEG算法的准循环扩展法进行平均围长优化的新构造法,分别记为PEG - PE - LDPC码、PEG - LDPC码、 PEG - E - LDPC和PEG - mg - LDPC码。四类码的码长都为1008、码率为0. 5、循环置换矩阵的维数为12 × 12。
基于AWGN的信道条件下,分别采用经典的置信传播迭代译码算法( BP) 和最小和译码算法( MS) 对这四类码进行译码,然后比较各自的误码率性能。
构造的四类LDPC码采用BP译码算法误码率曲线如图2所示。PEG简单扩展法构造的LDPC码与其他三类码性能相差很大。因为简单扩展构造法只将基矩阵进行简单的维数扩展,环结构并未改变, 即每个变量节点的校验关系没有任何改变,没有得到更多的其他变量节点的可靠度信息PEG - LDPC构造方法是用PEG法直接构造码长为1008的LD- PC码,由图可见码字具有良好的瀑布特性。文献[7]优化了PEG构造法构造的码字的环结构,提出了基于PEG算法的准循环扩展LDPC码构造法,即图2中PEG - E - LDPC。此种构造法构造出的码字不仅具有良好的准循环结构特性,而且通过优化环结构取得了比PEG构造更好的误码率性能。 PEG - mg - LDPC构造方法是在环结构优化的基础上,引入平均围长优化设置,使基矩阵具有良好平均围长,从而进一步改善校验矩阵的环长分布。由仿真结果可知,在继承准循环码的优异结构性特点同时误码性能得到了一定的提高。
最小和译码算法( MS) 对BP算法进行了降低复杂度的改进,是一种复杂度较低的实用译码算法。 但是,MS算法相对于BP算法性能有所降低。如图3所示,运用MS译码算法对同样的四类码进行译码的误码率性能曲线。四类码通过MS算法译码,总体的译码性能相对于BP有所降低,采用本文的构造方法构造的PEG - mg - LDPC依旧在性能上优于基于PEG算法的准循环扩展LDPC码。
6结束语
本文首先研究了准循环码Tanner图中环结构, 在此基础改进了基于PEG算法的准循环扩展算法, 并利用本文优化后的构造算法构造出PEG - mg - LDPC码,分别用BP和MS两种译码算法进行了性能仿真。仿真结果表明,PEG - mg - LDPC码性能较同码长的PEG - E - LDPC和PEG - LDPC码有一定提升。PEG - E - LDPC构造算法是在PEG - LD- PC方法上进行环结构的优化,性能得到一定的提升。这说明,码的性能更多地依赖于其Tanner图中的环结构,同等条件下,平均通过每个变量节点的环越少,环之间公共点( 或边) 越少,即环结构交叠越少,码的性能越好。本文是在PEG - E - LDPC构造算法上进一步改善码字的局部平均围长,从而改善校验矩阵的环长分布。本文提出的PEG - mg - LD- PC码具有准循环结构,编码将可用一组移位寄存器实现,编码复杂度比随机构造的PEG - LDPC码低很多,因此具有更高的实用价值。
参考文献
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[7]雷菁,王建辉,唐朝京.基于PEG算法的准循环扩展LDPC码构造[J].通信学报,2008年9月,29(9):103-110.
螺纹锁紧环换热器结构分析 篇4
而且螺栓很大, 给紧固和拆卸带来很大的困难。近年来加氢裂化装置中经常用到螺纹锁紧环换热器。螺纹锁紧环换热器的优点是密封可靠, 生产维护简便, 能及时排除设备运行中的泄露。相对于大法兰结构还有以下优点:
1.1管箱和壳体是一体的, 消除了法兰型换热器在设备法兰处容易泄露的问题。
1.2去掉了大法兰, 壳程接管能尽量地靠近管板, 避免了法兰型换热器有一段换热管不能有效利用 (死区) 的问题, 增大了有效换热面积。
1.3管束抽出时不必移动管箱和壳体部件, 可以把换热器的接管与管线相焊, 减少泄露点。
螺纹锁紧环的密封结构如图1所示, 从图1可以看出, 管箱上管程密封垫片的压紧力是通过下列零件的传递来实现的:螺纹锁紧环上3的外压圈紧固螺栓2--外压杆5--外压环9--密封盘10压紧外密封垫片11。换热器操作时随时可以紧固外压紧螺栓而消除管程泄露。管程和壳程之间密封垫片的压紧力传递途径是:内压紧固螺栓1--内压杆6--内压圈8--密封盘10--压环12--卡环13--内筒压盖15--内筒16--内密封垫片17。设备运行时若发现管程和壳程串漏可通过上紧内压环螺栓1, 推动内压杆6, 内压环8, 有弹性的密封盘10, 将力传到压环12而推到卡环13再通过内套筒压紧内密封垫片14。可见螺纹锁紧环换热器的维护简单灵活, 在不停车时既可及时消除管壳程之间的泄漏。以减少不必要的停车所带来的损失。
2大螺纹设计是螺纹锁紧环换热器设计的关键之处。大螺纹承受着管程和壳程的综合载荷。
螺纹锁紧环换热器一般采用的是AISI B1.8标准的15/16in的短齿梯形螺纹。该螺纹具有啮合高度大 (不小于6mm) , 抗剪、抗弯能力大的特点。特别适用于螺纹锁紧环换热器。大螺纹的标准公差范围较宽, 因螺纹用在高温的环境下, 如果配合公差不合理, 就有内外螺纹旋合过松或过紧的可能, 严重的情况螺纹可能咬死。因些设计螺纹公差时, 充分考虑螺纹锁紧环和管箱螺纹之间的径向膨胀间隙和其它相关因素。根据制造厂的制造经验和现场设备的使用经验, 确定一个合理的公差值。长期以来, 一直认为螺纹的齿数越多越好, 而根据计算结果, 对于整个端部螺纹来说承压最大是靠近管箱内部的少数齿, 其它的齿承受的力越来越小。因此, 整个端部螺纹每个齿受力不一样, 即力不能均匀地分布在每个齿上, 这也是这种换热器的不足之处。螺纹锁紧环换热器的管板采用压差设计, 按GB151中U形管换热器进行计算即可。这样能使管板的厚度大减薄, 既减少了材料也控制了换热器的体积。值得注意的是在操作过程中管壳程的压差在任何情况下都不能超过设计压差。必要时可在设备的醒目位置设一警示牌, 以提醒工作人员的注意。
螺纹锁紧环换热器管箱的受力不同于一般的受压筒体, 管箱内部承受管程内压, 而管箱端部承受着传递到螺纹上的全部载荷, 管箱端部将产生很大的弯矩, 如果不进行应力校核, 而直接用内压计算筒体壁厚, 会由于刚度的不足, 造成端部变形, 引起主螺纹失效。因此先给定管箱厚度, 计算出管箱端部最小截面的弯矩来校核弯曲应力和轴向拉伸应力。为防止管箱端部变形。管箱筒体厚度应满足计算应力要求并适当取厚, 同时主螺纹的个数也应比实际计算的多取几个。这样就能有效地控制管箱端部变形并保证主螺纹不失效。
卡环限位在管箱的凹槽内, 其作用是装配时通过拧其上的内部螺栓以达到管壳程间的密封, 壳程试压时它还可以起到试压环的作用。由于装配的需要, 卡环设计成分瓣的。卡环的设置虽然给制造带来了复杂性, 但增了实际操作的可靠性。
垫片的选择主要是考虑垫片的密封性和回弹性。管、壳程间的密封垫片有的采用波齿复合垫, 也有的采用W形高强缠绕垫。波齿复合垫是采用特殊结构的金属骨架与柔性石墨复合而成。金属骨架的上下表面有相互错开的特殊形状的同心圆沟槽形成的波齿。金属骨架上下表面复合一层柔性膨胀石墨, 构成整体复合垫片。在一定的预紧力下石墨层与密封面紧密接触而实现密封。同时环形波齿还具有多道密封的作用。早于特殊构造的波齿环就象一道弹性元件。具有压缩回弹性能。柔性石墨作为密封面具有良好的密封性能。工程实践中应用效果良好。
结语
现在慈溪博格曼密封材料公司已攻关研制出耐高温、高压、大直径W形膨胀石墨缠绕垫。它是采用W形不锈钢带和柔性石墨缠绕而成。W形高强缠绕垫片与普通V形缠绕垫片相比具有回弹性强, 稳定性好, 密封性能优越的特点。一般大直径缠绕垫片在制作过程中易散架和翘曲。而W形高强缠绕垫片由于采用W形钢带而增加了与填充料的结合面, 从而增加了垫片的稳定性。垫片在使用过程中与不锈钢件紧贴, 回此W形高强缠绕垫片中的膨胀石墨的S、CL等离子的含量极低, 并在高纯石墨中掺入少量缓蚀材料, 避免石墨材料与金属之间的电位差腐蚀。W形高强缠绕垫片与其它常用的高温高压金属垫相比, 具有制作简单, 密封面要求低、密封可靠等优点。在螺纹锁紧环换热器上有广泛的应用。
摘要：本文介绍了螺纹锁紧环型换热器的工作原理和结构特点, 为螺纹锁紧环型换热器的设计积累经验。
关键词：螺纹锁紧环型换热器,工作原理,结构特点
参考文献
[1]GB151-1999《管壳式换热器》.
[2]GB150-1998《钢制压力容器》.
CSP加热炉炉辊辊环改造及优化 篇5
1.1 炉辊及辊环的工作环境
炉辊传送速度:2.5～60.0m/s, 炉辊间距:1250mm, 正常工作环境温度:1050～1250℃。
1.2 辊环性能技术参数
辊环材质:Cr28Ni48W5, 锚固钉材质为0Cr18Ni9Ti;炉辊合金辊环直径340±0.5mm, 旧辊环宽度偏差60±1mm;辊环厚度为24±0.5mm;辊环膨胀缝为2～2.5mm。
2 CSP加热炉炉辊现状及背景
目前CSP加热炉炉辊辊环存在的问题主要有辊环掉快、烧损、结瘤、压延, 造成炉辊受力不平而弯曲, 板坯表面氧化铁皮压入、跑偏等, 均引起热轧薄板的表面质量问题及板型问题, 尤其在冷轧基料上反映比较突出。
3 项目改造的必要性与依据
调整后炉辊合金辊环对板坯下表支撑面增加, 减少单位面积上的压力, 从而减少氧化铁皮压入深度。同时可以改善炉辊合金辊环的磨损、压延及炉辊变形情况, 对炉辊使用寿命及板坯质量都将有极大的提高。
4 项目具体改造方案
1) A型辊将传动侧第一个辊环向操作侧移动55mm。
2) B型辊将传动侧第一个辊环向操作侧移动70mm;操作侧第一个辊环向传动侧移动25mm。
3) C型辊将传动侧第一个辊环向操作侧移动25mm;操作侧第一个辊环向传动侧移动70mm。
4) D型辊将操作侧第一个辊环向传动侧移动55mm。
位置改造后的炉辊将大大缓解目前生产中所出现的各种问题。
5) 炉辊模具也应作出相应改动, 4种炉辊只需两种模具就可进行浇注。为满足生产需要和换辊数量的保证, 新模具的必须保持足够的数量, 以应对CSP高强度、快节奏的生产状况下要求的炉辊更换要求。
6) 改造后的辊环示意如图1所示, 新的辊环宽度为80mm, 相应的轮毂宽度也增加到45mm, 以确保辊环的使用强度。
改造后的辊环、轮毂变宽, 可以减少单位面积上的压力, 以起到减少磨损、压延、结瘤等问题。
5 辊环位置改动后力学可靠性验证
5.1 板坯及炉辊主要参数
薄板坯厚度:52、60、68、70mm
板坯重量: (15.7) 17.6～31.1 t
炉辊:间距1250mm, 辊环宽度80mm, 板坯宽度950～1620mm, 取辊环宽度、板坯宽度极限值计算。炉辊光辊直径:155mm, 空心辊壁厚25mm, 浇铸耐材后直径:300mm。
5.2 计算验证过程
从图2可以推导公式:E为材料弹性模量为定值, I为惯性矩undefined, 得挠虚线方程如下:
undefined
每个炉辊之间的间距为1250mm, 考虑最短的板坯35.2m, 采用最大的板坯质量为31.1 t, 此时, 最多有29根辊受力, 单个辊环的受力最大, 受力情况为:undefined。
将参数代入式 (1) 、 (2) , 由叠加原理求得改造之前炉辊的总挠度为:, 且挠度最大值发生在处。
计算结果如图3所示。
对于A、B、C、D四辊, 其中D、A是一样的, B、C是一样的, 所以只要计算A、B辊就行。
代入式 (1) 、 (2) , 分别考虑四环所受力对辊的挠度, 再采用叠加原理, 计算得出改造后各环对辊的挠度如下:
考虑A辊, 由叠加原理, 求最大挠度Wmax=0.703mm, 且挠度最大值发生在x=1722mm处。
计算结果如图4所示。
考虑B辊, 由叠加原理, 求最大挠度Wmax=0.7088mm, 且挠度最大值发生在x=1690mm处。
计算结果如图5所示。
对图3～5做分析, 各辊最大挠度画成图表, 如图6所示。
对A辊有:0.703-0.6853=0.0177mm, 对B辊有:0.7088-0.6853=0.0235mm, 通过以上分析, 炉辊辊环位置改变后, 炉辊的总挠度变化很小, 只有百分之几毫米。因此, 改造后不会影响板坯的传动以及炉辊受力不平引发的各种变形, 所以从理论上我们对炉辊辊环进行改造是可以实现的。
摘要：CSP加热炉中辊环与板坯直接接触, 因此, 辊环的位置、形状、材质及性能对炉辊受力, 板坯表面质量都有重要的影响。目前, CSP加热炉炉辊辊环存在的问题主要有辊环掉快、烧损、结瘤、压延, 造成炉辊受力不平而弯曲, 板坯表面氧化铁皮压入、跑偏等均会引起热轧薄板的表面质量及板型问题, 尤其在冷轧基料上反映比较突出, 因此, 在实施质量一贯制的要求下, 对炉辊辊环进行改造和优化是非常必要的。
关键词：加热炉,炉辊,辊环,改造
参考文献
[1]刘鸿文, 林建兴, 曹曼玲.材料力学[M].高等教育出版社, 1992.
环结构优化 篇6
关键词：高阻表面,极化选择,裂缝谐振环
高阻抗表面(High Impedance Surface,简称HIS)是指表面阻抗很大的结构,在介质板的一面周期性地排列谐振单元,另一面为金属接地板,这种结构可以形成高阻抗表面。高阻抗表面可以在一定的频段内实现入射波和反射波同相,从而可以等效为理想导磁表面。若将高阻表面结构用于天线[1],可以提高天线的增益,改善天线方向性,减小后向辐射,实现低剖面天线,某些高阻表面结构还能有效的抑制表面波在介质中的传播。通常金属波导只能传输横电波或者横磁波,如果将金属波导的两侧金属壁换成平面高阻表面结构[2],那么在特定的频率范围内,可以形成一个具有均匀场分布的TEM波导,近似实现了TEM波的传播。
左手材料(Left-Handed Material,LHM)是指等效介电常数和磁导率同时为负的人工电磁材料[3]。1999年,Pendry提出采用平面金属裂缝环(Split Ring Resonators,SRRs)阵列和导线(wires)阵列可实现左手材料[4]。SRR实际上是一种具有电小尺寸的谐振结构,如图1所示,可以用它来构成高阻抗表面,文中即是对由裂缝谐振环构成的高阻表面结构的分析。对SRR周期结构组成的阵列进行基于有限元方法的电磁波全波分析,结果表明SRR结构的高阻抗表面具有极化选择性。在很多应用场合,具有极化选择性质的吸收表面在应用上是不利的,因此需要设计一个无极化选择性的高阻表面结构。为了避免这种极化选择性,笔者选择了图2周期排列结构。图2(a)为将SRR单元的方向旋转90°然后和原SRR组成双排SRR单元结构;图2(b)为将4个SRR组合成一个完全对称的单元结构。仿真结果表明图2(b)的结构可以形成无极化选择的高阻抗表面,同时对仿真结果进行了实验验证。
1 理论分析与数值仿真
采用基于有限元的电磁波全波仿真软件对图3所示的SRR结构进行分析,其中深色部分为金属。单元尺寸为:周期p=8 mm,Rext=3.5 mm,Rin=2.7 mm,c=d=0.4 mm,采用FR4的介质层,厚度为1.5 mm。
如图4所示,当电场沿x轴极化时,在6 GHz处反射波相位和入射波达到同相,高阻表面带宽为300 MHz,反射系数为-9 dB;而当电场沿y轴极化时,反射相位在7.3 GHz处和入射波相位相同,高阻表面带宽为800 MHz,反射系数为-2.8 dB。由此可知,图3所示单元构成的高阻抗表面具有极化选择性。
为了消除极化选择性,笔者对图2所示的结构进行了分析,图2(a)的分析结果,如图5所示。从图中结果可以看出双SRR结构的高阻表面和单SRR结构的高阻抗表面一样,也不能实现无极化选择的性质。实线代表电场沿x轴极化,虚线代表电场沿y轴极化,两者在6 GHz以及7.5 GHz处的谐振频率并没有很好的重合。
对于图2(b)所示的由4个SRR单元经过合理的排列构成的完全对称结构,这种结构的反射特性,如图6所示。电场的极化方向对谐振频率没有影响,换言之就是这种完全对称的SRR高阻表面结构消除了极化的影响。在6 GHz的反射峰幅度接近15 dB,形成了有效的吸收,并且反射波相位也和入射波相位相同,高阻表面带宽为200 MHz;在7.5 GHz的反射峰幅度较小,只有7 dB,但其高阻表面带宽约为400 MHz。
2 实验研究
理论及数值分析表明:SRR结构可以构成高阻表面。利用图1和图2(a)所示的SRR单元结构构成的高阻表面具有极化选择性,当电场沿不同方向极化时,高阻表面具有不同的谐振频率和带宽。而在很多应用场合,具有极化选择性质的吸收表面在应用上是不利的,因此需要设计一个无极化选择性的高阻表面结构。利用印刷电路板工艺,在尺寸为20 cm×20 cm的FR4介质基板上制作了图7所示单元构成的高阻表面结构。图7所示单元结构的具体尺寸为:周期p=14.4 mm,a=14 mm,c=0.8 mm,d=0.2 mm,介质板材料为FR4,厚度2 mm。
利用如图8所示的测量系统对设计的表面结构进行测试。图9为实验测量结果与仿真分析结果的对比,通过实验测量证明了电场极化方向对这种对称结构没有影响。其中实线和虚线分别是电场沿x轴和y轴极化时的测量结果,谐振发生在2.27 GHz,点划线表示仿真结果。实测结果比仿真值略高,主要原因是仿真时设置的FR4介质板介电常数比实验测量样品中FR4的介电常数高。
3 结束语
文中利用谐振环构建了高阻抗表面。采用基于有限元方法的电磁波全波仿真,分析了单SRR、双SRR和对称SRR结构的电磁波反射特性。结果表明由单SRR和双SRR构成的高阻抗表面具有极化选择性;通过对SRR合理排列构成的一种完全对称的SRR结构可消除极化带来的影响。实验测量结果与理论分析基本一致。这种无极化选择性电小尺寸谐振结构,可以用于天线和波导中,也可以应用于其他更广泛的微波和光学应用领域。
参考文献
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环巢湖旅游大道派河大桥结构设计 篇7
关键词：梁拱组合体系,钢箱拱桥,结构设计
1 方案设计
环巢湖旅游大道作为环巢湖区域的重要线型工程, 其实施不仅能够满足了旅游的需要, 交通的需求, 同时对抗洪救灾时的运输功能的保障以及巢湖的综合治理都具有十分重要的意义。道路共有四座重要桥梁, 设计要求四座桥梁均为环巢湖旅游大道的标志性建筑, 因而四座桥梁桥型应保证一桥一景, 亦桥亦景。在方案设计阶段, 秉承旅游道路景观桥梁的设计原则, 构思出四座桥梁的合理组合与搭配, 形成“仁爱、忠信、孝悌、和谐”的文化概念, 进而抽象出四座桥梁的结构形式。派河大桥作为最为接近合肥城市的一座桥梁, 从立面上看去, 正如一只展翅高飞的飞雁。拱部曲线优美轻柔, 梁部直线刚劲挺拔, 构成“飞雁式”三跨连续梁拱组合体系桥梁, 其优美独特的造型具有标志性意义, 见图1。
2 结构设计
派河大桥主桥跨径布置为 (54+130+54) m, 主桥全长238 m, 为飞雁造型梁拱组合体系钢箱拱桥。两侧引桥采用预应力混凝土组合箱梁结构, 桥梁全长844 m。其主桥桥型布置如图2所示。
拱圈为钢箱结构, 在主跨处为拱式结构。拱圈下缘线为二次抛物线形, 矢跨比为1∶4。拱圈上缘线为二次抛物线与圆弧线的组合线型, 跨中拱圈高度为2.2 m, 靠近中墩处采用反切圆弧对拱圈上缘线进行过渡, 顺接边跨。为突出全桥纤细特征, 中墩处采用镂空处理。横桥向由双片拱圈组成, 拱圈间距为25.5 m。拱圈横向宽度为1.5 m, 宽度与系杆 (钢纵梁) 宽度一致。
桥梁主跨桥面系采用正交异性钢桥面板结构形式。桥面板厚度为16 mm, 横桥向采用高强螺栓与钢纵梁 (系杆) 进行栓接。桥面板由4根“I”形小纵梁进行支撑。小纵梁之间再设置U形加劲肋。
横梁采用整板式的横隔板, 分普通横梁及吊杆区横梁两种, 其中吊杆区横隔梁间距为6.0 m, 中间布置普通横梁, 距吊杆区横隔板3 m。主跨钢箱梁共分为18个梁段, 节段标准长度为6 m, 拱脚处节段长度为8 m。主桥标准横断面如图3所示。
主桥边跨部分采用钢箱梁结构形式。主墩处梁高为5 m, 通过23.5 m的二次抛物线过渡段, 向边墩方向过渡至2.2 m梁高。横桥向为单箱七室结构。其中外侧两室宽度为1.5 m, 与主跨钢纵梁对接, 向内分别为宽度4.35 m的两个箱室, 其余三个箱室腹板间距均为5.1 m。其墩顶处横断面如图4所示。
本桥采用刚性与柔性组合系杆, 即钢纵梁结构, 作为主受力结构承受拱圈的水平推力, 同时, 也作为桥面系的加劲梁结构。钢纵梁梁高2.2 m, 宽1.5 m。钢纵梁内设置四根体外预应力钢绞线, 组成结构的柔性系杆体系。
3 施工方案
根据现场条件及工程特点, 本桥采用先梁后拱的支架施工方案。全桥施工方案相对简单, 符合现场条件, 能够有效的减少施工费用。
4 结构计算
4.1 主要技术参数
4.1.1 主要材料参数
桥面铺装为8.0 cm沥青混凝土, 容重取24 k N/m3, 含防撞护栏以及检修道护栏二期恒载总重为54.6 k N/m。
钢材:Es=2.1×105MPa。
普通钢筋:HPB300钢筋fsk=300 MPa, Es=2.1×105MPa, HRB400钢筋fsk=400 MPa, Es=2.1×105MPa。
预应力钢绞线:fpk=1 860 MPa, Ep=1.95×105MPa。
吊杆平行钢丝束:fpk=1 670 MPa, Ep=2.05×105MPa。
4.1.2 计算荷载
1) 恒载:一期恒载包括拱圈、纵梁自重, 按实际断面计算, 横梁按集中荷载计算, 桥面板按照均布荷载计算;二期恒载包括桥面铺装、防撞护栏等。
2) 活载:公路—Ⅰ级, 考虑六车道加载以及偏载作用。
3) 温度荷载:体系升温32.0℃, 体系降温33.7℃;主梁截面梯度温度参照英国BS5400规范取值。
4) 静风荷载:按百年一遇基本风速V10=25.6 m/s进行计算。当风荷载参与汽车荷载组合时, 桥面高度处的风速VZ=25 m/s。
4.2 整体静力计算
4.2.1 计算模型
采用MIDAS CIVIL 2010程序计算, 将结构离散为空间杆系模型, 按结构实际尺寸和施工过程进行模拟计算分析。其中主梁、拱肋及其拱肋之间的横撑均是采用空间杆单元进行模拟, 吊杆采用桁架单元进行模拟。由于中跨主梁和边跨主梁的结构形式有所区别, 建模过程中对其进行了简化处理:边跨主梁用箱形结构模拟, 考虑桥面板及加劲肋刚度贡献;而中跨主梁偏安全不考虑正交异性钢桥面板对结构受力的贡献, 仅将其自重当作外荷载以均布力或集中力的形式施加。派河大桥全桥共划分502个单元, 606个节点。全桥静力计算有限元模型见图5。
4.2.2 计算结果
经计算分析, 在标准组合作用下, 钢结构 (拱圈及钢纵梁) 应力结果如下:拱圈上缘最大压应力为128.3 MPa, 下缘最大压应力为136.2 MPa, 纵梁上缘最大拉应力为-124.0 MPa, 下缘最大拉应力为-79.6 MPa, 边跨上缘最大压应力为106.5 MPa, 下缘最大拉应力为-65.5 MPa, 应力水平合理, 满足规范要求。
4.3 稳定及抗震分析
4.3.1 稳定性分析
拱肋为压弯构件, 应计算杆件整体稳定。根据整体计算结果, 主桥一阶失稳系数为16.43。失稳模态如图6所示。
4.3.2 抗震分析
桥位处地震抗震设防烈度为7度, 设计基本地震动峰值加速度为0.1g, 场地峰值频谱特征周期为0.35 s, 场地属中软场地土, 场地类别为Ⅱ类, 属于建筑抗震不利地段。基于静力分析的基本数据, 采用了反应谱法进行了大桥的动力分析。动力分析模型中主梁、拱肋、桥墩均采用空间梁单元模拟, 吊杆采用桁架单元模拟, 边界条件为拱、梁连接处固结, 支座按实际特性模拟, 偏安全不考虑桩—土作用。
地震反应谱分析结果表明, 主梁、主拱在地震下受力均满足要求。主墩根部控制截面及过渡墩根部控制截面无论在E1地震作用下还是在E2地震作用下, 结构的安全系数均大于1, 满足E1和E2地震作用下的抗震性能目标。
4.4 局部分析
大桥拱肋和主梁及端横梁相交节点处受力情况较复杂, 针对这一情况用通用有限元程序ANSYS对拱脚节点进行局部有限元模型受力分析, 采用Shell63单元模拟钢箱梁顶、底板及相关加劲肋、横隔板。ANSYS局部实体模型单元总数为267 836个, 节点289 050个。ANSYS局部实体模型如图7所示。
在活载最大支反力工况下, 拱脚局部整体Mises应力云图如图8所示。可以看出, 除局部区域产生应力集中外, 拱脚板件大部分应力水平合理, 满足规范要求。
5 结语
本文介绍了一座主跨130 m的梁拱组合体系钢箱拱桥的结构设计。在设计过程中通过合乎环境的方案设计、合理布置结构横断面形式、选择合适的体系结构, 使受力更为明确, 构造更为合理。通过对桥梁结构的静力、动力及拱脚局部三维分析, 表明在各个施工阶段和运营阶段下, 该桥各个部位的应力均满足相应的规范要求, 可以为同类跨度桥型提供参考。
参考文献
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