支撑结构设计

支撑结构设计（精选11篇）

支撑结构设计 篇1

作为施工临时结构的模板支撑结构由于其特殊性,其结构模型分析多简化为简单的连续梁和柱构件为主的形式,同时以繁多的规定、限制和构造要求作为上述简化的条件。模板支撑结构的设计计算因此具有构造要求多,计算相对较少,构件选型以标准构配件为主,结构形式单一等特点,在各工程中对于一般条件的模板支撑结构,其设计计算结果差异不大,这就容易形成施工技术人员的经验模式,并逐步倾向于重经验轻计算的观念和做法。

随着现代建筑向着更高更大更复杂的方向发展,模板支撑结构的设计计算将显得越来越重要,常规结构为基础的经验方法再碰到非常规的工程问题时则会出现问题,普遍存在的经验方法造成施工模板结构的安全性问题变得越来越突出,安全事故不断发生[1]。建质[2009]87号“危险性较大的分部分项工程安全管理办法”[2],对于模板工程及支撑体系中的混凝土模板支撑工程:搭设高度8m及以上;搭设跨度18m及以上;施工总荷载15kN/m2及以上;集中线荷载20kN/m2及以上,即属于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程,需要进行详细的支撑结构的设计计算,但此工作因含有较多的理论设计知识和要求,加之相关规范、标准不够完备,工程施工企业的技术人员还不能很好掌握方法,在实际工作中较为普遍地存在着“套用设计”和“拜托程序”的现象,这是不利于工程施工安全的工程质量的。以JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规程》(以下简称《规程》)和JGJ130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》为依据[3,4],针对在房屋建筑施工中大量使用的是扣件式钢管支撑架结构体系进行计算模型和计算方法分析的研究,并与目前较为通行的安全设施计算软件所采用的计算方法进行比较,指出《规程》设计方法的要点和现行方法的不足。

1 高大模板支撑的结构特性及其分析模型

高大模板支撑结构的主要功能是承担现浇混凝土浇筑施工荷载,该类荷载以竖向作用为主,通常以面板直接承担并逐级传递给次梁、主梁等水平构件,最后传递到钢管立柱的竖向构件。面板、次梁和主梁构成的水平承载结构体系较为直接地承担混凝土浇筑施工荷载,其整体刚度比竖向承力体系的立杆支撑架要大得多,根据这一特点,可将整体结构分为两个部分,其一为由面板、次梁和主梁组成的板、梁结构,其二为板、梁结构以下主要由竖向钢管立杆及其扣件式、水平钢管、斜撑组成的支撑架结构。前者与普通肋梁式混凝土楼盖分析类似,结构分析模型简单,结构特性的研究重点在于后者。

扣件式钢管支撑架结构属临时性的建筑施工结构,具有与建筑使用结构不同的诸多复杂性特征。从技术经济的角度出发,施工临时结构需以便于拆卸、重复使用为基本原则,施工结构构件以标准件为主,现场搭设,且构配件数量庞大。扣件式钢管支撑架结构以钢管为其主要的基本构件,采用扣件进行连接,各类构件和连接扣件可拆卸并可多次使用。这种可拆卸扣件连接方式无法提供立钢管支撑架结构的刚性连接节点,结构整体性较差,不仅需要密集的搭设,还需要加设斜撑等加强性的辅助结构以作为弥补,需要通过固结点、扫地杆、水平拉杆、剪刀撑等设置,以作为结构增强水平刚度的重要措施。因此扣件式钢管支撑架结构是一种复杂的结构。与此同时,由于现场安装拆卸条件较差,员工技术水平参差不齐,构件的保养维护水平较低使得重复使用的扣件、钢管性能水平相差较大,易造成施工临时结构质量差异增大,并进一步加大了结构的复杂程度。

复杂的支撑架结构对结构的模型简化设计带来了困难,探讨其设计计算方法是该领域的一个重要课题。由水平和竖向钢管组成的支撑架结构具有表观上较为明了的结构形式,但是,其结点的非刚性特征使得结构变得复杂不定。扣件式钢管支撑架结构主要由竖向和横向的钢管组成,结构类型处于桁架和框架结构间,其关键在于节点的刚度,若是完全刚接则是刚架结构,若是铰接则是桁架结构。研究表明扣件式钢管支撑架结点均处于半刚性状态,其刚性系数受多方面因素影响,无法给出确定的设计参考值。工程中实际的扣件节点采用的是手工扳手拧紧螺栓的方式紧固的,其紧固状态取决于操作人员责任心、手感与习惯,此外扣件式连接时所连接的钢管轴线还存在大于50mm的偏差。因此计算结构简化后的节点刚度将会在刚接和铰接间的一个较大范围内波动变化。目前,扣件式钢管模板支撑体系,对其计算模型尚未有一致的看法,常见计算模型有框架模型、排架模型和铰接架模型,这些模型各有优缺点。由于扣件式钢管模板支撑结构的复杂性特征,对实际结构进行较全面描述的模型的建立难度很大,只能建立满足工程要求的较为粗略的模型。

《规程》给出了模板支撑结构的计算方法,相对于复杂的支撑架结构,这是一个十分简化的模型。以竖向钢管柱作为受压构件的计算为主,将其他构件、支撑结构等影响作为其计算长度系数予以考虑,作为模型不完备的必要补充,给出了诸多相关规定、要求、措施等。总之,支撑架结构设计方法是基本计算与诸多构造、要求、规定等的结合,两者是相互补充、互为依存的关系,这就要求设计者既不能盲目地单纯相信计算,以为计算准确就意味着安全无误;也不能一味地倚重经验,仅重视规定、构造,而无视计算结果。

2 模板支撑结构的荷载及其计算方式

在超静定连续梁结构的内力分析中,可变荷载的不利布置及传递计算方式,对结构的内力计算结果影响较大。在面板、次梁、主梁和立杆的多级超静定结构间的荷载传递中,如果考虑上一级结构的连续性,并按可变荷载的不利布置计算支座反力以传递给下一级结构,那么计算分析不仅繁琐且结果会与实际相差甚远,因为实际的荷载分布与此多级不利布置的情况相符的可能性很小,导致得到的内力计算值较大而偏于保守。为求合理、简洁,一般工程中荷载计算不考虑上一级连续梁的连续性,均按简支梁进行支座反力的计算,将支座反力结果传递至下一级结构。这一方法在荷载的各级传递计算中没有考虑活荷载的不利布置与结构的连续性,亦即传递荷载的支反力不是最大支反力,支反力值会较小,但会更接近工程实际情况。

《规程》中关于楼板模板自重标准值(G1k)要求分别按照平板的模板及次梁、楼板模板(其中包括梁的模板)以及楼板模板及其支架三个级别给出0.30,0.50,0.75 (kN/2)的荷载值,实际上分别包含了面板、次梁自重;面板、m次梁和主梁自重;以及面板、次梁、主梁和立杆支架的自重,这样给出的荷载值是更方便于不考虑结构连续性进行荷载计算的方式的,表明了《规程》对荷载计算方式的倾向性。

但是,品茗软件在对梁模板和板模板模板的计算中,对于次梁和主梁荷载计算采用的是考虑结构的连续性的荷载传递的方式。主梁的荷载是从次梁的最大支座反力的计算中得出的(这其中考虑了次梁的连续性和可变荷载不利布置),而次梁的荷载是从面板的最大支座反力计算中得到,甚至立杆柱也是从面板、次梁、主梁的最大支反力计算中得出。这种计算方式在采用《规程》所提供的G1k荷载时,为得到本级结构的自重,需以《规程》给出的本级总自重减去上一级总自重,如计算主梁结构时,主梁的自重等于0.20kN/m2,因此其既不方便也不合理。

3 混凝土及浇筑荷载分析

作用于模板支撑结构的混凝土荷载是一个较为复杂的过程作用,混凝土自重在浇筑时的短时间内被逐一施加于模板上,这一荷重此时表现出较强的可变荷载性质,但随后混凝土的逐步硬化形成强度,并和模板支撑结构协同受力,结构体系整体上的承载能力因混凝土硬化成型而得以不断提高,但这是在混凝土浇筑施工的后期逐步发展的过程。混凝土浇筑时,模板结构还需要考虑承受浇筑时的施工人员与设备荷载、振捣混凝土时产生的荷载以及倾倒混凝土对垂直面模板产生的水平荷载等,这些均在混凝土浇筑初期发生。

综上,模板支撑结构不仅在浇筑初期承受了最大的荷载作用,且又是处于结构整体上的承载能力的最低点,这就使得混凝土的施工浇筑初期是最为危险的时期,也是模板垮塌事故的多发时期。

《规程》对于混凝土自重的考虑是简单化的,综合考虑各方面因素仍确定其为永久荷载(G2k)。《规程》在对于板模板的设计计算时,着重将混凝土浇筑时的施工人员与设备荷载(Q1k)作为与混凝土浇筑相关的可变荷载,对于梁底模板计算,重点考虑振捣混凝土时产生的荷载(Q2k)作为可变荷载,对于大体积混凝土浇筑时,重点考虑倾倒混凝土对垂直面模板产生的水平荷载(Q3k)作为可变荷载。

混凝土浇筑相关的各种可变荷载均具有作用范围的局部性(或集中性)的特点。作为可变荷载的一个主要方面施工人员与设备可变荷载(Q1k),它所实际作用的面积占到总的施工平面面积的比例往往是很小的,这是因为在一层平面上一般设计2台左右的混凝土泵,对每台泵安排相应的振捣、表面处理班组,这样施工人员与设备可变荷载(Q1k)将集中占据在浇筑和振捣的一个很小的区域。这种作用范围的局部性的荷载布置,它要求直接承受荷载的结构需要作用较大的值进行极限状态验算,而对于下一级结构的作用影响,因为受力面积较大而实际总荷载值相对较小,所以不宜将上一级采用的可变荷载直接传递下来,一般采用将可变荷载对下一级结构计算打折的方式进行处理。《规程》规定施工人员与设备可变荷载(Qk),当计算模板和直接支撑模板的次梁时,均布荷载可取2.5 kN/m2,当计算直接支撑次梁的主梁时,均布活荷载标准值可取1.5 kN/m2,当计算支架立柱及其他支撑结构构件时,均布可变荷载标准值可取1.0 kN/m2。对于Q2k对梁的底模或侧模的作用,Q3k对柱墙侧模的作用,因作用模板的总面积很小(不同于楼面板),所以不需要考虑折减。

上述逐级减少的方式既保证了上一级结构的安全,又使得下一级结构不至于过于安全而浪费。但是这给通过上一级结构以支座反力的方式向下传递荷载的方式带来了麻烦,为此不得不在下一级荷载计算中把较多的荷载部分扣除,但是对于可变荷载因存在荷载不利布置而使得扣除的计算方式相当麻烦。品茗软件因荷载计算系按考虑了各级结构连续性的方式进行的,无法处理2.5、1.5、1.0的分级的情况,只好取其中之一并一算到底,这与《规程》的原则相冲突,造成设计计算结果不经济。

可变荷载(Q1k)的另一个特点是作用的集中性。在模板支撑架施工现场,将较为沉重的混凝土浇筑相关的设备、机件临时放置于模板上是一个比较常见的情况,这种放置可通过吊车将设备底座的一个边或点置于模板上的,因此施工人员与设备可变荷载(Q1k)存在集中近乎一点的作用方式,对此,《规程》规定当计算模板和直接支撑模板次梁时规定,均布活荷载可取2.5kN/m2,再采用集中荷载2.5kN进行验算,比较两者所得的弯矩取大值,支撑次梁的主梁和支架立柱及其他支撑结构构件也给出了同样的规定。依照这一规定,经分析可得出如下结论。对简支梁只有当梁跨大于2m时,2.5kN/m2的均布荷载产生的跨中弯矩才能大于2.5kN集中荷载,在一般的1m以内的跨度条件下,前者的跨中弯矩远大于后者的。对于多跨连续梁以三跨为例,只有当梁跨大于1.82m时,均布荷载产生的跨中弯矩才能大于2.5kN集中荷载的。因此,在一般工程条件下,对于模板和直接支撑模板的次梁时的弯矩计算,2.5kN集中荷载的方式起控制性的。同时还需注意并强调的一点就是,下一级结构荷载计算取上一级的集中荷载作用传递是不合适的。

4 结束语

模板支撑结构的计算方法,是由杆系结构构件的计算与诸多限制、规定、构造等要求共同构成的方法体系,两者是相互补充、互为依存的关系,要求施工技术人员既不能盲目地单纯相信计算,也不能一味倚重经验,仅重视规定、构造,而无视计算结果。

为求合理、简洁,在对模板面板、次梁、主梁和立杆进行设计计算时,荷载计算宜采用按简支梁进行支座反力的计算,以将结果传递至下一级结构的方式进行,而不宜采用考虑上一级结构的连续性进行支座反力的计算以传递至下一级结构的方法。

混凝土浇筑相关荷载除自重外,均具有作用范围小而且集中作用的特点。对于作用范围小的情况,JGJ162—2008《建筑施工模板安全技术规程》规定了对面板以下各级的取值予以打折减小的处理方法;对于可能的集中作用的情况,JGJ162-2008《建筑施工模板安全技术规程》规定了采用同值集中荷载计算弯矩并与均布荷载计算弯矩比较取大的方法。如此,保证了结构经济、安全。

参考文献

[1]王秀英.扣件式钢管模板高支撑架事故分析和使用安全[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版),2012,33(2):129-132.

[2]建质[2009]87号.危险性较大的分部分项工程安全管理办法[S].

[3]JGJ162—2008,建筑施工模板安全技术规程[S].

[4]JGJ130—2011,建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].

[5]刘建民,李慧民.扣件式钢管模板支撑架计算模型回顾与思考[J].建筑技术,2005,36(11):860-862.

支撑结构设计 篇2

钢框架——支撑结构在多高层钢结构建筑中是一种非常常用的结构形式，钢框架支撑结构是在钢框架结构的基础上，通过在部分框架柱之间布置支撑来提高结构承载力及侧向刚度。支撑体系与框架体系共同作用形成双重抗侧力结构体系，这不但为结构在正常受力情况下提供了一定的刚度，而且为结构在水平地震作用及较大风荷载作用下，提供了两道受力防线，形成了人们较理想的破坏机制。然而，不同的支撑布置方式会产生不同的效果，这包括支撑的类型，支撑布置的位置以及支撑杆件所选择的截面形式。１支撑的类型：

（１）中心支撑：支撑构件的两端均位于梁柱节点处，或一端位于梁柱节点处，一端与其他支撑杆件相交，中心支撑的特点是支撑杆件的轴线与梁柱节点的轴线相汇交于一点，支撑体系刚度较大。中心支撑包括：单斜杆支撑，交叉支撑，人字形支撑，Ｖ字形支撑，Ｋ字形支撑，跨层交叉支撑，带拉链杆支撑。

中心支撑适用于抗震设防等级较低的地区，以及主要有风荷载控制侧移的多高层建筑物。

（２）偏心支撑：支撑杆件的轴线与梁柱的轴线不是相交于一点，而是偏离了一段距离，形成一个先于支撑构件屈服的“耗能梁段”。偏心支撑包括人字形偏心支撑，Ｖ字形偏心支撑，八字形偏心支撑，单斜杆偏心支撑等。

偏心支撑适用于抗震设防等级较高的地区或安全等级要求较高的建筑，而且相对中心支撑而言可以很容易解决门窗布置受限的难题。

（３）消能支撑：将支撑杆件设计成消能杆件，以吸收和耗散地震能量减小地震反应。

消能支撑实际上也是一种非屈曲支撑，技术较为先进，适应强，但单造价相对较高。２、支撑的布置方式：

以上述６跨的钢框架支撑结构为例，来说明支撑的布置对结构抗侧刚度的影响：（框架支撑结构的用钢量及支撑的数量、规格均相同）（１）支撑集中布置在中间跨的框架支撑结构的抗侧移刚度要大于支撑布置于边跨；（比如ｂ和ｅ的布置方式，假设将有支撑跨视为一个竖向悬臂杆，无支撑跨的抗侧刚度忽略不计，则显然ｂ结构只相当两个竖向悬臂杆的抗侧刚度的简单叠加，而ｅ结构却相当于一个２倍截面高度的悬臂杆的抗侧移刚度。）（２）应使支撑在长度方向上连续，尽量增大之城之称的通常，即使更多的竖向杆件被支撑杆件联系成整体，发挥空间整体作用。

（３）结构的高度越大，层数越多，支撑的设置对结构抗侧移刚度的影响越大。

（４）支撑的布置宜上下连续，左右对称，且尽量保证每个节点受力的一致性。３、支撑的截面形式：

支撑结构设计 篇3

目前，我国高层建筑的基坑支撑结构设计需要新型的设计方案。在保证施工质量的同时，降低施工的时间成本与经济成本。下文研究分析了我国高层建筑地下基坑支撑结构设计中存在的缺陷与问题，并结合实际经验进行了改进，希望能为相关高层建筑地下基坑支撑结构设计提供参考。

基坑支撑结构设计的主要特点与缺陷

为了改进我国现有的高层建筑基坑支撑结构设计，必须详细地研究我国现有的基坑支撑结构设计的主要特点，了解其中的设计缺陷，并根据这些缺陷提出相应的改进措施。传统基坑支撑结构设计主要有以下四个特点：

1.破坏周边建筑地基结构

通常，高层建筑的基坑深度较大，且周边常有现有建筑。因此在进行高层建筑的基坑支护结构施工时，必定会危及周围建筑物的安全。在城市中心修建高层建筑时，由于周边建筑修建年代比较久远、基础埋深较浅，若不对基坑进行有效支撑，基坑出现较大变形或失稳后，将危及周边现有建筑。

2.地基结构容易受降水影响

高层建筑的地基基坑深度较大，通常基坑底板比地下水水位低。为便于基坑及基础施工，必须对基坑进行人工降水。人工降水后，易引起周边现有建筑的基础沉降。

3.基坑支撑结构施工影响大，必须提前规划

一般的，高层建筑的施工范围比较狭小，且施工工地往往在建筑群中间，人流密度较大。在进行建筑的基坑支撑结构施工时，必须提前做好规划。施工前通知周边的住户，同时需要与有关部门取得联系，避免基坑支撑结构施工对地下公共设施的破坏。

4.地基施工工序复杂

高层建筑的基坑支撑结构设计时，必须提前考虑施工顺序。建筑群施工难度远远大于单体高层建筑的地基施工。因为不同的建筑，基坑深度也不相同，一般按照先深后浅的工序进行。如果先进行浅地基的结构施工，在进行深地基的施工时，容易对前期施工的地基造成较大的破坏，不符合地基施工要求。

高层建筑基坑支撑结构设计原则

1.基坑支撑结构设计的两种极限

国际上通用的高层建筑基坑支撑结构设计的原则主要有两点依据：分别是高层建筑的地基承载能力的极限设计状态与正常使用时的极限状态。

（1）承载能力的极限设计准则

地基的极限承载能力指的是地基的支撑结构和被支护土体可以承受的最大当量。只要地基上部的当量不超过这个极限，建筑的基坑支撑结构就不会被破坏，也不会出现基坑底失稳和管涌等现象，更不会造成地基土体与支护结构的破坏。常见的桩锚支护结构的破坏模式主要有以下几种：挡土结构受弯破坏、嵌入深度不足不够造成的破坏、锚杆抗拉拔失效造成的整体失稳以及地下水造成的坑底隆起或管涌等。

（2）正常使用极限准则

正常使用极限准则指的是在支撑结构的变形很大的情况下，高层建筑仍然不会対周边建筑的平衡结构造成的破坏。

2.参照指标进行设计

在进行高层建筑的基坑支撑结构设计时，需要参照实际地基基坑的安全等级以及其他的重要指标。安全等级一级的破坏后果是支护结构破坏对基坑周边环境影响很严重，γ0为1.10；安全等级二级的破坏后果是支护结构破坏对基坑周边环境影响很小， 但对本地工程地下结构施工影响严重，γ0为1.00；安全等级三级的破坏后果是支护结构破坏对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重，γ0为1.00。

3.基坑支撑结构的设计步骤

根据上述基坑支撑结构设计的两条准则进行设计，高层建筑的基坑支撑结构设计主要包括以下四个步骤：确定建筑整体的结构形式，并根据建筑的基坑支撑形式进行稳定性校核；计算基坑支撑结构在承受压力、弯力、剪力时的稳定性；对基坑支撑结构的内支撑进行承载力校核；对安全等级较高的高层建筑的基坑支撑结构进行水平位移校核。

高层建筑的基坑支撑结构设计

根据工程施工实例进行综合分析，基坑支撑结构设计中的注意点：

（1）基坑支撑结构设计不允许出现明显的顶部形变。

（2）如果高层建筑的地基基坑周边存在距离较近的低层建筑群，在进行基坑支撑结构设计时，建筑地基不允许有明显的水平位移。研究表明，此种情况下的支护结构所承受的水平推力应按静土压力计算。

（3）基坑支撑结构设计中的支撑结构造成的水平压力不应该过小，保证在进行基坑施工中，桩顶不产生水平位移。

（4）如果基坑支撑结构设计中允许出现适当的水平位移，伴随着水平压力的不断增加，桩侧的土压力会出现下降的趋势。

（5）如果支撑结构的水平位移继续增加，势必影响到主体结构的稳定性。因此，基坑支撑结构变形应与主体结构的变形相协调。

实例应用

1.工程概况

拟建工程位于河南省郑州市中心区，规划总用地面积112 300 m2，总建筑面积375 600 m2（包括地下室建筑面积85 000 m2）。该项目结构类型为框架、框剪结构，地下室2 层，采用桩基础。本次勘察得知48 m 深度范围内，岩性以黏性土、淤泥为主，该区的拟建场地为湿润地区弱透水环境，场地环境类型为Ⅱ类。据勘察，地下水水位为0.30～2.40 m.

2.支护方案的选定

通常根据基坑周边环境的严峻程度，结合基坑开挖深度、工程地质和水文地质条件来确定支护方式，支护方式的确定也要考虑不同环境条件约束下的基坑或基坑各边不同的“安全度”。此外，支护结构要密切与施工相配合，以期整个工程的经济效益最大化。结合工程分析，本工程负一层选择采用单排混凝土灌注桩加预应力水平旋喷土锚，坑外设双轴水泥土搅拌桩进行止水，坑底加固采用水泥土搅拌桩。负二层采用竖向两道支撑、水平面四道支撑的支护形式，一道支撑上设栈桥。具体为：一道支撑设置在负一层基础底板上（底板上设牛腿），二道支撑设置在地下二层。负一、二层交界处采用钻孔灌桩结合地下一层底板拉锚进行支护，坑外设双头水土搅拌桩进行止水。该支护系统可简化为简支（外伸）梁或超静定（外伸）梁，挡土效果好，土体变形可得到有效限制。

3.支护效果及质量检验

主要包括在基坑开挖前后和支护施工过程中，对基坑边坡的水平位移和竖向沉降的监测，以及对土钉及预应力锚索受力性能的测试。

（1）位移监测

运用坐标法对基坑周边位移及护坡桩桩顶位移进行了监测，沿立柱顶共布设24 个沉降观测点，基坑底沿20 m 间隔均布设置竖向位移监测点。监测周期为：在基坑开挖期间，每天监测一次；开挖结束后以7 d 为增量加大监测时间间隔，具体要结合边坡变形情况而定。根据监测数据汇总分析，坡顶水平位移最大值为12.1 mm，桩顶水平位移最大值为4.3 mm，地面及基底竖向位移均在10 mm 以内，基坑整体变形量微小。

（2） 预应力桩锚抗拔试验

按照规范进行预应力锚索的抗拔试验，以检验其受力状态及施工质量。预应力桩锚共试验4 根，试验结果见表1。

试验结果表明，土钉及预应力锚索极限抗拔力均高于其设计拉力，在试验过程中均未发生失稳现象，说明其力学性能发挥正常，支护效果良好。

结语

支撑结构设计 篇4

钢结构装置框架常采用的结构体系有纯框架结构体系和框架-支撑结构体系两种结构体系类型。由于钢结构纯框架结构体系自身存在侧向水平抗力不足等问题, 往往需要在设计中加入钢支撑, 形成钢框架-支撑结构体系, 以增强其抵抗侧向水平力的能力。在石化建设中, 钢框架-支撑结构体系是一种较为经济合理的结构体系, 在这种结构体系中, 钢支撑的设置能够显著地提高结构整体抗侧移刚度, 减小结构的侧向位移。中华人民共和国现行行业标准 《石油化工构筑物抗震设计规范》SH/T3147-2014 (以下简称《石化构抗规》) 中第9.1.3 条规定“钢结构构筑物, 应优先采用框架-支撑结构”体系。支撑是钢框架-支撑结构体系中重要的受力构件, 支撑设计是否恰当合理将直接影响到结构承载力的安全性、可靠性和经济性, 因此, 做好支撑截面的抗震验算至关重要。

1 Ⅹ形中心支撑的抗震验算

1.1 支撑斜压杆截面的抗震验算

根据Ⅹ形中心支撑的计算简图 (见图1) , 利用三角函数公式, 推导斜压杆的轴力设计值Ny和支撑所承受的剪力设计值Vi之间的关系式, 如下:

在竖向荷载 (重力) 和水平荷载 (地震) 作用下, 支撑斜杆除承受水平荷载引起的剪力外, 由于结构的变形协调关系, 还承受楼层水平位移和竖向荷载共同作用下产生的附加剪力V△i (见图2) 。因此, 支撑承受的剪力设计值Vi用公式可表示为:

框架柱在竖向荷载 (重力) 荷载的作用下而产生轴向压缩变形, 由于节点变形协调关系, 在支撑斜压杆中会引起附加压应力 (见图3) , 应在支撑斜杆计算中予以计入。按照现行国家标准 《构筑物抗震设计规范》GB50191-2012 (以下简称《构抗规》) 中第7.6.8 条, 附加压应力 δΔ的计算公式如下:

bi、hi-分别为验算层支撑所在开间的框架梁的跨度和楼层的高度;

Ad-支撑斜杆的截面面积;

Ab-验算层支撑所在开间的框架梁的截面面积;

Ac-验算层支撑所在开间的框架柱的截面面积;左柱、右柱截面不相等时, 可取用平均值。

根据现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017-2003 (以下简称《钢规》) 中第5.1.2条实腹式轴心受压构件的计算要求, 并按照结构抗震设计原则, 引入承载力抗震调整系数γRE, 则支撑斜杆的受压承载力应满足:

对于中心支撑系统, 考虑到钢支撑杆在遭受强烈地震的循环荷载作用下可能发生屈曲而降低承载力[2], 需要对材料强度进行折减后 (即对钢材强度乘以折减系数Ψ) 再进行抗震承载力验算。综合上述公式 (1) 、 (2) 及 (5) , 整理出支撑斜杆的受压承载力抗震验算公式 (6) , 如下所示:

式中, Ψ-支撑受循环荷载作用时的强度降低系数;

λ、λn-支撑斜杆的长细比和正侧化长细比;

fay-钢材屈服强度值;

E-支撑斜杆钢材的弹性模量。

1.2支撑斜拉杆截面的抗震验算

根据X形中心支撑的计算简图 (见图4) , 利用三角函数公式, 推导斜拉杆的轴力设计值NL和支撑所承受的剪力设计值Vi之间的关系式, 如下:

震害和试验研究表明[3], X形中心支撑杆件的最大长细比小于200时, 斜拉杆和斜压杆在支撑体系中是共同协调工作的。因此, 当钢框架-支撑结构体系的支撑斜杆采用拉杆设计时, 确定拉杆轴力时应计入斜压杆在反复循环荷载下强度降低引起的卸荷效应。此时, 轴力设计值NωL宜按下式进行计算:

式中, NωL-斜拉杆在考虑卸荷效应时的轴力设计值

ω-斜拉杆和斜压杆共同协调工作并考虑在反复循环荷载作用下, 强度降低引起卸荷效应系数;

VEi-支撑承受的地震剪力设计值;

V△i-楼层水平位移及垂直荷载产生的附加剪力设计值。

根据《构抗规》中的第7.6.3-2条, 斜拉杆和斜压杆共同协调工作并考虑在反复循环荷载作用下强度降低引起卸荷效应系数的计算公式如下:

式中, φc-长细比小于200时的压杆卸载系数, 在钢框架-支撑结构体系中取0.30;

φi-斜杆轴心受压稳定系数。

根据《钢规》中的第5.1.1条轴心受拉构件的计算要求, 并按照结构抗震设计原则, 引入承载力抗震调整系数γRE, 整理出支撑斜拉杆的承载力抗震验算公式 (13) , 如下:

2 工程实例

某公司20 万吨/年碳四深加工建设工程中冷冻框架为钢结构框架-支撑结构体系。轴线尺寸为18.0 m×18.0 m, 纵横向柱距均为6.0 m;共三层, 一层 (底层) 及二层设备平台的层高均为6.0 m, 三层 (顶层) 为防雨棚, 层高3.6 m。在框架柱中间跨跨间设置X型中心支撑。底层支撑所在开间框架柱采用型钢HW500×500, 截面面积为30 450 mm2;框架梁采用型钢HM350×250, 截面面积为9 953 mm2。底层支撑所在开间框架柱的轴向压力设计值为630.0 k N, 底层的层间位移12.49 mm;二层的重力荷载193.8 k N, 三层的重力荷载为59.30 k N;二层地震剪力设计值为218.30 k N, 三层的地震剪力设计值64.40 k N。

3 支撑斜压杆选用与验算

底层支撑斜压杆选用型钢HW250×250, 支撑斜杆的截面面积为Ad=8 131 mm2, 弱轴与支撑斜杆所在平面垂直。

计算支撑承受的地震剪力设计值:

计算楼层以上的全部重力:

楼层水平位移和垂直荷载产生的附加剪力:

利用公式 (7) 计算考虑附加剪力后的斜压杆轴向力设计值:

利用公式 (4) 计算支撑斜杆中的附加压应力:

支撑所在开间柱的轴向压应力

利用公式 (8) 支撑受循环荷载作用时的强度降低系数:

利用公式 (6) 对支撑斜杆的受压承载力进行验算:查现行国家标准《钢规》中的附录C, φ=0.340。

4 结束语

(1) 在竖向荷载 (重力) 和水平荷载 (地震) 作用下, Ⅹ型中心支撑主要承受水平荷载引起的剪力, 但由于结构的变形协调关系, 还承受楼层水平位移和竖向荷载 (重力) 共同作用下产生的附加楼层剪力。故计算支撑斜杆的内力时, 还应计入楼层附加剪力的影响。

(2) 框架柱在竖向荷载 (重力) 作用下的弹性压缩变形会在Ⅹ形中心支撑的斜杆中引起附加压应力。故在计算支撑斜压杆的截面时, 应计入附加压应力的影响。

(3) Ⅹ形中心支撑的轴线应交汇于梁柱轴线的交点, 在构造上确有困难时, 偏离中心不应超过支撑杆件的宽度, 并应计入由此产生的附加弯矩。

参考文献

[1]《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册 (上、下册) (第三版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.

[2]魏明钟.钢结构 (第二版) [M].武汉:武汉理工大学出版社, 2002.

[3]中华人民共和国国家标准《构筑物抗震设计规范》 (GB50191-2012) [S].北京:中国计划出版社, 2012.

[4]李玉荣, 蔡康峰, 唐月.中心支撑-框架钢结构设计与研究[J].工业建筑, 2010 (11) :116-130.

[5]中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2010) [S].北京:中国计划出版社, 2010.

[6]丰定国, 王社良.抗震结构设计[M].武汉:武汉理工大学出版社, 2001.

[7]中华人民共和国国家标准《钢结构设计规范》 (GB50017-2003) [S].北京:中国计划出版社, 2003.

用户体验设计的主要支撑理论探析 篇5

本文分别对用户体验设计相关的UCD、ED和UE要素三大理论的核心观点进行了简要阐述，从产品安全性、可用性、吸引力和满意度四个维度提出了“放心”、“省心”、“动心”和“舒心”四大用户体验设计服务标准，合理地解析了体验与情感的紧密关系，并阐述了用户体验要素之间的逻辑关系，为广大产品设计师进行用户体验设计实践提供理论指导。

关键词：

以用户为中心的设计 情感设计 用户体验设计

中图分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2015） 02-0046-03

用户体验是一个热词，英文为User Experience（简称UE），最早被广泛认知是在上世纪90年代中期，由设计师唐纳德，诺曼（ Donald Norman）所提出和推广。 1S0 9241-210标准将用户体验定义为“人们对于针对使用或期望使用的产品、系统或者服务的认知印象和回应”。我们可以从如下理论探析中进一步理解用户体验概念的内涵与外延，并能更好地掌握用户体验的核心理念，指导产品设计实践。

1 UCD理论

UCD是指以用户为中心的设计（User Centered Design）英文简称，指在现代设计进程中以用户体验为基础的设计决策的中心，强调交互过程中的感受与情感的设计模式。也就是说，在产品的顶层设计、功能开发、运行测试和使用维护过程中，设计者需从全局考虑用户需求，系统地研究人与产品以及环境之间的交互关系和心理感受，以期提升产品的可用性、人性化、亲切感等高贵品质。（如图1）

关于UCD的理论研究目前还没有一个相对权威的理论模型。笔者根据多年用户体验设计研究与实践总结的经验来看，即以产品对用户的服务作用需求（即用户的切身感受）来看，理想而完美的产品有四个层面的标准：一是“放心”，二是“省心”，三是“动心”，四是“舒心”。由此可见，一个优秀的基于UCD的产品设计可以有如下衡量维度：安全性、可用性、吸引力和满意度。

1.1 安全性（放心）

所谓安全，是指不受威胁，没有危险、危害、损失、干扰。马斯洛需求层次理论（Maslow's hierarchy of needs）认为，安全需求（Safety needs）在人的基本需求当中属于低级别的需求。可见，安全是用户使用产品最起码的需求。然而当前，食品、饮品、化妆品等社会物质产品的不安全性让人心惊胆寒，而延伸到非物质产品中的犹如病毒、色情、暴力等不安全的因素让人防不胜防。有学者认为，安全是在人类活动过程中，将系统的运行状态对人类的生命、财产、环境可能产生的损害控制在人类能接受水平以下的状态。安全是具有特定功能或属性的事物，在外部因素及自身行为的相互作用下，足以保持正常的、完好的状态，免遭非期望的损害现象。安全的定量描述用“安全性”或“安全度”来反映，其值有用≤1且>o的数值来表达。安全性是产品设计所关注的最为基本的要素，更是产品设计的第一原则。倘若产品有不安全因素，用户宁可不使用该产品来满足功能需求，也不会购买它。

1.2 可用性（省心）

可用性是“对用户友好”概念的升级解释。关于可用性的定义比较权威的有如下几种：

1509241/11：-个产品可以被特定的用户在特定的境况中，有效、高效并且满意得达成特定目标的程度（The extent to which a product canbe used by specified users to achieve specified goals with effectiveness，efficiency and satisfaction in a specified context of useJ。

GB/T3187-97：在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力。它是产品可靠性、维修性和维修保障性的综合反映。

大多数学者比较推崇的是Shakel （1991）对可用性的定义：可用性是指技术的“能力（按照人的功能特性），它很容易有效地被特定范围的用户使用，经过特定培训和用户支持，在特定的环境情景中，去完成特定范围的任务。”

由此可见，与可用性相关联的包括：减少完成特定任务的时间（同时提高效率）、减少学习使用新界面的时间，或者减少用户犯错误的次数等。一般地说，可用性即为“易学易用”、“操作方便”、“不费神”、“不花力”等，简而言之，即为“省心”。

1.3 吸引力（动心）

吸引力是指两者（主客体）之间的喜好趋向性或拒斥程度。在设计心理学中，高度的吸引力是指能抓住人的感官的，让人怦然心动、爱不释手的物质形式或内容，包括视觉、触觉、听觉、嗅觉和味觉等多方面，通常表现出“好看”、“好玩”、“好听”、“好间”或“好吃”的感受。美国苹果公司的高级副总裁唐纳德.诺曼Donald Arthur Norman在其出版的《设计心理学3：情感设计》-书中的第一章的大标题就写道：“有吸引力的东西更好用”。我们在生活中也不难发觉，有吸引力的数码产品用起来更加顺手，这也许恰是苹果产品的魅力所在。

1.4 满意度（舒心）

满意是一种心理状态，是客户的需求被满足后的愉悦感和舒心感，是指用户体验后，在情绪上所判断的价值程度和接受程度。通常满意度高的用户体验表现出的有“好”、“不错”、“爽”、“值”、“有品味”、“显档次”等心理评价反映。满意度测试是对可用性和吸引力的综合评价。（如图2）

2 Emotional Design（情感设计）

唐纳德.诺曼Donald Arthur Norman[4]正是情感设计理论研究者，他提出这样一个观点：一件产品的成果与否，设计的情感要素也许比实用要素更为关键。他还认为：“人类的行为大多数是潜意识的，不为意识所察觉。在人类进化史和大脑处理信息的过程中，意识都出现得比较晚。很多判断在被大脑意识到之前，就已经形成了。情感系统和认知系统都是信息处理的系统，但功能各异。情感系统负责作出判断并快速地帮助你辨别周围环境中的利弊与好坏，认知系统则负责诠释和理解这个世界。”

可见，情感在人类日常生活中扮演着极其重要的角色，它能帮助评价处境是好是坏，是安全或危险，情感能帮助人们作出决策和判断。

诺曼和他一起研究情感的团队成员西北大学心理学系的教授安德鲁.奥托尼Andrew Ortony和威廉.雷维尔William Revelle在研究中发现，人类的大脑活动分为三个层次：先天部分，被称为本能层次；控制身体日常行为的运作部分，被称为行为层次；还有大脑的思路部分，被称为反思层次。每一个层次在人的整体机能中起不同的作用。

这三个层次相互作用的方式比较复杂。尽管如此，从应用的目的出发，对设计师而言非常受用。设计在每个层次的要求大不一样。这三个层次与产品的特性关系表现如下：

本能层次的设计→

外观、质感和触感

行为层次的设计→

使用的愉悦和效用

反思层次的设计→

自我形象、个人的满足、记忆

2.1 本能层

本能层次是先于意识和思维的，踏实外观要素和第一印象形成的基础。本能层次的设计要更多强调产品给人的初步印象，着重于产品的外观、触感等。

2.2 行为层

行为层次与产品的使用及体验相关。体验本身包含了很多方面：功能、性能及可用性。一个产品的功能定义了它能做什么——如果功能不完善或者没有足够吸引力，产品就没有多少价值。产品的性能体现在他如何完成所定义的功能——如果性能不充分，那么产品就算失败。可用性则体现在人与产品接触过程中的和谐性与产品功能效用的预期性上。当人们在使用产品的过程中感到迷惑或者沮丧时，会产生负面情感。如果产品满足了需要，同时在使用中为用户带来乐趣，就很容易实现预期目的，也会产生温馨正面的情感。

2.3 反思层

只有在反思层次，才存在意识和更高级的感觉、情绪及知觉；也只有这个层次才能体验思想情感和情感的完全交融。在更低的如本能层次和行为层次，仅仅包含感情，没有诠释或意识。因此，诠释、理解和推理来自反思层次。反思层次最容易随着文化、经验、教育和个体差异的不同而变化，而且该层次超越了其他层次。因此有些人对令人厌恶或恐惧的本能体验感到很喜欢，而有些人却会非常讨厌：或者有些人对一个设计根本无法接受，而其他人却觉得这个设计十分有魅力、有吸引力。而弗洛伦泰因·霍夫曼的大黄鸭以经典浴盆黄鸭仔为造型，正是反思层次的设计经典案例，有许多人觉得这很有意思，大黄鸭象征童年的事物，唤醒美好回忆的东西，而也有不少人认为这是设计师在作秀，玩弄噱头。

由此可见。通过反思，我们能回忆起过去并能遇见到未来。

正如Jesse James Garret把“体验”解释为三种层次内涵：体验（experience）；一次体验（an experience）；作为故事的体验（experienceas story）。这一解释与Donald Arthur Norman关于情感设计的本能、行为和反思三个层次的阐述有异曲同工之妙。这进一步验证了体验与情感的紧密关系。

3 UE（用户体验）要素

用户体验设计过程与方法的核心规则即是设计的每一环节都在你以用户为中心的决策之内。这就是说，设计者要考虑方方面面以及用户交互行为中的用户与产品每一处接触点，并且能合理满足用户对产品的预期。这似乎是一项巨大的系统工程，为了把复杂的问题简单化，Jesse JamesGarrett开创性地把用户体验工作分解成5个组成要素（见图3），以利于我们更好地解决实际问题。为了将问题分类表述清楚，我们可以将产品分为功能型和信息型两大类。

3.1 表现层

表现层（ surface），是55的最上层，就是界面的感知层，包括视觉、触觉和听觉三个方面。从心理学——情感设计的角度来看，表现层主要解决本质层面的设计问题。视觉方面指界面的外观形式、GUI元素的形态与色彩以及具体的排列组合关系；触觉方面指产品的质感、交互行为过程中的响应反馈（震动感）；听觉方面指系统操作过程中的所有声效的系统设计。

3.2 框架层

继表现层之下是系统整体界面的框架层（ skeleton）。框架层解决的是按键、控件、图片、文本等界面元素的总体规划与布局的问题，以利于优化元素之间的关系。框架层包含三个方面：一是信息设计（informationdesign），数据的优化整理与存在形式表达；二是界面设计（interfacedesign），人与系统交互的接触点（面）的组织；三是导航设计（navigationdesign），系列页面之间切换的快捷通道媒介的排列组合关系。

3.3 结构层

结构层（structure）解决的是系统组织架构的关系问题。结构层面包括两个方面：一是交互设计（interration design），建构产品、服务或系统与用户之间的对话关系；二是信息架构（information architecture），合理地组织内容元素帮组用户准确有效理解信息。

3.4 范围层

范围层（ scope）定义产品、系统或服务的功能和描述内容需求的形式。范围层包括两个方面：一是创建功能规格（functional specification）；二是描述内容需求（content requirement）。

3.5 战略层

战略层（ strategy）定义了产品目标和用户的需求，是用户体验设计的基础和决策机制。

综上所述，这五个层面逻辑清晰，层次分明，概念贴切，为产品体验设计提供了一个理论模型。实际在应用过程中，我们应把握以下两个原则：1）从战略一范围一结构一框架一表现（见图4），自下而上建设；2）互为逻辑，环环相扣，层层照应。

4 总结

本文分别从设计学、心理学和感性工学等学科为视角，概述了UCD理论、情感设计理论、UE要素原理，为基于用户体验的设计实践奠定了一定的理论基础。而这些理论有个共同的核心要思想是“以人为本”，设计要力求关注人的身心发展，设计即是服务，解决问题。

5 展望

在科技日新月异的信息社会，“跨界与融合”是学术界的长久探讨的主题，也是未来设计学科、教育与实践发展的必经之路。设计即是解决问题，设计研究的范围因设计要解决问题的多样性与普遍性得到迅速延展；设计方法与技术的多元化与设计专业学科交叉性特点让设计呈现出立体网状的特征，诸如设计与哲学、设计与工程、设计与管理、设计与营销、设计与心理、设计与技术、设计与生活、设计与媒介等等正在发生着或即将发生着难以割裂的关系。这些交叉的研究正是为了了解这些关系和平衡这种关系。

我们每一个人都憧憬着未来，梦想拥有一个物质资源充沛、精神生活丰富的大世界，梦想拥有和谐美好幸福的家园，衣食住行健康安全，生老病死无忧无虑，等等这些梦想的实现以及要解决的种种问题，都无不关联着设计。

机器臂悬臂支撑结构的优化设计 篇6

本文以某汽车制造流水线的机器臂钢结构布置方案为研究对象, 通过有限元分析软件进行静力学分析求得该结构布置方案中支撑结构的变形特点, 并提出改良的方案。

1 整体钢架结构的初始设计

本文选取某厂区内生产流水线中的局部钢结构进行有限元建模分析。为了更好的分析与研究悬臂支撑结构其自身以及下部的支撑结构的结构特点, 分别对装载机器臂的悬臂支撑结构, 以及整体钢架结构两部分进行分析。

机器臂悬臂支撑结构由两根400x400x16mm的方钢通过连接部分厚为16mm的斜板焊接而成。有限元单元使用shell壳单元尺寸取100x100mm。使用MSC.Patran中MPC多点约束单元模拟机器臂3.4米最大臂展距离。MPC单元是将机械臂作为一刚体考虑, 忽略机械臂自身的变形, 并将机械臂的质量过度至机械臂的支撑结构上。此外同样使用多点约束将截面联接至其几何中心以模拟连接机器臂的法兰接头, 以此将机械臂正常运转过程中的载荷过度至支撑结构上。模型对螺栓连接等局部细节进行了适当简化。建模材料选取普通碳素钢, 其弹性模量取206000MPa, 泊松比取0.3, 密度取7.85x103kg/m3。悬臂支撑结构安装在底部两根板厚为16mm的箱型梁上, 并在对应支撑结构位置下方设有凸台。考虑机器臂布置的不对称, 支撑结构互相之间的影响, 以及避免距离约束端过近影响结果等原因, 建立6个悬臂支撑结构的局部模型。

2 加载工况与约束并计算

在不考虑机器臂重量造成的初始位移情况下, 根据机器臂生产厂商的相关数据已知机器臂运转过程中最危险工况如下:

在上述有限元模型中, 对钢结构底端的8个桩腿进行全约束。对于单体的悬臂支撑结构其约束取结构下表面所有节点。

由于在实际工况中, 整体结构布置在x方向上有其他的约束条件, 因而在选取6支柱有限元模型中位于中间的两个悬臂支撑结构变形较大的一个做为研究对象。

其中悬臂支撑结构底端B点为一基座面, 根据组成该面的25个节点的各方向的位移分量, 得出基座面中最大位移值 (B max) 和整个基座面平均位移值 (B avg) 。并根据x, y方向中点位置的节点位移分量的相对差分别求出在x, y方向的偏转角Rx, Ry。

可以明显的看出倒L型的悬臂支撑结构为一典型的悬臂梁结构, 由于约束端与受力点跨度较大, 其弯扭变形较大。总体变形趋势是在yz平面内的弯曲变形以及在z轴方向上的扭转。

机器臂工作载荷通过悬臂梁传递至底部钢结构上, 而底部钢结构的主要支撑作用是通过两根x方向上连续的箱型梁提供的。在变形图中可以明显的看出底部结构中箱梁与悬臂支撑结构下方的凸台一起发生了向内的扭转变形。

可以看出, 要限制悬臂支撑结构的变形需要提升底部钢结构在x轴方向上的抗扭性。

根据工作要求, 需要将机器臂手臂末端N点位移限制在3mm以内。如果悬臂支撑结构再加厚, 使得其板厚超过16mm将不利于装配与采购, 添加加强筋也并不经济, 现针对整体钢结构的改良方案进行计算分析。

3 改良方案

对底部钢结构增加y向连接件, 提供额外的约束。并适当减低箱型梁厚度至10mm。

其中, 在悬臂支撑结构下方凸台的后方增加两道2x90x8/175x5mm的工字钢, 其跨度为2.4米, 具体形式以及约束见下图。

方案改良结果如下。

由于优化方案旨在通过加强悬臂支撑结构底部来提升整体的结构刚度, 因此就基座B点位置处进行数据对比。

由计算结果可以看出, 改良结构后N点的总变形量得以下降近40%左右。而对于基座B点的总变形量可以降低近90%。

其中可以看到Uy与Uz的变形量下降的很多, 主要是由于该结构能够极好的限制箱型梁在x轴方向上的扭转, 从而控制悬臂支撑结构底座B点的位移。而由于箱型梁本身壁厚的减小 (从16mm降低到10mm) , 使得悬臂支撑结构在x轴方向上的弯曲变形稍稍增大了一些。

4 结论

本文以某汽车制造流水线的机器臂钢结构布置方案为研究对象, 通过MSC Patran&Nastran大型通用有限元分析软件进行静力学分析求得该结构布置方案中支撑结构的变形特点, 此外也通过有限元软件模拟得出结构会对机械臂精度产生的位移的精确解。对生产商控制机械臂工作精度有着极大的帮助。此外本文还对结构改良的方案进行研究, 提出了结构及刚度的优化方案。

摘要：针对自动化流水线中安装数控机器臂的悬臂支撑结构, 建立相关模型并进行有限元建模与静力学计算, 求得悬臂支撑结构的变形特点。通过计算得到机器臂手臂末端位移提出了优化方案并进行计算分析, 为相类似的机器臂悬臂支撑结构的设计提供了有益的参考。

关键词：悬臂支撑结构,刚度改良,有限元计算

参考文献

[1]赵明生.机械工程手册第7卷[M].北京:机械工业出版社, 1996.

[2]Patran与Nastran有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[3]MSC.MSC Nastran 2003-Linear static analysis user's guide[M], 2003.

[4]单金凤.石材立体工艺制品雕刻机器人的设计与研究[D].济南:山东大学, 2011.

支撑结构设计 篇7

随着超高大跨建筑结构的广泛运用,一些超重结构随之出现。本文所指的超重结构模板支撑是:施工总荷载15kN/m2及以上,或集中线荷载20kN/m及以上的模板支撑系统[1]。转换层结构,一般截面尺寸大,结构自重大,施工难度也较大。超重结构模板支撑系统对楼板的反作用力和冲切作用是模板设计的重要内容,也是容易被忽略的。表1给出了4个典型工程的楼面支撑设计荷载。

1 转换层结构模板支撑常见的施工方法

1.1 分层浇筑法

对于截面尺寸较大的转换结构,常见的施工方法是采用分层浇筑的方法,待先浇筑的混凝土硬化后可承担后浇筑混凝土的重量,起到卸载作用。但采用分层浇筑的方法,对混凝土交界面的处理对结构的质量会有较大的影响。同时,分层浇筑施工工期也较长。目前分层浇筑界面的处理,主要是采用插筋的方法。

1.2 利用钢骨架或预应力卸荷

转换层结构经常使用钢骨混凝土,从而减轻结构的自重。在转换层施工中,可以利用已经就位的钢骨,承担后续施工的部分荷载,从而减轻施工荷载对下层楼板的作用。

2 超重模板支撑楼板承载力设计

转换结构施工阶段的受力状态与使用阶段的不同,同时施工中转换结构混凝土强度未达到设计强度,应对转换层及下部楼层的楼板进行施工阶段的承载力验算。转换结构本身受下部支撑体系的作用或混凝土施工方法的影响,在结构板中易产生设计时未考虑到的附加内力,故需对转换结构在施工阶段的受力状态做具体的分析和计算,必要时可采取一定的构造措施来抵抗这些附加内力。

各楼层承担的荷载。对于超重模板支撑体系,其支撑系统的内力一般需要依靠多层楼板承担,如图1所示。

徐佳炜(2008)[3]得出多层模板支架体系中楼板承担的施工荷载具有以下特征:

(1)带弹性支撑的楼板承担的力与楼板的刚度成正比;

(2)带弹性支撑的楼板承担的力与弹性支撑的刚度成反比(即与弹性支撑的变形成正比)。

与通常结构承担的力按构件刚度分配机制不同,施工时变结构中,楼板承担的内力除按楼板刚度进行分配外,同时还按楼板下弹性支撑的变形能力进行分配。文献[3]综合考虑了楼板混凝土的弹性模量和模板支撑的刚度,提出了各楼层荷载的分配系数,如式(1)所示:

式中,ri为各层楼板的刚度调幅系数,取r1=0.95,r2=1.0,r3=1.05,r3=1.10。

确定各层楼板承担的荷载后,按《混凝土结构设计规范》(2002)[4]分别计算各层楼板的抗弯强度和冲切是否满足要求。

3 工程实例

3.1 工程概况

本工程位于龙岩市新罗区,建筑层数为地上20层,地下2层,建筑高度65.2m。在地上2层设有转换层。转换层板厚:400mm;超重梁断面:300mm×1700mm、500mm×1000mm,层高:4.5m;砼强度等级C30。

3.2 400mm厚楼板支撑设计

模板采用18厚胶合板(915×1830),次龙骨采用100×100松方木,顺九合板短边方向布置间距300mm;主龙骨采用100×100松方木;支撑采用φ48×3.0钢管,纵横向@1200间距布置,立杆支撑高度方向每间距1.5m设置纵横向双向水平杆,距地200mm处设扫地杆,并且每5根杆设一道剪刀撑;且水平杆须与已浇筑好的柱相连接每2步布置一道。模板支撑体系,如图2所示。

3.3 荷载计算

楼板内配置Ⅱ级钢筋,单位宽度(1m)楼板截面的钢筋面积As=360 mm2,fy=300 N/mm2。

楼板主要为双向板,主要尺寸约为3m×4m,取混凝土保护层厚度20mm,截面有效高度h0=280 mm。

根据《建筑施工模板安全技术规范》(2008)[5],支撑立杆内力计算时:施工恒载为:模板及支撑架的自重(G1K)、混凝土自重(G2K)、钢筋自重(G2k);施工活载为施工人员及设备荷载(Q1k)取为1.0 kN/m2。

施工荷载设计值,由横载控制:

属于超重结构。

3.4 楼板强度验算

施工现场的进度,大体为每7天一层。因此,施工转换层楼板时,地上一层楼板混凝土的龄期为7天,地下室顶板的混凝土龄期为14天左右。

(1)假定由地上一层楼板来承担。

如果荷载由地上一层楼板承担,该层楼板厚度为100mm,混凝土强度等级为C25。

(1)楼板抗弯计算。

板带所需承担的最大弯矩按照四边固接双向板计算:

因平均气温为20℃,查《施工手册》温度、龄期对混凝土强度影响曲线得到7天龄期混凝土强度约达到0.55%,14天龄期混凝土强度约为80%。

C25混凝土抗压强度设计值为fc=11.9×0.55=6.55N/mm2,抗拉强度设计值ft=1.27×0.55=0.70N/mm2。

则相对受压区高度:

计算系数为:

此时楼板所能承受的最大弯矩为:

楼板抗弯满足要求。(2)楼板抗冲切验算每根立杆承担的内力:

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)[4],冲切局部荷载设计Fl=15.5kN;冲切承载力:

楼板的冲切承载力不满足要求!

(2)假定由两层楼板来承担荷载。

假定由地上一层和地下室顶板共同承担转换层的施工荷载。由于地下室顶板的厚度为150mm,与地上一层楼板的厚度100mm不同,因此式(1)应考虑厚度的影响,应按式(2)进行就算:

地上一层的荷载分配系数μ1:

地下室顶板的荷载分配系数μ2:

按照前述冲切验算的方法,可得到楼板冲切满足要求!

4 结论

结合工程实例,发现超重模板支撑体系,楼板的冲切承载力往往是一个薄弱的环节,而且在超重模板支撑体系设计中,容易被忽略。因此,在超重模板支撑设计中,楼板的冲切承载力的验算是必须。本文针对多层模板支撑体系的验算方法,经工程实践表明,是安全可行的。

参考文献

[1]关于印发《建设工程高大模板支撑系统施工安全监督管理导则》的通知,建质[2009]254号,2009.

[2]王荣军.高程建筑厚板转换层的施工技术研究.武汉理工大学硕士学位论文,2002..

[3]徐佳炜.高层建筑多层模板支撑体系及其安全性研究.同济大学硕士学位论文,2008.

[4]GB50010-2002.混凝土结构设计规范.

支撑结构设计 篇8

磨损、断裂和腐蚀是金属材料制件的三种主要失效形式, 为了提高机械零件的耐磨性和抗蚀性, 从而提高机电产品质量、节省材料、节省能源, 钢铁材料的渗氮工艺因具有独特的优势而出现, 并不断地发展起来, 渗氮是应用广泛的一种表面化学热处理技术, 它的主要目的是基本不改变工件尺寸和自身性能的情况下得到较高的表面硬度、改进耐磨性能、增强疲劳寿命和更好的耐蚀性能。本文针对38CrMoAl支撑件渗氮处理后维氏硬度测量压痕碎裂现象严重测量困难, 对渗氮层维氏硬度测量压痕碎裂现象进行研究, 分析渗氮试样渗氮表面硬度与渗氮层深度、渗氮层脆性的关系, 找出压痕碎裂原因, 提高渗氮层硬度检测准确度。

2 研究方法

首先将试样表面抛光, 然后任意选取试样的表面的若干个点选择10kgf、5kgf、1kgf等试验力载荷进行维氏硬度测试, 并记录压痕情况及硬度数值;用HVS-50数显维氏硬度计10kgf试验力载荷, 按照GB/T11354-2005钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验, 对每个试样测量3点进行脆性分析。

3 数据整理分析

3.1 数据整理

本次研究共采用10件38CrMoAl随炉试块, 性能测试结果总结如下:

从试块压痕碎裂测量情况可以看出在维氏硬度测量中只有完好压痕及一角碎裂的一部分可以测量, 其它碎裂情况全不可以测量, 为了能够测量渗氮层硬度情况, 我们从载荷选择、渗氮层等方面进行了详细分析。

3.2 分析

3.2.1 试验力载荷选择分析

通过下图可以看出不同试验力下产生的压痕, 对于Ⅰ, 压头作用于渗氮层上, 反映的是渗氮层的硬度, 对于Ⅱ、Ⅲ压头击穿渗氮层, 反应的不是渗氮层的表面硬度, 本次研究所选择的试验力载荷都应与Ⅰ相符。

本次研究渗氮产品渗氮层深度一般在0.5mm-0.7mm, 因标准中规定试验层深度至少应为压痕对角线长度的1.5倍, 取3倍条件下测量就完全不受基体硬度的影响。即:

d=0.5=0.1667mm通过表1可以看出渗氮产品维氏硬度在1000HV1 3左右, 又因

只要选择15kgf以下的试验力载荷就可以满足不击穿渗氮层深度, 本次研究选择最大试验力载荷为10kgf符合标准要求。

3.2.2 渗氮层分析

对38CrMoAl强化渗氮的温度应在500℃-550℃, 工件表面高浓度的N原子向内部扩散, 先在α-Fe中形成固溶体, 随着表面原子浓度的提高, 逐渐形成γ′ (Fe4N) 相, 渗层组织最表面为ε相 (Fe2-3N) , 向内为ε相+γ′ (Fe4N) 相, 再向内有一层γ′相, γ′相以下为N在α-Fe中的固溶体。气体氮化易形成ε相和γ′相混合的化合物层, 过高的γ′ (Fe4N) 相会导致化合物层变脆, 但ε (Fe2-3N) 相含量过高时, 化合物层硬度又不够高, 通常当γ′ (Fe4N) 相和ε (Fe2-3N) 相比例一定时, 化合物层表面硬度是最高, 性能也是最好的, 一般渗氮层深度在0.50mm~0.75mm之间, 化合物层深度最好在0.010mm~0.025mm。

本次研究对10块随炉试块进行了渗氮层深度及化合物层深度的测量, 通过渗氮层深度及化合物层深度测量数据及金相组织图像可以看出, 化合物层深度均超过0.025mm, 且3#试块的化合物层深度高达0.042mm, 其维氏硬度高达1140HV1, 其维氏硬度测量压痕碎裂比较严重, 脆性级别5级;而8#试样的化合物层深度只有0.026mm, 而维氏硬度是970HV1, 其维氏硬度测量压痕碎裂现象也相对减少, 脆性级别为2级;其中1#、4#、9#试样渗氮层中有大量脉状氮化物, 这些粗大的氮化物会使渗氮层变脆, 这两个原因均使维氏硬度测量压痕碎裂严重。

这样我们就找到了造成渗氮层维氏硬度测量压痕碎裂的原因, 主要就是由于化合物层深度过深及氮化层中存在粗大的脉状氮化物, 这使渗氮层维氏硬度测量压痕碎裂严重, 试样的脆性级别增大, 脆性过大会导致渗氮层表面剥落, 而使渗氮工件报废。渗氮层表面硬度、脆性级别和金相组织是重要的渗氮层性能检验指标, 它们是相互制约的关系, 只有满足合适的表面硬度及较高的脆性级别和合格的金相组织, 才能使渗氮工件起到耐磨和抗腐蚀性作用。

化合物层深度过深及粗大的脉状氮化物均与渗氮的温度、时间、氨分解率及渗氮件表面粗糙度等因素有关, 渗氮工件起到耐磨和抗腐蚀性作用只有选择相应的渗氮的温度、渗氮时间、氨分解率及渗氮件表面粗糙度等渗氮最佳工艺方案, 才可获得最佳的氮化效果, 对38CrMoAl强化渗氮的温度建议应在500℃-550℃范围内, 渗氮时间以能使化合物层致密为宜, 常用氨分解率为15%-40%, 渗氮件处理前表面粗糙度Ra以1.6μm-0.8μm为宜。

4 总结

4.1 通过这次对渗氮层硬度测量的研究找到了维氏硬度测量压痕碎裂的主要原因是化合物层深度过深及氮化层中存在粗大的脉状氮化物。

4.2 通过这次研究也对渗氮层硬度测量总结出一些重要经验, 试样制备对硬度测量结果有较大影响, 应以刚好磨掉化合物外层的疏松而不损伤化合物层为好, 磨得太轻, 化合物外层疏松没有完全去掉, 测得的硬度值偏低, 磨得太重, 化合物层磨掉太多, 也会使测得的硬度偏低;测量时取3个具有代表性的视场量测, 每个视场测5点, 去掉最大值和最小值, 取3点平均值为最终的判定结果;国家标准里对试验力载荷对应深度没有一个具体的标准规定, 渗氮层的硬度用多少试验力载荷来测量要看渗氮层的深度度有多深, 试验力载荷过大使渗氮层击穿, 试验力载荷过小压痕测量不精确, 不确定度分量增大, 在不击穿渗氮层的情况下尽量选择大一些的试验力载荷。

摘要：刚性支撑结构水轮机支撑件表面渗氮处理呈现硬度值不稳定、不均匀、硬度值偏高、表面硬度压痕碎裂严重, 渗氮层脆性等级比较高等现象, 采用对比分析及大批量测试数据统计分析的方法对渗氮工件的渗氮表面硬度、渗氮层深度、渗氮层脆性进行详细研究。

支撑结构设计 篇9

铜箔是目前电子工业不可替代的基础材料, 也是制作PCB、CCL和锂离子电池不可缺少的主要原材料[1]。电解法制造铜箔是目前高端铜箔产品的主要渠道, 而所用设备中的核心部件阳极支撑板形状误差要求高, 其内弧面圆柱度≤0.5mm, 对角线偏差≤1mm, 从而确保其与阳极板间的贴合率, 得到高端铜箔产品。对于阳极支撑板内弧面加工, 先要将其与其他部件焊接, 然后整体加工, 保证高精度的内弧面圆柱度和对角线偏差。但是由于阳极支撑板为钛材料, 而且其特殊的结构形式致使其刚性差, 焊接变形大, 而且变形后校形困难[2,3]。大的焊接变形直接影响与其他部件焊接装配好后的整体加工, 使得形状误差不能达到要求, 从而大大影响了后期铜箔使用性能[4]。

2 工装设计原理

利用工装结构的支撑刚性和与被焊接装配工件的无缝贴合度使得被焊接装配工件强制保持要求的形状误差, 为后面进一步整体加工打下好的基础。

如图1所示, 工装包括碳钢筋板1、槽钢2、固定螺栓

3、调节螺栓4和槽钢端板5。

工装主体由两块碳钢筋板平行布置, 碳钢筋板中间加工有两个倒圆角的三角孔, 用来减重。两个碳钢筋板之间通过10根槽钢连接而成。10根槽钢平行布置, 其中两根布置在筋板的直线段, 用来连接筋板和增大支撑刚性。剩下8根分布在筋板圆弧段, 一边均布4个, 两边对称分布, 8个槽钢形成一个弧面, 用来连接筋板、增加支撑刚性, 更重要的是与阳极支撑板内弧面进行贴合, 防止焊接装配过程中的形变。

1.碳钢筋板2.槽钢3.固定螺栓4.调节螺栓5.槽钢端板

筋板圆弧段上的8根槽钢与筋板通过螺栓连接, 且连接处均有槽钢端板, 槽钢端板上加工有 (如图1中局部放大图Ⅰ) T型孔。而在每根槽钢体上加工一定数量的长条型孔 (如图1中局部放大图Ⅱ) 。

3 设计关键点

(1) 保证足够的强度及和工件的贴合度。根据工作原理, 工装作用之一就是限制工件焊接变形, 所以必须要有足够的强度。工装主体由两块材质为Q235钢厚18mm的碳钢筋板平行布置, 有足够的强度, 筋板之间有10根槽钢连接, 其中8根槽钢平行布置且形成一个弧面, 增加了支撑刚性, 更重要的是与阳极支撑板内弧面进行贴合。

(2) 保证轻便性, 易操作性。碳钢筋板中间加工两个倒圆角的三角孔, 用来减重。而槽钢的使用也是为了减重和保证支撑刚性。

(3) 保证工装和工件之间易于连接调整位置关系。筋板圆弧段上的8根槽钢与筋板通过螺栓连接, 槽钢端板上加工有T型孔, 可以使得工装和工件之间在四个方向上可做调整连接。而在每根槽钢体上加工一定数量的长条型孔, 使得螺栓连接时更加便捷。

4 实施过程

当阳极支撑板 (如图2) 和其他部件进行焊接装配之前, 先将工装调整固定在阳极支撑板上, 完全定型后进行焊接装配操作。定型后如图3所示。具体方式为:首先将工装装至阳极支撑板上, 使得工装上槽钢组成的外圆弧面与阳极支撑板的内圆弧面基本贴合, 然后在T型孔各个方向上调节对应每一个槽钢位置, 使其组成的外圆弧面完全与阳极支撑板内圆弧面贴合紧密, 之后通过槽钢端板和调节螺栓将槽钢位置固定。最后通过槽钢上的长条型孔中的固定螺栓将每一个槽钢和阳极支撑板连接固定, 完成后就将整个工装和阳极支撑板紧密连接, 从而对阳极支撑板整个圆弧面定型。接下来就可以进行其他部件和阳极支撑板的焊接装配, 焊接装配完成后, 待工件冷却, 卸装工装。

5 结语

由于此工装结构简单, 成本低, 易于制造;每一根槽钢可在三个方向上独立调节, 保证了工装与工件的贴合度;与阳极支撑板固定可靠, 连接便利, 所以在本公司推广使用。通过此工装应用, 阳极支撑板形状误差可以达到内弧面圆柱度≤0.5mm, 对角线偏差≤1mm的要求。

此工装解决了工艺过程中出现的问题, 并达到了较为理想的效果。对于机械结构刚性差、需要焊接装配的工件可以考虑采用工装进行焊接装配。此工装设计理念与结构为类似形式的组装工艺提供了参考和借鉴。

参考文献

[1]杨芬, 李文孝.浅谈铜箔设备的发展[J].印制电路信息, 2010 (8) :25-26, 39.

[2]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2002.

[3]陈裕川.焊接工艺评定手册[M].北京:机械工业出版社, 2000.

支撑结构设计 篇10

摘 要：上海闵行区在教育信息化领域勇于探索、不断进取，在数字化学习平台的建设中确定了“为每一个学生提供个性化和无处不在的教育”的核心理念，从学习内容管理系统、学习管理系统、导学本系统、个性化测评系统等方面开展平台建设，利用开源软件和购买成熟软件相结合的方法实现了区域电子书包支撑平台的快速实施。

关键词：电子书包平台；顶层设计；教育信息化

中图分类号：TP311.56 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2014）15-0083-05

一、前言

随着教育信息化的发展，国内掀起了进行电子书包相关研究与实践的第二次热潮。在研究层面，以华东师范大学工程中心为代表的学者从电子课本和电子书包技术标准体系的制定入手，对电子书包的相关理论进行了深入的研究。祝智庭教授对电子书包的相关基础理论进行了阐述，并对本次电子书包热潮后的特点进行了分析。他们认为，电子书包系统主要包括学习内容、学习终端、学习工具和学习平台四大部分。[1]这四部分互相关联，共同组成一个有机整体，形成一个互相联系彼此共生的教育生态。此外，他们还在研究了国内外相关案例的基础上，提出了“媒体——功能”二维建构及拓展集成和“核心、可选、扩展”三级配置与功能关联的电子书包系统的功能建模的总体架构。[2]在实践层面，以闵行区为代表的区域基础教育工作者首先开始了电子书包整体解决方案的区域实践探索，从顶层设计、模型构建和区域服务和实践体系的构建等角度入手，搭建了区域服务平台，构建了区域电子书包整体服务生态体系。本文基于闵行区电子书包服务平台构建的实践，从区域平台的功能建模入手，详细阐述了闵行区电子书包平台的建设历程。

二、平台规划

在平台规划中，不能脱离电子书包各个有机组成部分，孤立的、单独的规划平台，应该在大的环境下，在学习内容、学习终端、学习工具和学习平台构成的生态体系中通盘考虑，顶层设计。在规划阶段需要清晰了解学习平台所面临的问题，明确平台定位，从而确定开发策略。

1.规划所面临的问题

（1）目标问题

传统教育存在诸多弊病，诸如教育资源分配不均衡、教学方式单一、过多采用“灌输式”教学、忽视学生的综合发展、评价方式单一等等问题。教育系统已经在努力改变现状，如上海市的“二期课改”已经经历了十五年，课改成果辉煌。在信息技术应用领域，也已经经历了信息技术与学科整合、信息技术与学科体系全面整合等阶段，目前正在进入信息技术与学科融合阶段。在这样的大背景下，有些地区走入了目标制定的误区，盲目地将电子书包作为解决一切教育弊病的良药，从而制约了电子书包本身的发展。

电子书包项目应该在现阶段教育大背景下，满足现有教育业务需求的基础上，逐步、适度地向前发展，从而避免与现有教育业务脱节。

现代信息技术具有即时、互动、共享、富媒体等特点，闵行区在充分调研现状，在信息技术特点指导下确立了“为每一个学生提供个性化和无处不在的教育”的总目标。[3]在总目标的指导下，除了满足学习支持的必备功能外，还需要实现对移动学习和个性化学习的支持。

（2）“灵魂”问题

信息化平台的建设离不开先进教育思想的指导，即信息化平台离不开“灵魂”。闵行区已经经历较长时间的数字化学习探索，在数字化学习环境中探索了“前移、后续、合作互动、自适应评价”的指导思想，充分体现了以学生为中心，以及混合学习和泛在学习的理念，而且融入了“颠倒课堂”的核心思想。闵行区所探索的“灵魂”，充分体现了与新技术相匹配的新的教育教学法。

（3）设计策略

平台的建设历来是互联网中最核心的部分，各大互联网公司都在将平台建设作为公司优先发展的策略。电子书包平台作为区域数字化学习的支撑系统，涉及到教与学的方方面面，建设过程必定充满了艰辛，建设过程也不是一蹴而就的，需要在科学的策略指导下，迭代建设，螺旋推进。

1）顶层设计，科学决策。在电子书包各要素组成的生态体系中通盘考虑，长远规划，按照科学性、先进性的要求进行科学决策。

2）需求导向，务实服务。以闵行区中小学教育发展需求为出发点，充分调研现状，优化现有教学模式，切实满足广大师生教与学的需求。

3）合理定位，统筹兼顾。对区、校、人三级平台进行准确定位，区级层面自上而下推进，学校层面自下而上实施，形成自主研究，共建共享的机制。鼓励各实验学校自主研究，形成特色；通过交流、研讨、展示等方式推动资源共建，实现智慧共享。

4）整体推进，分步实施。整体规划，全面协调，按照“核心、可选、扩展”，对功能进行分类，确定优先建设核心功能的策略。

三、平台设计[3]

闵行区电子书包支撑平台主要包含硬件层、数据层、支撑平台层、应用层、接入层和用户层。其中支撑平台和应用是闵行区电子书包支撑平台的核心部分。其系统架构如图1所示。

系统架构的底层是基础硬件支撑层，主要通过虚拟化实现硬件资源的虚拟化、池化，实现网络、计算、存储资源的自动化管理，提高硬件使用率，提高硬件运行效率，减少运维管理的复杂度。

数据层，实现基础数据的统一管理、存储，从而减少数据冗余，提高数据的读取效率。

支撑平台包含基础支撑平台、基础资源管理平台和基础资源之上的应用平台。主要包括：身份认证中心、统一门户构建、学习管理系统（LMS）、学习内容管理系统（基础资源管理平台，LCMS）、个性化测评系统、导学本系统。此外还预留了其他系统的接口，作为系统扩展的通道，使得整个平台预留了可选方案。

1.身份认证中心

身份认证中心承担为全区所有参与实验中小学教师和学生提供统一的身份管理、权限管理、统一审计和身份认证服务。

（1）统一身份管理、权限管理：将全区40所（以后会增加到覆盖全区）实验学校的用户信息集中管理；统一用户权限管理，用户可以简便快捷地访问数字化学习平台和资源。endprint

（2）统一审计和认证服务管理：采用单点登录技术，实现用户访问信息门户及各个平台的统一认证；用户只需要认证一次，可以访问数字化学习平台所有子平台。此外还预留统一认证接口，采用符合标准的接口技术，实现系统统一登录的可扩展性。

2.统一门户构建

统一门户系统是数字化学习平台对外发布信息的窗口，实现实验项目信息公开的主阵地，此外还具备实验项目管理，实验教师管理功能，是实验项目教师协同作业的有效沟通桥梁。其首页如图2所示。实现区、学校、班级、个人的各级门户系统。主要包括：新闻系统、项目动态功能、通知系统、项目报表系统、个性化内容推送功能、门户系统。

（1）新闻系统。支持项目新闻的发布，支持项目新闻的分类，支持校级新闻的发布与管理，支持校级新闻的汇聚。

（2）项目动态功能。支持其他各个平台的信息调用，包括学校项目动态、学校公开课等。可调用教师创建课程数量，教师公开课信息，学校学生总体表现报表和教师报表等。

（3）通知系统。通知系统可以实现区、校、教师、学生之间的信息互动，有效提高信息传递的效率。

（4）项目报表系统。可以实现项目班级数、课程数、教师数、学生数、重大活动、公开课开展等情况的区级报表。

（5）个性化内容推送。面向学生、教师、管理人员等的个性化内容推送功能。

（6）门户系统。门户系统将以上各功能和在各个子系统的数据进行汇聚并集中展示。

3.学习管理系统（LMS）

学习管理系统是闵行区电子书包项目的核心平台，是直接面向教师和学生的服务平台。在本项目中学习管理系统将采取利用Moodle进行二次开发的方式，二次开发主要包括以下内容：

（1）课表功能。学校课堂教学活动都以课程表为中心，课程表是课堂教学活动的秩序手册，是教师和学生共同遵循的日程安排，具体功能如图3所示。

在课表中，点击学科进入相应的课程页面。此外在课堂教学时，根据课表自动呈现当前课程内容。支持教务管理功能，能够实现课表的导入。

（2）课堂管理。实现班级学生的分组，学生课堂表现记录等功能。

（3）课程内容管理。实现课程内容的添加、删除、修改、发布等功能。

4.学习内容管理系统（基础资源管理平台，LCMS）

建立电子课本、数字资源的区域及学校统一内容管理系统，实现内容的统一建设、上传、管理、分发、审核等各项功能。学习内容管理系统包括以下几部分：基础资源管理（基础资源、电子教材（电子课本）、题库）；资源检索系统；积分系统；资源调用模块。

学习内容管理系统分为两层：基础资源管理层和学习内容应用管理层，如图4所示。基础资源管理层，提供区域资源共享，实现对区域优质资源、标准资源的管理、维护、展示、发布与推送，构建区域、学校的资源共享机制；学习内容应用管理层，则按照数字化学习模式，对资源进行排列组合，结合相应的数字化学习活动要素，如讨论区、聊天室、程序学习、测验、作业等，行成新的学习资源聚合体。在闵行区数字化学习平台中主要采用Moodle课程、导学本和个性化测评三种应用模式。

5.个性化测评系统

（1）测试系统。支持题库的管理，支持题库和资源管理平台的无缝接入。可以实现整套试卷的批量导入，支持纸质试卷的批量导入，并支持纸质试卷的批量入库。支持在线解答演算题、作文等形式试题，支持在线手动批阅该题型。支持智能组卷（按题型、难度、知识点、错题集，智能批量组卷），支持将试卷分发给不同学生，支持学生的分班、分组；支持程序教学功能，实现学生个性化学习；支持错题集功能，实现学生个性化错题集，班级错题集，学科错题集，并能支持基于错题集的自动组卷；支持基于知识点的补救功能，并将该功能和测验功能结合，实现错题知识点的自动识别，并实现自动补救。支持与学习内容管理系统的无缝连接，实现相关资源的无缝调用。支持对试卷的集中分析，实现试卷的各项分析，如错误率、分数段统计、试卷难度统计等。支持区域分数的统计、学校分数的统计、班级分数的统计。

（2）个性化评价系统，如图3所示。累积学生自主学习、合作学习、探究学习的数据，并对学生的学习情况进行分析、反馈。为“以需求为导向，以解决问题为主线”的课程与教学的新实践模型提供技术支撑。支持个人学习风格测定、学习历程评定、个人学习诊断，实现教师教学决策功能，辅助教师了解学生学习状况。并根据相关结果提供智能学习路径（需要和Moodle课程及导学本系统相结合）。实现体质健康检测指标的录入、管理、呈现，实现绿色学业质量标准的测定，实现相关数据的自动抓取、管理、呈现。

（3）平台应实现和现有学业质量分析系统、网上阅卷系统的接入。实现相关数据的共享和统一调用、呈现。

（4）自主学习系统。支持基于学习行为分析的自主学习，个性化学习计划的制定。

6.导学本系统

导学本是指依据学科课程标准、教学基本要求，以国家审定通过的中小学课本为蓝本编制的指导学生开展自主、合作、探究性学习的文本，如图6所示。它是闵行区独创的数字化学习应用系统。

和传统教材相比较，导学本的学习主体是学生，是写给学生的书；和一般“导学案”相比较，导学本超越“一课一导”“一课一练”，具有系统性、整体性。根据学业标准对“教材”进行整体梳理，并依托导学本指导学生自主、合作、探究学习。

电子书包中的导学本，是一种多种媒体组合而成非纸质的电子书。它以科学直观的视、音、图、文等实现教学内容的数字化、交互功能的智能化，多角度、多维度地呈现教学内容，方便学生理解和掌握知识、技能，并及时地和同学、教学展开互动。多媒体阅读、教学性交互是其最重要的功能特征。为支持学生学习，在内容上将学习需要的教材、教辅、工具书等按照科学的结构整合而成的综合的学习资源包；在时空上既可以在学校课堂进行在线在场的学习，也可根据学生需要的离线学习。endprint

四、平台实施

目前比较流行的平台开发方法为自主开发和购买成熟软件两种。自主开发周期长，而且存在较大的质量风险。购买成熟软件实施周期短，软件质量有保障，但是存在功能不能完全符合需求、操作习惯不适应等问题。闵行区在项目周期短，工作任务重的情况下，选择自主开发、购买成熟软件和借助开源软件相结合的实施方案，保证了项目进度，最大限度地满足了数字化学习需求。

在对现有软件进行了大量考察后，一批优秀的开源软件被发现。如可以用作门户系统的Liferay，著名的开源单点登录系统CAS，优秀的学习管理系统Moodle，这些系统都可以直接满足区域电子书包支撑平台的功能需求。对于学习内容管理系统、个性化测评系统则采用购买成熟软件方式建设。对于导学本系统，由于是闵行区首创，没有成熟软件可供选择，因此采用自主开发的模式建设。

确定软件开发方向后，首先遇到的问题是所选择软件整合与集成问题。由于平台各部分模块之间耦合度较低，都存在不同的应用场景，因此选取了整合度较低的策略。在基础数据管理方面，使用数据同步模式实现基础数据的一致；在门户系统开设专门的基础数据管理入口，进行用户、组织的添加、删除、修改和批量操作。在操作完成后生成XML日志文件，各子系统定时读取日志执行门户相同的操作。

第二个问题是各子系统与门户之间的通信问题。Liferay具有优秀的整合能力，可以通过WebService的方式与异构系统进行通信，而且可以将子系统的主要功能制作成插件接入Liferay，从而创造一致性体验，实现系统间的整合。

第三个问题就是导航问题，由于子系统自成体系，很容易造成使用者迷航，为了防止迷航的发生，在各个子系统的相同位置都添加了统一导航，使用者可以在统一导航的指引下链接到任意子系统，从而避免迷航。

五、后记

闵行区已经建成了统一认证中心、统一门户、学习内容管理系统、学习管理系统、导学本系统、个性化测评系统。闵行区电子书包支撑平台建设已经克服了种种困难，有了突破性进展，但“路漫漫其修远兮”，我们对数字化学习的了解才刚刚开始。除了不断地解决在建设中发现的问题，在未来将从以下方面继续深化平台功能。[4]

1.大数据分析

闵行区数字化学习平台自建成以来已经运行一年有余，闵行区四十所实验学校4000名师生的使用行为数据有了丰富的积累，如何深入挖掘这些大数据，从而为闵行区师生所用是闵行区电子书包项目组下一个攻关的难点。

2.个性化内容推送

数字化学习平台的实时反馈、资源共享、个性化等特性，使得学习的针对性更强，闵行区数字化学习虽然已初步完成基于题库的个性化测评，但是距离全部学习行为的个性化还有很长的一段距离，在未来闵行区数字化学习平台将实现学习行为的统一记录、分析，学习内容的个性化推送，基于个人学习记录的个性化学习辅导等功能。

3.开放的学习环境

以区域教育行政推动的数字化学习项目，带有浓厚的行政组织架构背景，已建成的数字化学习还是在现有的学校、班级的组织形式下管理维护。在未来，闵行区数字化学习平台将跳出传统组织架构的束缚，真正地以信息流为导向，建立开放、共享、自适应的数字化学习支撑系统。

4.优秀的碎片化学习资源，支持泛在学习

整个社会、生活都步入了快节奏时代，无处不在的电子设备充斥于我们周围，造成了一个碎片化的时间环境，人们的注意力不时被光怪陆离的电子设备所吸引，如何在碎片化的时间环境下实现有效学习呢？项目组认为与碎片化时间相对应的碎片化的学习资源可以解决该问题，今后项目组将致力于建设系列化的、覆盖全部教学大纲知识点的、碎片化的优秀学习资源。

5.在线学习与离线学习相辅相成

目前闵行区数字化学习平台仅支持在线学习，在今后将实现离线学习，以解决网络不稳定或者无网络的环境下的学习问题。

6.准确的区校两级平台定位

在今后的平台建设中，将准确划分区级平台和校级平台的边界，对两者功能进行细分，充分调动学校平台建设的积极性。

参考文献：

[1]吴永和，祝智庭，何超.电子课本与电子书包技术标准体系框架的研究[J].华东师范大学学报（自然科学版），2012，3（2）：74.

[2]祝智庭，郁晓华.电子书包系统及其功能建模[J].电化教育研究，2011（4）.

[3]闵行区电子书包项目组.闵行区电子书包项目建设方案[DB/OL].

[4]朱林辉，刘太如.雄关漫道真如铁，而今迈步从头越——闵行区数字化学习平台建设漫谈[DB/OL].中国多媒体与网络教学学报，2014，2（1）.

空间反射式闪耀光栅支撑结构设计 篇11

某星载温室气体探测仪的主要任务目标是采用光学遥感技术手段, 利用大气气体分子吸收池原理, 精确测量CO2等温室气体的吸收光谱来精确反演大气CO2含量。其中大平面反射式闪耀光栅是该设备的核心部件, 是实现0.04nm超高光谱分辨率光谱测量的关键。

本文针对大平面反射式闪耀光栅的光学设计参数及探测仪总体技术指标要求, 进行了光栅支撑结构的设计。工程分析结果表明:光栅支撑结构设计是合理的, 能够满足工程研制任务要求。

2 光栅设计及其技术指标要求

2.1 光栅外形尺寸

该平面反射式闪耀光栅形状类似于跑道, 其长边、短边尺寸分别为175mm、142mm, 如图1所示。

2.2 光栅技术指标要求

a) 面形精度

光栅由于装调、空间1g重力释放、5℃环境温度变化等外界耦合作用引起的刻划表面波前变化 (PV值) 不大于λ/4, λ为632.8nm;

b) 刚度

光栅组件一阶基频不小于300Hz;

c) 重量

光栅组件重量不大于2.1Kg。

此外, 由于探测仪的杂散光技术指标要求很高, 这就严格禁止光栅刻划表面遭受划伤、腐蚀以及尘埃污染等, 要求光栅在组件级装调、测试过程中必须具有防护措施。

3 光栅结构及其支撑结构设计

3.1 光栅材料选择

平面反射式光栅常用的基体材料有石英玻璃、铝合金、碳化硅 (Si C) 等。由于光栅采用离子束刻蚀工艺制作, 该种工艺对光栅基体材料的导电性及基体外形、厚度等有要求, 因此综合考虑之后, 光栅基体材料选用碳化硅, 主要原因是碳化硅属于半导体材料, 通电之后, 在光栅基体表面易形成等电势, 能够保证光栅刻划的均匀性, 另外碳化硅材料还有热膨胀系数小、比刚度高等优良特性。

3.2 光栅结构及其支撑结构设计

对于平面反射式闪耀光栅, 常用的结构支撑方式有背部中心支撑[1]以及周边支撑[2]两种形式, 光栅的外形尺寸为175mm×142mm, 两种支撑方式都能满足光栅刻划表面面形精度、光栅组件重量、光栅组件基频等指标要求, 但考虑到大平面闪耀光栅的刻划工艺以及严格的防护需求, 最终决定采用周边三点固定方式支撑[3], 光栅卧在安装座中, 这样可以通过设计一块防护板, 保证光栅在组件级装调、测试过程中随时能够处于密闭、受保护的环境中, 避免了尘埃污染, 光栅详细支撑结构设计、光栅基体结构设计以及光栅安装座结构设计分别如图2、图3、图4、图5所示。

光栅基体的三个共面凹台A、B、C分别和光栅安装座的三个共面凸台A、B、C配合接触, 再通过光栅压板靠紧光栅背部限制光栅沿X轴平移以及绕Y轴、绕Z轴旋转;光栅基体的两个侧壁I、II分别和光栅安装座的两个凸台I、II配合接触, 再通过光栅顶板靠紧光栅侧壁III限制光栅沿Y轴、Z轴平移以及绕X轴旋转。光栅安装座侧壁设计有注胶孔, 通过注胶孔注入硅橡胶对光栅进行辅助支撑, 在振动环境中, 胶层起到缓冲、吸振作用。

为了节省重量、提高组件刚度, 光栅背部、光栅安装座设计了矩形轻量化孔。

3.3 消热设计

消热设计的目的是为了抑制由于温度变化导致的光栅支撑结构的变形对光栅结构的扭曲作用。光栅基体材料为碳化硅 (Si C) , 光栅安装座材料选择了殷钢 (4J32) , 原因是殷钢的热膨胀系数可调, 能够与碳化硅材料的热膨胀系数基本匹配。但由于两种材料的热膨胀系数不一定能做到完全匹配, 因此需要通过合理设计零件间的配合尺寸来弥补两种材料的热膨胀系数匹配残差, 沿光栅刻划表面法线方向 (X向) 的消热设计原理如图6所示。

碳化硅、钛合金材料的热膨胀系数分别为2.39E-6/℃、8.9E-6/℃, 订制的殷钢材料热膨胀系数为2.61E-6/℃, 假设温度变化Δt℃, 则按照图6所示的零件布局及相关尺寸, 只要h能满足等式 (1) , 则既能保证光栅压板和光栅之间保持接触状态, 却又无接触应力, 即实现了消热设计。

经过计算, 满足等式 (1) 的h值为0.525mm, 沿光栅刻划表面面内 (Y向和Z向) 的消热设计采用同样原理。

4 工程分析

分析了光栅组件的固有模态以及空间1g重力释放与5℃环境温度变化耦合作用下光栅刻划表面的面形变化情况, 并根据分析结果对光栅本体结构及其支撑机构进行了优化设计。

4.1 有限元模型

采用Patran软件建立了光栅组件的有限元分析模型, 绝大部分网格单元采用六面体单元, 光栅组件的有限元模型如图7所示。

4.2 热、力耦合分析

分别分析计算了光栅组件在X、Y、Z三个方向1g重力释放与±5℃环境温度变化耦合作用下光栅刻划表面面形精度变化情况, 并根据计算结果进行了迭代优化设计, 最终分析计算结果如表1所示。

从表1可以看出, 在Y向1g重力与+5℃温升耦合作用下光栅面形变化相对较大, 但仍满足指标要求, 该工况光栅刻划表面的变形云图如图8所示。

4.3模态分析

采用Nastran软件分析了光栅组件的固有模态[4], 光栅组件首阶固有模态频率为1223Hz, 首阶模态振形如图9所示。

4.4 工程分析结论

从有限元分析结果可以看出, 光栅组件的模态频率足够高, 不会与探测仪主体结构发生振动耦合;消热设计能够消除光栅支撑结构的变形对光栅结构的扭曲作用。

5 结束语

本文针对某星载温室气体探测仪光栅元件的光学设计及其技术指标要求, 进行了光栅支撑结构的设计。工程分析结果表明:光栅的支撑结构设计是合理的, 能够满足仪器对光栅及其支撑结构的静态刚度、动态刚度、热稳定性、重量等要求, 消热设计能够有效抑制光栅支撑结构的变形对光栅结构的扭曲作用, 目前该种光栅支撑技术已经在航天工程项目中得到实际应用。

摘要：本文基于有限元分析方法, 采用适合中、小型光学元件的周边支撑结构形式, 进行了某星载温室气体探测仪大平面反射式闪耀光栅支撑结构的设计。通过对光栅组件进行有限元建模, 以及固有模态、静力学、动力学、光机热集成分析, 优化了支撑结构设计, 使得光栅组件基频>300Hz, 在±5℃均匀温度变化和1g重力耦合作用下, 光栅刻划表面波前面形精度仍符合光学设计要求。最终工程分析结果表明:大平面反射式闪耀光栅的支撑结构设计是合理的, 光栅组件固有一阶频率高, 抗重力变形能力、抗震性能均能满足仪器总体设计指标要求, 通过选用不同热膨胀系数的结构材料及合理设计零件配合尺寸等消热设计手段有效抑制了光栅支撑结构的变形对光栅结构的扭曲作用。

关键词：反射式闪耀光栅,支撑结构设计,消热设计,有限元分析

参考文献

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