支架设计

支架设计（精选12篇）

支架设计 篇1

下面结合设计过程谈一谈工艺设计的几个主要环节。

1 工艺分析

进行工艺设计首先要作好工艺分析, 所谓工艺分析就是根据设计部门提出的产品的规格、质量、公差等参数, 确定该产品加工的技术要求。如图1所示的零件为支架-连接管 (1203073-317) , 它的材料为汽车大梁用热轧钢板 (16Mn L) 厚度6.0它是连接发动机与排气管的重要部件, 由于它所连接的两个件刚性都非常大, 且支架本身刚性也很大, 这就要求装配时零件尺寸要求很精, 并且该零件空间尺寸有位置度要求, 这就增加了该零件的制造难度。

2 确定工艺方案

通过对产品图的详细研究, 作为工艺设计人员要熟知本单位的设备、人员技术素质、模夹具制造能力等基本状况, 还要兼顾材料、能源、工时等成本原因, 也要涉及组织生产方便、操作安全等问题, 制定切实可行的方案, 为此我们考虑如下的最佳方案。

方案:将零件分成两次冲孔 (先冲3-准9孔后冲2-准11孔)

工序流程图:

方案分析:该方案的优点是能很好保证图纸要求的孔的位置度要求。缺点是增加了工装数量即增加了工序, 增加了操作人员和多耗费能源等, 使成本增加。同时我们还要考虑此方案的时候, 有两道压弯工序, 如果先压第1处弯 (如图2) , 后压第2处弯, 那在所需模具的闭合高度就要比先压第2处后压第1处大, 并且制造成本也要略高。为了很好满足工艺要求, 保证产品质量, 并降低制造成本, 确定采用先压第2处后压第1处这个工艺方案。

3 实施工艺设计

为了合理利用现有设备, 保证产品质量, 使每一阶段都处于最佳监控状态最终产出合格品, 需进行以下计算:

各序设备的确定:

(1) 料冲孔工序 (工序一) 计算和设备的确定:

P-总冲裁力 (Kg) ;P1-任意外形的冲裁力 (Kg) ;L-周长 (mm) ;S-料厚 (mm) ;бb-抗拉强度 (Kg/mm2) ;P2-圆形的冲裁力 (Kg) ;d-直径 (mm)

∵L=1130S=6бb=62d=9 (3个孔)

即P=P1+3P2=420.36+31.53816=451.89816吨

根据设备负荷情况, 落料凹模采用波浪刃口, 冲裁力最小减少总冲裁力的40%, 故落料冲孔工序采用400吨冲床较为合适。最后经过精确计算, 画出零件展开图。 (如图3)

(2) 弯工序 (工序二) 计算和设备的确定:

最大压弯力P1=BS2бb÷ (R+S) 矫正力P2=Fg

P-总压弯力 (Kg) ;B-料宽 (mm) ;S-料厚 (mm) ;бb-抗拉强度 (Kg/mm2) ;R-内压弯半径 (mm) ;F-凸模矫正面积 (mm2) ;g-矫正单位压力 (Kg/mm2)

∵第2序压弯B=101.8 S=6бb=62 F=13466 g=4 R=7

经过计算P=71.342吨, 可采用160吨冲床, 但由于受冲床台面限制, 最终还是选用250吨冲床。 (如图4)

(3) 压弯工序 (工序三) 计算和设备的确定:

∵第3序压弯B=204.9 S=6бb=62 F=14892 g=4 R=7

经过计算P=94.747吨, 可采用160吨压床, 但由于受冲床台面限制, 最终还是选用250吨冲床。 (如图5)

(4) 孔工序 (工序四) 计算和设备的确定:

利用第一序公式∵S=6бb=62d=11 (2个孔)

经过计算, 冲孔力不大, 但是限于模具闭合高度以及现有冲床的负荷, 最终选用400吨冲床。

在布置材料时, 用6×1500×4000规格钢板剪切成395宽的条料, 经考虑如果零件直排列每条出6件, 如果零件交错排列每条出8件, 所以比较一下还是采用斜向交错排列每条就会多出2件, 有利于材料充分利用使材料消耗定额降低使零件成本降低。 (如图6)

4 工艺结论

经模具调试、验证了冲压工艺的合理性;通过零件在主机厂的试装, 与其他零件配合良好, 完全满足图纸和装车的需要, 这也充分验证了本次冲压工艺编排的合理性。

参考文献

[1]模具设计手册[Z].

[2]模具标准手册[Z].

[3]公差与配合标准[S].

支架设计 篇2

教学过程设计： 1.搭脚手架~ 围绕《三角形的面积》这个主题，按“最近发展区”的要求建立概念框架，提出如下问题:①三角形的面积与平行四边形的面积有什么关系?②两者之间有关系的条件是什么?③三角形的面积怎样计算，有公式吗?④三角形的面积公式是怎样产生的? 2.进入情境

脚手架搭成以后，把静止的平面教案变成立体的课堂活动，教师在电脑上演示:每个小方格为边长1厘米的正方形，沿对角线截去一半后，得到的三角形的面积是多少? 3.独立探索

进入问题情境之后，就让学生独立探索。在活动设计时，教师估计到学生有可能遇到的障碍，恰当地设计了三个直观支架: 支架1:让学生动手用两个全等的直角三角形拼成一个图形(可能为长方形、平行四边形、三角形)。

支架2:用两个全等的锐角三角形，运用旋转、平移的方法，拼成平行四边形。支架3:用两个全等的钝角三角形旋转、平移，拼成平行四边形。让学生观察三角形与拼出的平行四边形，它们之间有怎样的关系: 4.协作学习

独立探索结束时，教师组织小组协商，讨论;师生共同得到:(l)三角形与拼成的平行四边形有以下的关系: 三角形与平行四边形的底相等，高相等;三角形的面积是拼成的平行四边形面积的一半。

(2)三角形面积与平行四边形有关系的先决条件是：三角形与平行四边形等底等高;三角形的面积是等底等高平行四边形面积的一半。即:平行四边形面积=底x高;三角形面积=底x高+2 5效果评价

教师给出以下的几个问题: ①判断:下面三个三角形的面积都是“3×5÷2=6(平方厘米)”，对吗?为什么?

在下面的三个完全一样的平行四边形中，最大的三角形面积相等吗?

②讨论出结论:等底等高的三角形面积相等，形状不一定相同。

太阳能光伏阵列支架基础设计 篇3

中国核工业二三建设有限公司华东分公司

摘要：随着新能源的不断发展，太阳能光伏发电应用范围越来越广泛，结合光伏支架上部荷载小、基础数量多的特点，论述光伏支架的基础形式，合理的基础方案可以取得最优技术经济性。利用预制薄壁构件做基础，采用新的基础形式，打破传统的基础设计理念，达到基础工程量最小，可以大幅度降低工程造价，取得良好的经济效益。

关键词：太阳能 支架基础 基础选型 光伏

引言

根据《建筑地基技术处理规范》、《建筑地基基础设计规范》、《建筑抗震设计规范》的要求，论述光伏支架的基础形式。

太阳能光伏产业在现在和将来的能源利用中，将起到主要的作用。目前，各个国家对太阳能光伏电池的需求正在不断增加。太阳能光伏产业的原料来源于大地上的硅。对我们来说，几乎是取之不尽用之不竭的，在未来将会有重要的发展前景。太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可靠；除大规模并网发电和离网应用外，太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池、制氢等多种方式储存，太阳能+蓄能几乎可以满足世界未来稳定的能源需求。

与此同时，我们将会考虑到施工和造价的问题。在太阳能发电应用中光伏发电工程支架基础工程量在整个工程造价中占较大比重，基础选型直接影响工

程投资、施工组织和施工工期。在满足规范要求的前提下，支架基础优化方案成为光伏工程土建部分的重点课题。

某工程为山地项目，站址属山麓斜坡堆积地貌，站址区内沟壑发育，地形起伏较大，地层主要由黄土状粉土、碎石等组成，靠近山体的地势较高地段有基岩零星分布。根据现阶段地质资料，支架基础方案推荐采用以下五种：现浇独立基础；预制条形基础；微型钢筋混凝土灌注桩基础；钢制地锚桩基础；预成孔地锚桩基础。

第一种为现浇混凝土独立基础，该方案是采用传统现浇混凝土基础，根据计算结果，取混凝土强度等级为C30，基础底板尺寸0.6x0.6m，主柱截面为0.2x0.2m，基础埋深1.0m，主柱高出地面0.3m。主柱纵向受力钢筋为4根Ф12钢筋，箍筋为Ф6@200mm，沿主筋均匀分布，钢筋保护层厚度35mm。主柱顶部预埋螺栓与光伏阵列支架支腿连接，满足安全及强度要求。1MWp的基础需混凝土233m3 ，钢筋12.5t，1MWp工程造价约为1287万。独立混凝土基础作为传统现浇混凝土基础方案，具有施工工艺简单，适于各种地质条件的优点，但独立基础要开挖和回填，需要对现浇混凝土支模养护，用水量很大，施工周期长，施工人员多，施工费用高，且不利于周围植被的保护，对环境影响较大。。

第二种为预制条形基础：2.6mx0.4mx0.7m（长x宽x高），基础底标高为-0.40m（相对标高），高出厂区地坪0.30m，混凝土强度等级C30。基础全长范围内钢筋要求为：主筋为4根Ф12钢筋，箍筋为Ф6@250mm，沿主筋均匀分布，钢筋保护层厚度35mm。基础顶预留螺栓。光伏阵列支架柱与基础顶预留埋件采用螺栓连接，连接必须满足安全、不均匀沉降要求。施工采用机械或人工开挖，之后将预制基础就位，最后采用原状土回填。1MWp的土石方开挖3687m3，土石方回填3134m3，基础混凝土245.5m3，钢筋17.4 t ，垫层：

121m3，1MWp工程造价约为1617万元。预制条形基础具有防止不均匀沉降、适应较差地质条件的优点，但条形基础也需要开挖和回填，不利于周围植被的保护，对环境影响较大，且施工周期较长，施工费用高。

第三种为微型钢筋混凝土灌注桩基础，基础采用微型钢筋混凝土钻孔灌注桩，根据计算结果，取桩径300mm，前桩桩长1.6m，埋深1.3m；后桩桩长1.8m，埋深1.5m。混凝土强度等级C30。桩身全长范围内钢筋笼要求为：主筋为5根Ф10 钢筋，箍筋为Ф6@100/200mm，沿主筋均匀分布，钢筋保护层厚度50mm。1MWp的土石方开挖4424m3，土石方回填3760m3，基础混凝土218.8m3，钢筋13.5 t ，垫层104m34，1MWp工程造价约为8.41x33=1597.5万。基础桩顶应居中预埋地脚螺栓。光伏阵列支架立柱与基础采用螺栓连接，连接必须满足安全及强度要求。微型钢筋混凝土灌注桩采用微型机械成孔设备，施工速度较快，没有土方开挖及回填，工程造价低，工期较长。

第四种为钢制地锚桩基础，基础采用钢制地锚桩，根据计算结果，取钢管直径为0.076m，桩长1.8m，入土深度1.6m，1472根/方阵。1MWp工程造价约为1320万。对钢制地锚桩桩径及桩长进行设计验算，以保证其能满足竖向承载能力，水平承载能力、抗拔承载能力以及抗倾覆承载力的要求；采取可靠连接措施以保证钢制地锚桩与上部支架系统安全连接；采取相应防腐措施保证钢质地锚的使用寿命达到抗腐蚀要求。钢制地锚桩具有施工速度快，环保和节约施工及运输成本的优点，虽然钢制地锚桩造价相对较高，但可大大缩短施工工期，并且不存在塌孔的问题。

第五种为预成孔地锚桩基础，预成孔地锚桩适用于坚硬土层，如卵石层和岩石层。根据计算结果，预成孔地锚桩成孔直径仅需150mm左右，桩长1.8m，入土深度1.6m，其中0.6m采用直径为0.076m钢管，钢管以下部分采用焊接钢筋锚固。1MWp工程造价为1320万。成孔机械为专业的钻岩机，施工技

术简便、成熟。对地锚桩桩径及桩长进行设计验算，以保证其能满足承载能力的要求；采取可靠连接措施以保证地锚桩与上部支架系统安全连接；采取相应防腐措施保证钢质地锚的使用寿命达到抗腐蚀要求。地锚桩具有施工速度快，环保和节约施工成本的优点，且对地质条件要求较低。

光伏支架基础方案确定，通过对五种基础形式技术及经济对比，钢制地锚桩与预成孔地锚桩基础方案虽然造价相对较高，但施工快，工期短，可以减小地基土湿陷性的影响，水土保持好，且针对坚硬土的地质情况，有其独特的优越性，同时结合现阶段工程地质情况，拟采用预成孔地锚桩基础。待下阶段根据区域地质情况及总平面布置对基础形式做进一步优化。

参考文献

【GB 50007-2011】 中国建筑工业出版社 《建筑地基基础设计规范》

2012-08-01 333页

【GB 50011-2010】 中国建筑工业出版社 《建筑抗震设计规范》 2010-12-01 483页

【JGJ 79-2012】 中国建筑工业出版社 《建筑地基技术处理规范》

支架注塑模具设计 篇4

1.1 功能分析

支架是某电器公司的产品, 用在Φ95 mm的穿线管道中, 起到支撑并对若干条电线进行分组的作用。

1.2 注塑材料分析

根据支架的应用场合, 选用阻燃的PVC材料。

1.3 结构分析及设计

通过产品功能的分析, 把支架设计成圆形, 完成对电线分八组的目的, 考虑到PVC塑料的流动性、产品的结构和产品的强度, 壁厚定为3 mm, 结构见图1。

2 模具结构的设计

2.1 模具的排位

产品的产量, 属于中批量生产;

单个产品为36 g, 厂家注塑机的量程为120 g;

产品的外形Φ95 mm, 厂家注塑机允许安装模具的尺寸为470 mm×470 mm× (180~520) mm。

按照模具结构尽量紧凑的原则, 综合以上三点, 把模具定为一模两腔, 模板的外形定为300 mm×200 mm, 模具的动、定模板用P20, 模架部分用45#钢, 结构见图2。

2.2 分型面的选择

根据产品的造型, 产品总高20 mm, 侧壁厚3 mm, 如果选择在顶面或者底面, 模具型腔宽3 mm、深20 mm的沟槽, 给加工带来了很大的难度, 会增加模具的制造成本, 延长产品的生产周期。如果分型面选在产品的中间大面上, 由于产品两侧为对称结构, 产品滞留在动、定模是一个不确定因素。最终, 分型面选在了产品的中间平面, 原因有二: (1) 产品在管道内部使用, 外观要求不严格; (2) 通过控制产品两面的脱模斜度, 可以改变对称结构双方包紧力的大小, 甚至可以在动模型芯侧打一些很浅的凹坑, 来保证支架留在动模侧, 以顺利实现脱模机构的顶出, 结构见图1。

2.3 脱模机构的设计

脱模结构用常规的顶针顶出, 由于动模侧脱模斜度小, 并加上一些倒钩的结构, 所以顶针的直径应该尽量大, 顶针的数量应该尽可能的多, 按照顶出平衡、受力均匀的原则, 最终顶针直径8 mm/个, 圆形对称分布。包紧力大, 顶出力就大, 所以顶针顶出处的支架主壁厚增厚为3.2 mm。

2.4 浇注系统的设计

由于产品外观要求不高, 进胶形式定为横截面为扁平矩形的侧浇口形式;考虑到单腔的注塑量和PVC的流动性, 侧浇口横截面尺寸为3 mm×0.6 mm, 为方便后期产品浇口的修整, 浇口长度为2 mm。分流道用Φ8 mm的半圆形截面结构;主流道衬套用外径Φ12 mm, 全长为90 mm的标准件。

2.5 冷却系统的设计

根据产品的轮廓和模具的排位, 考虑到加工设备的情况, 用Φ8 mm直孔式的冷却水道, 一共四条, 两进两出。

根据这些主要结构的确定, 模具的装配图如图2所示, 通过Pro/E软件的运动仿真, 机构动作顺利, 模具运作良好。

3 小结

通过产品结构和模具设计的结合, 优化了模具结构, 大大降低了加工难度, 增强了模具的可靠性。现在模具运行正常, 产品已批量生产。

摘要：本文主要介绍了支架产品及其注塑模具的设计过程, 通过产品设计与模具设计之间的融合, 简化了模具结构, 降低了模具制造的难度, 减少了修模次数, 增大了模具的成功率。

关键词：注塑模具,产品设计,模具设计,模具制造

参考文献

[1]陈万林.实用塑料注射模设计与制造[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[2]塑料模设计手册编写组.塑料模设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2002.

[3]成都科技大学.塑料成型模具[M].北京:中国轻工业出版社, 1993.

3 支架铣开夹具设计毕业设计 篇5

3.1 铣床夹具设计基本要求

1)由于铣削过程不是连续切削，且加工余量较大，所以不但所需的切削力较大，而且切削力的大小及方向随时都可能在变化，致使在铣削过程中产生振动。因此铣床夹具要有足够的夹紧力，夹具结构要有足够的刚性。

2)为了提高铣床夹具的刚性，工件待加工的表面应尽量不超出工作台，在确保夹具有足够排屑空间的前提下，尽最降低夹具的高度，一般夹具高与宽之比为 1：1.25。

3)对于以铸、锻件毛坯面定位的铣夹具，应以毛坯图作为设计夹具的依据，以免对工件毛坯余量尺寸和形状误差、分型面或浇 冒口等问题因考虑不周而影响夹具的合理性和可靠性[13]。

A以工件毛坯面定位时，为避免毛坯误差，应多设置若干个辅助支承。B要特别注意在铣削过程中容易变形的部位，并设置必要的辅助支承。C为了获得较大的夹紧力，在铣床夹具中尽可能采用扩力机构。

D为了防止工件在加工过程中因振动而使夹紧松脱，夹紧装置应具有足够的自锁能力。E从侧面压紧工件的着力点应低于工件侧面的支承点，并使其产生作用在支承上的合力。

对于本课题支架工件所要求的是铣开上下端面5.5mm的切开，按照以上的设计要求，对其进行以下夹具设计。

3.2 定位设计

3.2.1 定位基准选择

根据零件图的技术要求，从保证零件的加工精度要求出发，制定出了两套定位方案。1)方案一：工件以两孔和端面为基准，以定位长销定位内孔52mm，限制了四个自由度，再用削边销限制了工件的转动，消除一个自由度，总共限制了五个自由度。再通过定位螺套和开口垫圈固定住了支架在长销方向上的移动，实现了完全定位。

2)方案二：工件以底面和端面为定位基准，以3个定位钉支撑支架底面，限制了支架的三个自由度，在左端面以一个定位支撑板限制了两个自由度，最后通过螺母的夹紧，实现完全定位。

在铣支架开口时，要保持孔与端面的平行度，方案二以底面为基准，从加工的位置精度上来说，更精确些。但是在刀具铣槽时，刀具的切削力会对底面的支撑钉造成很大的磨损，并且不能保证铣的开口与中心孔的位置精度。所以综合以上优缺点，选择方案一。

3.2.2 定位误差分析

该夹具采用了削边销定位[14]，是为了补偿工件的定位基准与夹具定位元件之间的实际尺寸误差，消除重复定位而采用的。除开口宽5.5±0.05由铣刀保证外，本夹具要保证开口侧面与左端面距离及开口中心平面与52H7的孔轴线的垂直度，其他要求未注公差，因此只计算上述两项加工要求的定位误差。

1)加工尺寸左端面既是工序基准，又是定位基准，故基准重合误差为零。由于左端面与定位螺套始终保持接触，故基准位移误差为零。因此加工尺寸没有定位误差。

2)开口的中心平面与52H7孔轴线垂直度的定位误差，定位长销与工件的配合是52H7g6，则根据参考文献[11]表1-10和表1-11可得

0.03052H7=520(mm)

0.04052g6=52(mm)0.010则定位误差 dwjbjw（3.1）

0.01020.0302

0.01因机床精度，刀具精度，刀具与机床的位置精度，工艺系统受力变形和受热变形等因素造成的加工误差，统称为加工方法误差，因该项误差影响因素很多，又不便于计算，所以常根据经验为它留出工件公差的1/3。所以定位误差dw=0.01<0.08/3，故此方案可行。

3.3 夹紧部分设计

夹紧是工件装夹过程的重要组成部分。工件定位之后必须通过夹具上的夹紧装置将其可靠地固定在正确的加工位置上，使其在承受工艺力和惯性力等的情况下正确位置不发生变化[14]。否则，在加工过程中因切削力、惯性力的作用而发生位置的变化或引起振动，原有的正确定位遭到破坏，就不能保证加工要求。夹紧机构的三要素是夹紧力作用点的确定、夹紧力方向的确定、夹紧力大小的确定。对夹紧机构的基本要求如下：

1)夹紧动作迅速，操作方便省力，夹紧时不应损害零件表面质量。2)结构力求简单，便于制造和维修。

3)夹紧件应具备一定的刚性和强度，夹紧作用力应是可调节的。

4)夹紧作用准确，处于夹紧状态时应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠。

3.3.1 确定夹具类型

由夹具结构方案可知，本工序加工的开口槽在支架的端面上，生产批量大。工件形状复杂，采用手动夹紧的夹具结构简单，在生产中的应用也比较广泛。采用手动夹紧，夹紧可靠，机构可以不必自锁[16]。参考类似夹具资料，本道工序夹具的夹紧元件选用球面带肩螺母，在零件端面夹紧，这样铣开口槽，其切削力与夹紧力方向一致，可减少夹紧力，同时夹紧力方向指向定位面，是定位可靠。

3.3.2 夹紧力的计算

夹紧力的大小要恰当，要保证在加工中工件不产生位移和振动。要保证夹紧后的工件变形和表面损失不超出允许的范围。保证工件在夹具中的正确位置。

夹紧力计算公式

WkWK

（3.2）

式中 Wk－夹紧力(N)；

W－理论夹紧力(N)； K—安全系数。

查参考文献机床设计手册 可知工件以内孔定位的夹紧力计算公式为

WkK(T2PR1)1.87(12050.1520010)0.1100.15145451R12R2KT

（3.3）

式中

—安全系数

—扭矩 —施加压力

—夹紧力距定位轴的中心距离，受力处距定位轴的中心距离

PR1、R2

1、2—摩擦系数0.1,0.15 K(T2PR1)1.87(12050.1520010)0.1100.1514545Wk1R12R2N 故本夹具所需夹紧力为545N，该夹具采用螺母拧紧力为N拧=3200N，此时N拧大于所需的夹紧力，故本夹具可靠安全。

3.4 对刀元件设计

铣削加工时，要用调整法获得零件的加工尺寸，为调整工件相对于刀具的位置，铣床夹具一般设置对刀装置[15]。对刀件有对刀块和对刀塞尺，两者配合使用。铣开口，刀具需要对于运行方向对刀，故采用方形对刀块。

3.5 定位键设计

夹具在机床上必须进行安装，才能保证工件与刀具的相对位置，对于铣床，夹具都是安装在工作台上，为了确定夹具相对于机床的位置。本道工序选用的铣床型号是X61W，通过参考文献 课程设计 表3-41查得工作台T形槽槽数是3，宽度14mm，槽距是50mm。本课题设计采用两个定位键定位，用一组螺栓夹紧其材料是45钢，热处理为HRC40~45。

作为定位键的安装是夹具通过两个定位键嵌入到铣床工作台的同一条T 形槽中，再用T 形螺栓和垫圈、螺母将夹具体紧固在工作台上，所以在夹具体上还需要提供两个穿T形螺栓的耳座。如果夹具宽度较大时，可在同侧设置两个耳座，两耳座的距离要和铣床工作台两个T形槽间的距离一致。

3.6 定位块设计

太阳能光伏组件支架的设计选型 篇6

关键词：太阳能发电；组件支架；支架设计；材质选型

1.引言

目前，在全球能源供应紧张和环境问题日益严重的情况下，经济和社会的可持续发展受到了巨大挑战，发展和利用清洁而安全的可再生能源受到了广泛重视。虽然目前已经实现利用的可再生替代能源种类较多，但从可用总量上看，水能、风能、潮汐能都太小，不足以满足人类需求。太阳能作为一种资源丰富，分布广泛且可永久利用的可再生能源，具有极大的开发利用潜力。特别是进入21世纪，太阳能光伏发电产业发展非常迅速。太阳能光伏发电在不远的将来不仅要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体，将给能源发展带来革命性的变化。根据欧洲联合委员会研究中心（JRC）的预测，到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，其中太阳能发电占到60%以上，充分显示出其重要的战略地位。

太阳能光伏组件支架是固定太阳能电池板的重要部件，在获得太阳能电池板最大发电效率的前提下，保证支架的安全可靠性是光伏组件厂家需要考虑和研究。根据不同形式的太阳能光伏发电的需要，支架系统一般分为单立柱太阳能支架、双立柱太阳能支架、矩阵太阳能支架、屋顶太阳能支架、墙体太阳能支架、追踪系统系列支架等若干规格型号，同时按照不同的安装方式又分为地面安装系统、屋顶安装系统和建筑节能一体化支架安装系统。

2.光伏组件支架设计

A. 光伏组件支架结构

目前商品化的太阳能光伏组件安装支架大多不可以调节角度，采用跟踪方式进行太阳能发电又浪费大量人力物力，投入产出比受到一定程度的局限。本文设计了一种可根据不同纬度地区而调节角度的光伏系统支架，（如图1所示）该支架系统可以根据需要调节水平角度，不但适应于地面光伏电站的使用，同时还可以在屋顶光伏电站使用，在安装过程中可以快速调整支架的安装角度，避免了常规光伏组件支架不能够迅速调整安装角度的缺点，同时该组件支架采用高碳钢结构，表面经过热镀锌材料，具有成本低，强度高，选材耐腐蚀强，可以在环境比较恶劣的地区使用。此系统包括三角形主支架1；支撑连接机构2；刻度定位盘3；定位孔4；柱塞式刻度销 5；托板 6；压板 7；轴承套 8；连接杆 9；地脚支撑10。该系统主支架为三角形焊接结构，结构简单并能承受足够的载荷，电池组件通过螺栓固定在支撑连接机构，并辅以刻度盘调节角度。通过柱塞式刻度销固定刻度定位盘，托板、压板、轴承套配合刻度定位盘使用，连接杆与地脚支撑用来增加光伏组件支架强度。

B.光伏组件支架连接方式

在光伏组件系统安装时，通过预埋螺栓固定底座，如图2所示。该支架底部的地脚支撑放入底座中通过螺栓与底座连接，然后安装电池组件，光伏组件通过螺栓与支撑机构2连接，通过刻度定位盘3与定位销5调节所需角度，完成后安装下一组。在矩阵太阳能发电连接时，两组相邻组件支架通过紧固压片11固定，以增强其强度，如图3所示。

目前我国普遍使用的太阳能光伏支架系统从材质上分，主要有混凝土支架、钢支架和铝合金支架等三种。混凝土支架主要应用在大型光伏电站上，因其自重大，只能安放于野外，且基础较好的地区，但稳定性高，可以支撑尺寸巨大的电池板。铝合金支架一般用在民用建筑屋顶太阳能应用上，铝合金具有耐腐蚀、质量轻、美观耐用的特点，但其承载力低，无法应用在太阳能电站项目上。

本文设计的这款钢支架性能稳定，制造工艺成熟，承载能力高，安装简便，防腐性能优良，外形美观独特的连接设计，安装方便快速，安装工具简单通用采用结构防腐材料的钢制及不锈钢零部件，使用寿命在20年以上。

D. 光伏组件支架载荷分析

支架强度主要包括计算固定载荷（组件自身重量及其他）、风载荷及雪载荷，风载荷是指从支架前面吹来（顺风）的风压及从支架后面吹来（逆风）的风压引起的材料的弯曲强度和弯曲量，支撑臂的压曲（压缩）以及拉伸强度和正常的地面、屋顶震动、沉降引起的结构变化。

a.积雪载荷受力分析

积雪载荷负重如公式2-1所示：

S=Cs*P*Zs*As （2-1）

其中S为积雪荷重，Cs为坡度系数，P为雪的平均单位质量（相当于积雪1cm的质量，面积为1m 2的质量）一般的地方19.6N以上，多雪区域为29.4N以上。Zs为地上垂直最深积雪量（cm），As为积雪面积。太阳能电池阵列列面的设计用积雪量设定为地上垂直最深的积雪量（Zs），但是，经常扫雪而积雪量减少的场合，根据状况可以减少Zs值。其中坡度系数如表1所示。

经查五金手册表查处设计值为[f]，所以满足强度要求。

d.对挠度进行校核

梁跨中最大挠度如公式2-4所示：（2-4）

式中l0 为粱的计算跨度；S 为与荷载形式、支承情况有关，对均布荷载作用的简支梁S=5/384；E 为弹性模量；M 为跨中最大弯矩；EI 为截面抗弯刚度。纵向计算同上。

e. 后支撑臂的拉伸和压缩强度

逆风的场合

风压荷重W对支撑臂起拉伸荷重的作用，变为上吹荷重（扬力）。拉伸应力如公式2-5所示：

（2-5）

式中P为拉伸张力；A为支撑臂的截面积，查表Q235钢的抗拉强度设计值[f]， ,所以没有问题。

顺风的场合

当组件支架与截面宽度比较长度长的支柱当收到压缩时，弯曲破坏的几率高于压缩破坏。这称为柱的压曲，此时的荷重称为压曲荷重。压曲荷重（欧拉公式）如公式2-6所示：

（2-6）

式中为压曲荷重；为轴向截面惯性矩；为由两端的支撑条件决定的系数，两端合叶铰接的场合为1；为材料纵向弹性系数；为轴长。前支撑的拉压强度，计算过程同后支撑。

3. 应用前景

当前国际能源形势相对严峻，各国都在极力寻找可以代替常规化石能源的新能源。此外核能发电的安全性让人质疑，风能水能受地域和季节影响较大，然而太阳能作为取之不尽，用之不绝的清洁能源备受关注和加以利用。随着全球大型地面、屋顶太阳能光伏系统的广泛推广与应用，太阳能光伏发电在电力供应中成为必不可少的发电源泉之一，同时为了保证光伏组件系统的可靠、安全、稳定的运行，必须要求太阳能组件的各个部件具有良好的抗风、抗雪压、耐腐蚀等性能。本文设计的太阳能光伏组件支架安装不仅满足抗风、抗雪压、耐腐蚀等性能，而且完全可以适合于地面矩阵太阳能、屋顶太阳能系统。此太阳能光伏组件支架在未来的光伏发电应用中具有良好的应用前景。

浅析充填液压支架的设计 篇7

关键词：充填液压支架,结构特点,设计,主要参数

1充填液压支架

充填液压支架属于采煤工作面支护设备, 其动力来源主要以高压液体为主, 由若干液压元件及金属结构连接而成。结构件主要有前梁组体、顶梁组体、底座、尾梁及推杆等, 属于支架承载元件。在液压支架支护过程中, 主要承载部件为立柱千斤顶, 在充填液压支架中立柱采用的是大缸径机械加长杆千斤顶。由于充填液压支架对工作阻力具有较高的要求, 而且需要立柱伸缩比较大, 但采用大缸径立柱时, 由于其伸缩比较小, 这就导致与立柱伸缩比大之间存在一定的矛盾, 所以在设计上具有较大的难度。

2充填液压支架结构的特点

2.1充填液压支架顶梁铰接而且能够上下摆动, 要能够与顶板良好的进行接触。伸缩梁属于滑移部件, 需要套装在前梁上, 其最大伸缩量宜以70cm为宜。由于护帮板需要与伸缩梁铰接, 动作控制由护帮千斤顶来完成。

2.2顶梁前部和后部分别与前梁和尾梁组件进行铰接, 在顶梁箱体内需要进行套筒的焊接, 以三处为宜, 并将侧推弹簧装在其内部, 将侧推千斤顶装设在外侧两套筒内, 利用侧推导杆与左右侧护板进行连接。将阀架焊接在顶梁两前柱窝中间, 并设置一组主操纵阀组。在顶梁的后端装设有后伸缩梁, 这样充填空间较大, 而伸缩量则由设在顶梁后端的限位块和千斤顶来进行控制。

2.3掩护梁属于箱形结构, 由钢板焊接而成, 掩护梁的上端与顶梁的后端进行铰接, 下部则与前后连杆进行铰接, 将固定和活动侧护板装置在掩护梁的两侧。

2.4四连杆机构由前连杆、后连杆、后连杆侧护板和侧护千斤顶组成。四连杆机构承受全部水平力和抗扭力, 改善了支架受力条件。后连杆为整体焊接部件, 承受拉力和很大的扭矩, 可阻挡采空区的研石窜入支架内部。后连杆侧护板的作用是密封采空区, 防止窜歼, 在工作面倾角大时对支架起调节和导向作用。

2.5底座为整体箱形结构, 前端做成滑撬形, 以减少移架阻力, 前后设有四个柱窝以设置立柱, 中部和后部与前连杆和后连杆连接, 前部设置一桥板, 上面设有连接推移千斤顶的耳板, 并在中部设置空槽, 用来设置推移装置。

2.6侧护板分为固定和活动两种, 保证支架之间具有良好的接触, 调节架间距离, 防止架间漏煤漏歼, 并起防倒作用。活动侧护板最大伸缩量为170。侧护板收拢后的支架宽度小于1450。

2.7需要选择正拉式短移推杆, 通过推移千斤顶的伸缩来带动推杆的移动, 实现推溜和移架。

3充填液压支架设计时主要参数的确定

3.1支架高度。采煤工作面机采高度以满足作业人员操作和设备对空间进行维护来人为进行确定。为了实现资金的节约, 及避免工作量重量过大, 则在确定工作面机采高度时不宜过大。一旦工作面采高过大, 则会导致煤壁片帮问题的产生, 同时也会加大架关漏顶的可能性。所以在充填液压支架设计时, 为了能够有效的发挥出支架的作用, 则需要根据煤矿的自然条件及支架所应有的通用性来选取支架的最大结构高度。

3.2支架宽度。在充填式液压支架宽度确定时, 由于各矿井的具体情况都会有所差异, 所以在设计时可以利用弹簧套筒与侧推千斤顶合二为一, 这样支架的宽度就能够实现有效的调整, 而且在支架宽度确定时还要充分的考虑到正常运输和安装的要求。

3.3侧挡板装置。对于充填支架在设计时, 侧档板与支架的连接是设计上的一大难点, 通常在侧档板装置设计时, 会采用插接式定位销与千斤顶共存的连接方式, 这样不仅有利于安装、运输和使用, 而且确保了支架的通用性, 能够满足用户的使用性要求。

3.4底座。在底座设计时, 通常会采用开底式, 在底座上增加导向方箱, 确保支架顶梁具有较强的稳定性, 而且导向方箱与底座合为一体, 可以为侧档案板装置安装的固定点, 为侧档板装置的安装提供了较好的便利性。

3.5安全过机空间。在进行充填液压支架设计时, 尽量确保支架结构具有较好的紧凑性, 而且在顶梁箱形断面的设计上, 采用高强度的钢材, 尽量控制其厚度, 从而确保具有较大的安全过机空间。

3.6立柱千斤顶。在液压支架系统中, 立柱千斤顶作相符合同粸支护的重要核心所在, 在对其进行选择时, 需要选择大缸径和长伸缩比结构的立柱千斤顶, 需要选择单进回液口的结构形式, 这样可以确保结构具有较好的紧凑性, 同时在增大立柱的伸缩比时宜采用机械加长杆来进行, 还可以进一步减小立柱的外部尺寸, 优化立柱各零件的受力情况, 从而有效的确保千斤顶的强度和可靠性能够进一步提升。

3.7液压阀。由于充填液压支架在使用上具有特殊性, 所以为了便于安装及简化结构, 设计带有通道的阀接板, 并将外缸上下腔的进液口集中在一个阀板上, 利用板式液控单向阀, 使其与立柱的上下腔连接, 进一步对结构和管路系统进行简化, 确保其可靠性的提升。

3.8液压支架液压系统。在充填液压支架液压系统的设计中, 一个阀组、一条胶管的布置都变得非常困难, 优化充填液压支架液压系统尤为重要。液压系统采用配以板式连接液控单向阀的单进口伸缩立柱后, 立柱的进回液仅需2根高压胶管即可;侧护挡板采用浮动活塞千斤顶;液压系统经过一系列优化措施后, 管路系统变得尤为简洁。

结语

充填液压支架由于结构较为简单, 整体性和充填性较好, 具有较好的经济性和安全性, 目前充填液压支架的市场前景非常广阔。在具体煤层开采过程中应用, 有效的提高了煤炭资源的回收率, 而且有效的控制了地表的变形, 有效的实现了对煤矿周边环境及地下水资源的保护, 可以实现矿区资源的有效保护, 有利于矿井服务年限的延长, 对矿区的可持续性发展具有极为重要的意义。

参考文献

[1]李全会, 赵峰, 吴成峰.大采高放顶煤液压支架防片帮、漏矸设计[J].煤矿机械, 2014 (05) .

[2]王少飞.填充支架使用电液控制可行性分析[J].科技创业家, 2012 (18) .

液压支架优化设计方案分析 篇8

液压支架在煤矿开采中是利用液体压力转变为支撑力来进行工作的液压动力装置, 其工作原理我们可以用图1进行解释。液压支架在实际的工作中不仅能够实现可靠的支承顶板, 而且还可以随着回采工作面的推进而向前慢慢移动, 这在一定意义上来说就得要求液压支架必须具备升降推移最为基本的实现功能, 这些功能的实现同时又需要由乳化液泵供给的高压液体做保障, 然后通过各种阀控制立柱和千斤顶实现。

2. 液压支架优化设计

上文所提到的这些是液压支架最为基本的结构构造和实现功能, 在提高综采工作面的产量和效率, 发挥综采设计的效能实现高产高效是有很大作用的。这些的实现源自于液压支架的设计, 但是随着综采面的不同液压支架掩护梁水平面方向的夹角和梁端摆幅就会存在设计方面的缺陷, 这个时候就需要进行对其优化设计。本文结合实际工作对液压支架的优化设计做一分析, 供实际生产需要做参考。

我们先设计出如图2所示的掩护梁水平夹角优化路线。先以掩护梁与水平面方向的夹角最小值为目标函数进行优化, 再以梁端摆幅为目标函数进行设计优化。

2.1 液压支架模型坐标化参数化设计。

在实际设计中为了满足设计重点的需要, 我们需要对模型作进一步地简化设计。在设计中我们可以忽略液压支架的掩护梁、底座、顶梁和连杆的形状和宽度等, 同时对简化液压支架模型进行仿真, 并运用机械原理处理那些不必要的坐标化设计点, 除此之外, 将优化的液压支架长度半径等表示的液压支架模型转变为以坐标表示的液压支架模型。

我们如果根据这个简化方法和原则可以设计出如图3所示的液压支架优化模型, 34个坐标化设计点可以浓缩为16个关键的坐标化设计点。其中将16个坐标化的设计点参数化为5个设计点的9个坐标了。

在优化设计中, 液压支架的模型还是会受到空间限制的, 液压支架部件之间在设计时包括在工作时不能出现明显的干涉。这就要求我们对所选的DV_3、DV_4、DV_6三个设计变量的取值范围进行必要的限制和控制, 所以根据这个要求我们做出如图4所示的设计变量限制范围。

同时, 我们还给出掩护梁水平夹角最大值对预设计变量的敏感度曲线, 如图5所示。

2.2 优化设计结果分析。

经过上面的实际优化设计我们可以得出, 掩护梁水平夹角在12.43°时, 其理想化的角度是9°~17°的范围内, 这个时候液压支架就得到了很好地运动和受力特质, 达到了我们想要的设计目的。

同时我们在设计之前找到了敏感度较大的参数化坐标用来作为设计变量, 最后使迭代次数显著减少了, 效果也不错。

经过这样的预设得到的优化结果对整个液压支架模型的其他性能基本没有任何的影响, 在一定程度上保证了液压支架模型具有很好的纵横向的动态稳定性。

参考文献

[1]张闯, 杨琳琳.掩护式液压支架的优化设计[J].煤矿支护, 2014 (2) :34-36.

[2]范储旭, 刘付营, 边彦胜, 陆金桂.ANSYS-PDS在液压支架前连杆可靠性分析中的应用[J].矿山机械, 2015 (4) :30.

室外管道支架的设计浅析 篇9

工业厂房设计中, 管道支架是是其重要组成部分, 管道支架的做法、走向受工艺影响很大。由于管道支架随管线走线全厂区布置, 在部分化工工业项目中所占工程量比重也较大, 比较合理的设计方案对于工业项目的土建成本控制是有重要作用的。抵抗诸如地震作用、风荷载以及管道水平推力等侧向力的抗侧力构件设计时钢结构设计中要组成部分, 抗侧力构件的利用效率对钢结构设计的工程量的节约有重要意义。本文将以某工程室外管架为例, 对设计中常用的两种方案进行计算设计对比, 以期得出较合理的设计方案。

2 结构布置方案

内蒙某工业项目室外管桥, 最大单段管道支架直线长度为354m, 为释放温度应力, 分成若干区段。管架柱列间距为4.0m~6.0为主, 部分区段跨越马路, 跨度较大, 需要按桁架设计考虑。管道支架跨度尺寸为5.0m。三层, 底层层高为5.0m, 其余层高均为2.0m。

柱间支撑设置需要避开马路及厂房入口等。

3 设计参数

3.1 风荷载

基本风压:0.55k N/m2, 地面粗糙度为B类。

由于管道支架为镂空构件, 管道层以下部分偏安全考虑体型系数为0.30, 管道层范围内由于有管道挡风, 偏安全考虑风载体型系数为1.0。

3.2 使用荷载

工艺管道荷载:500kg/m, 管道支架长度方向。

3.3 建筑结构安全等级、抗震设防类别、抗震设防烈度、设计使用年限

建筑结构安全等级:二级

抗震设防类别:丙类

抗震设防烈度:7度, 第二组, 设计基本地震加速度为0.10g

结构设计使用年限为50年。

3.4 计算参数

阻尼比取0.02

抗震等级:四级

主要钢构件均采用Q345B级钢。

4 截面选型及抗震措施

4.1 方案一

4.1.1 截面选型

(1) 钢柱和钢梁均采用H型钢, 梁柱均为双向刚接, 采用栓焊混合连接型式, 双剪, 摩擦型连接;柱脚采用刚接。

(2) 柱间支撑采用中心支撑, X型交叉支撑, 采用T型剖分钢。

(3) 管道层为减小钢梁平面外计算长度, 设置水平支撑, 水平支撑采用角钢。

4.1.2 抗震措施

(1) 需要满足强节点弱构件、强剪弱弯的要求, 当框架梁无法满足极限承载力的要求时, 考虑梁翼缘在连接处局部加宽的方式来处理。

(2) 需要进行节点域的屈服承载力进行验算, 不能满足规范要求时, 柱的节点域局部贴焊钢板进行处理。

(3) 需要满足强柱弱梁的要求, 由于钢柱采用H型钢, 弱轴方向刚度较弱, 无法满足《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2010) 中式8.2.5-1或式8.2.5-2要求, 通过调整截面, 使钢柱轴压比控制在0.4以下, 根据《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2010) 要求, 可不进行强柱弱梁验算。

(4) 长细比限制:根据《石油化工管架设计规范》 (SH/T3055-2007) 5.18条中表4:管架柱长细比不大于150, 柱间支撑按压杆设计, 长细比不大于120, 纵梁长细比偏安全按受压控制, 长细比控制在150。

4.2 方案二

4.2.1 截面选型

(1) 钢柱和钢梁均采用H型钢, 梁柱连接横向刚接, 采用栓焊混合连接型式, 双剪, 摩擦型连接, 纵向钢梁与钢柱铰接;柱脚采用铰接。

(2) 柱间支撑采用中心支撑, X型交叉支撑, 采用T型剖分钢。

(3) 管道层为减小钢梁平面外计算长度, 设置水平支撑, 水平支撑采用角钢。

4.2.2 抗震措施:同4.1.2.

5 分析结果对比

5.1 方案一

A.横向刚架:

(1) 钢柱强轴应力比最大为0.33, 弱轴应力比为0.52;

(2) 钢梁应力比最大为0.29;

(3) 柱顶最大为11.9mm。

B.纵向刚架:

(1) 钢柱强轴应力比最大为0.33, 弱轴应力比为0.52;

(2) 钢梁应力比最大为0.25;

(3) 柱顶最大位移0.4mm。

说明:方案一由于为梁柱之间采用双向刚接, 平面模型仅能考虑一个方向的弯矩, 因此需要将两方向的平面模型的应力比进行叠加, 才能较真实、全面的反应钢柱的应力比状况。经两方向应力比叠加后钢柱应力比为0.85.

5.2 方案二

A.横向刚架:

(1) 钢柱强轴应力比最大为0.52, 弱轴应力比为0.87;

(2) 钢梁应力比最大为0.48;

(3) 柱顶最大位移42.4mm。

B.纵向刚架:

(1) 钢柱强轴应力比最大为0.33, 弱轴应力比为0.52;

(2) 钢梁应力比最大为0.35;

(3) 柱顶最大位移1.2mm;

6 结论

方案一 (梁柱双向刚接+纵向柱间支撑) 与方案二 (梁柱仅横向刚接+纵向柱间支撑) 相比, 梁柱支撑相同截面的情况下;钢梁应力比方案一较小, 其中横向刚架梁方案一优势较大, 纵向刚架梁差别不大;钢柱应力比两种方案比较接近, 柱顶位移方案一较小。

经计算, 由于方案一柱底刚接, 故基础一般为大偏心, 基础相对于方案二较大, 由于刚接柱脚做法因素, 基础短柱也较方案二较大。

在施工方便程度上, 由于方案一梁柱双向刚接, 相对于方案二剖口焊数量较大, 施工进度较慢, 施工质量受焊缝质量影响较大。

摘要：化工厂房设计中, 由于工艺的使用要求, 经常需要大量的管道, 需要设置管道支架来支撑这些管道, 这些基于使用要求的管道支架一般长度较大, 并且部分管道尚有水平推力, 走向也多变, 受力也较复杂。柱脚如果设置为刚接, 管道支架的刚度较大, 但是柱底弯矩较大, 可能会造成基础偏大及基础短柱偏大, 如果采用铰接;梁柱之间可以考虑双向刚接或仅横向刚接两种做法, 这两种做法也是各有利弊。

关键词：管道支架,刚接,铰接,柱间支撑

参考文献

[1]《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010.

教学设计中如何搭建支架 篇10

关键词：教学设计,支架,图式,认知,原型

教学设计要体现以学习者为中心, 就必须根据学习者的认知需求设计相应的活动。学生需要知识方面的储备, 需要背景图式的激活, 需求策略技能方面的基础, 否则学习难以开展。也就是说, 教学设计中教师应根据学生的需求, 为学生的学习和发展搭建支架。那么, 什么是支架, 教学设计中又该如何搭建支架?本文以一个写作设计原型为案例, 介绍如何在教学设计中为学生的学习和发展搭建支架。

一、什么是教学设计

教学设计是有效教学的保障, 虽然不同的学者对教学设计的诠释不尽相同。有的认为教学设计是一个系统规划教学系统的过程;[1]有的认为教学设计是一种用以开发学习经验和学习环境的技术;[2]有的认为教学设计是以促使有效学习的发生为目的, 运用现代学习理论和教学理论、教育传播学等原理和技术, 分析教学中的问题和需要, 设计解决教学问题的方法和策略, 实施设计、评价、不断改进设计的一个系统过程。[3]教学设计的根本目的是促进学习者的学习。但是, 作为一个系统, 教学设计表现为机构、管理、教学和学习四个不同的层次。[4]目前的教学设计系统多是教学层次作为基本层次, 关注的是教师应该如何教。既然教育的目标是促进学习者的发展, 那么, 教学设计应该以学习层次为基本层次, 关注学习者的兴趣、需求和学习资源, 设计以学习者为主的教学计划、教学安排、教学活动和教学系统。

二、什么是支架

学习层次的教学设计系统要求教学设计必须分析学习者的具体需求, 尤其是认知需求:一是学习者的共性需求, 二是学习者的个体需求。共性需求要求教学过程设计、教学活动设计必须符合学习者的认知发展要求, 而学习者的个体需求则要求分析学习者在学习风格、多元智能以及语言基础方面的差异。而教学设计可以按照“最近发展区”理论, 按照图式理论设计教学过程和教学活动, 为学习者的发展提供支架。

(一) 支架的由来

支架 (scaffolding) 是一种形象的比喻, 原指架设在建筑物外部, 用以帮助施工的一种设施, 俗称“脚手架”。把“支架”的概念应用于教育教学、把教师的教学比喻成“支架”源于维果斯基的“最近发展区”理论。维果斯基认为, 教学至少要确定个体的两种发展水平。第一种水平是现有发展水平。第二种水平指学生在其发展的现阶段还不能独立解决问题, 却能借助成年人和同伴的指导与合作或其他具有相关知识达到解决问题的水平。这两种水平之间的差异, 决定了学生心理发展的“最近发展区”。[5]根据“最近发展区”理论, 在两者或更多者合作解决问题时, 通过参与者积极参与, 共同合作, 独立解决问题能力较差的学习者的水平, 在成人的指导下或与能力较强同伴的合作中可以得到提高。[6]而同伴或教师的暗示、指导等就是“支架”。

(二) 支架的种类

教学设计中所说的“支架”不只是同伴或教师的暗示与指导, 而是指学生进一步学习和发展中所需要的基础性东西, 可以是文本的、音频的、视频的, 同样可以是触觉或动觉类活动, 也可以是教师的指导、同学的帮助。它具体包括以下几个方面。

1. 图式知识

所谓图式是指个体对世界的知觉理解和思考的方式, 也可以把它看作是心理活动的框架或组织结构。[7]图式是认知结构的起点和核心, 或者说是人类认识事物的基础。广义的图式包括语言知识、策略知识、文化知识、话题知识、任务知识等与学习相关的知识。广义的图式同样包括技能图式, 指学生所具备的听、说、读、写、译的能力。狭义的图式一般指背景知识。本文所学的图式为广义的图式, 具体包括:

话题知识:与所学习材料话题相关的背景知识。

信息素材:理解或表达所需要的信息材料, 包括文本的和非文本的。

策略:听力、阅读、词汇学习、语法学习、写作等活动所需要的策略。

文化知识:与学习内容相关的文化知识。

样本范例:写作、项目、任务活动中所需要的样本范例, 如范文、板报、表演视频等。

语言知识:学习所需要的语法、词汇、篇章等方面的知识。

这些知识通常以文本、图片、音频、视频等形式出现。

2. 活动

学习不是个体的行为。作为社会人的每个学生总是要通过与他人的交流获得发展, 通过与他人的交流获得帮助。教学设计的支架可以是知识, 也可以是活动本身。活动是知识提供的形式, 尤其是同伴活动和小组活动。活动中学习者通过协商从不知到知、从不了解到了解、从不熟悉到熟悉, 为下一步活动打下应有的基础。与图式知识不同, 活动所搭建的可以是触觉、动觉性支架或者是体验型支架。

3. 指导

教师对学生的具体指导是学习者发展必要的支架。教师的指导可以是结合图式激活等活动进行, 也可以是在学生活动之中针对个体学生的点拨、答疑、解惑。指导同样应该成为教学设计的一部分。

三、如何搭建支架

不同的学习内容, 不同的学习目标, 不同的学习者对支架的要求不同。但是, 任何支架的搭建都必须经历分析、设计与评价三个环节。

(一) 分析

分析主要是分析学习者的需求, 分析学习者的图式和认知特点, 从而诊断学生图式上的缺陷, 以便设计相应的活动。学习者的需求指学习者目前的水平、目前的知识结构与目标水平、目标知识结构之间的差距。学习者的认知分析要求不仅要分析学生的最近发展区, 同时要分析学习者的学习风格、多元智能, 更要分析学习者的认知发展水平。比如, 小学阶段儿童的认知还没有得到应有的发展, 就不能设计推理的活动;学习外语时, 人们短时记忆的语言比较短。因此, 听力材料不能太长, 英语水平较差的学生有时或许只能记住一个短语;很多情况下, 学习者不能回答问题, 不能获取相关信息并不是其理解能力低下, 而是其相关经历未能赋予其应有的认知。

分析的内容不同, 可以采用的方式也就不同。学习风格、多元智能分析可以在接受班级时就进行, 一般采用问卷调查的方式即可, 通过问卷分析出学习者认知倾向和多元智能优势, 以便设计相应的活动;语言知识、语言技能等可以通过测验的方式进行;而相关背景、信息素材、策略以及样本范例可以通过诊断性活动分析。进行教学设计时可以假定学生并不了解相关背景, 并不拥有相关信息素材, 并没有掌握相关的策略, 并没有看到相关的范例, 设计相应的诊断活动, 如果学生不具备这些图式基础, 那么就需要教师帮助搭建支架, 提供帮助。

(二) 设计

支架的设计对学习的学生和发展起着至关重要的作用。现实教学中经常会出现支架过度和支架不足的现象, 影响学习目标的实施。有时学生已经能够熟练掌握某些词汇和语法, 而教师仍在进行操练;有时在某个教学环节增加了多余的操作。如, 听力和阅读前的词汇教学, 其目标是为学生的听力和阅读做图式方面的准备, 但是有时教师却在阅读前设计了词汇的训练和应用活动, 让学生用所给单词和短语编写故事, 这些都属于支架过度。而有时, 由于教师未能分析出学生具体的需求, 未能设计应有的支架活动, 支架不足, 导致下一个活动难以开展。

支架设计一般采用活动设计的方式, 安置在新的活动开展之前。活动可以是脑风暴活动、讨论活动、看图匹配活动、自我评价活动、问答活动、样例分析活动、调查活动等等。通过脑风暴可以激活相关背景知识、文化知识、策略知识, 通过讨论和看图匹配活动可以激活相关的词汇、语法、情景, 通过自我评价可以呈现新的词语、句型和情景, 通过问答活动可以激活相关功能结构, 通过样例分析可以呈现样本、规范, 通过调查活动可以激活背景图式, 为下一步活动作准备。

(三) 评价

评价是对教学设计的反思, 通过反思对支架设计的效度作价值判断。教学中必须注意收集有关活动开展的数据, 通过数据分析找出支架问题所在, 然后作出相应的调整。任何教学设计都必须经过适用、评价和完善的过程, 支架的搭建更是如此。下面的案例可以从某种程度上说明分析、设计和评价在支架搭建中的作用。

四、案例分析

支架搭建对有效教学和有效学习的开展起着十分重要的作用。本文选择笔者实际教学的一个案例, 通过案例分析介绍教学设计中支架的搭建方式。

(一) 教学设计原型

每个教学设计方案在解决教学问题中都是一个原型, 本文所选案例共有两个原型, 其中原型1是第一个班级写作教学的设计, 第二个是通过对第一个原型评价之后改进的原型。

1. 原型1

教学目标:学生能够按照比较对照的段落要求, 运用课文所学故事, 完成一个段落写作, 比较两个梦想成真的故事。

教学过程:

Step 1 Sample study

Present the sample for students to deduce the method of comparison and contrast, including the paragraph development and expressions of comparison and contrast.

Step 2 Assignment of the writing task

Ask the students to choose one dream story and compare it with that of Linda (the heroine of the text the students have just learned) and then write a paragraph discussing their similarities or differences.

First, analyze the stories and make a list of the similarities or differences.

Then, decide on the method of development, whether block method or the point-by-point method.

Third, drafting.

Step 3 Peer edition of the first draft

Step 4 Revision

2. 原型2

在原型1的课堂上, 笔者发现学生虽然了解比较对照段落的篇章逻辑和常用句式, 但是却写不出内容。也就是说, 学生并不能找出两个梦想成真故事的相同之处和不同之处, 因此, 无法完成段落写作。这说明学生所需要的不只是写作范例, 更要有支撑信息。针对学生的这一特点, 笔者在对学生进行需求分析的基础上设计出下列教学方案:

Step 1 Group discussion of items of comparison of dream stories

Divide the students into groups of four to discuss what aspects they will choose as items of comparison if they are to compare two dream stories.

Step 2 Summary to present items of comparison

Invite each group to report and then summarize and present the items of comparison on the blackboard.

Step 3 Pair work to compare dream stories

Ask the students to read the text and the dream story they have found, make a comparison and note down the similarities and differences with reference to the items of comparison presented on the blackboard.

Step 4 Assignment of the writing task

Present the writing task (to write a paragraph to compare the similarities and differences of the two dream stories) and then raise the question:how to write a paragraph of comparison and contrast.

Step 5 Sample study

Present the samples for analysis of discourse and sentence structures.

Step 6 Presentation of writing mechanism of paragraphs of comparison and contrast

Summarize and present the method of paragraph development, transistors, and common expressions.

Step 7 Drafting

Ask students to work individually to finish the first draf of the paragraph.

Step 8 Peer-edition

Assign for students to work in pairs to evaluate each other’s first draft and then summarize to give suggestions for improvement.

Step 9 Revision

(二) 支架搭建分析

1. 原型1的缺陷

原型1是比较典型的写作教学设计, 有范例分析, 有素材分析, 有同伴校对, 有二稿写作。其中范例分析、素材分析属于支架。但是, 学生自己却无法从素材中获取信息, 无法运用范例呈现的比较逻辑和句式表达信息。造成这一现象的原因是教学设计中对学生图式分析不够, 对学生的理解能力、信息提取能力估计不足, 缺乏对学生比较思维图式的分析, 设计不够合理, 教学目标难以达成。

2. 原型2支架的构建

原型1操作中出现的问题说明对学生图式分析的必要性, 说明搭建支架的必要性。在对学生图式分析的基础上, 原型2调整了教学程序, 为学生写作输出构建了应有的支架:

支架1故事比较项目呈现:通过脑风暴活动集思广益, 帮助学生确定如何做故事比较, 如何确定比较的项目, 这是写作前的第一个支架。项目的确定不仅有利于写作素材的收集, 也为写作中总括表达方式的使用提供了参考。

支架2比较素材提取:通过同伴协商比较的方式, 获取比较的具体信息, 将比较项目具体化。本活动不仅可以帮助学生准备写作的素材, 同时还可以帮助学生理解概括表述与具体信息的逻辑关系。

支架3范例分析:这是与原型1中同样的一个支架。但是, 由于通过写作任务的布置, 学生的求知欲已经被激起, 产生了了解比较对照段落写作规范的欲望。在这种情况下呈现写作范例, 进行范例分析不仅可以促进学生的理解, 更可以促进学生的参与, 使范例分析的真实性和交际性增强。

由于支架1和支架2的搭建, 由于小组讨论和同伴活动的开展, 第二个班级的写作教学目标顺利完成, 所有同学都写出了内容丰富、符合比较对照段落要求的文章。

五、教学设计研究效果分析

由于两个班级总是前后两天上课, 因此, 笔者得以通过对第一设计原型的分析找出设计中存在的问题, 找出教学设计中学生需求分析不足之处, 然后根据需求分析, 根据图式分析为学生的学习搭建支架。这样就形成了前后两个设计原型, 第二个原型在支架搭建上更符合学生的认知需求, 更符合学生的学习特点, 更适应学生的学习水平, 也因此更好地突出了学生的主体性。如果说原型1为教学层次的设计, 那么原型2则更具学习层次的特征。

为了评价支架搭建在教学设计中的作用, 评价支架搭建在学生学业发展中的作用, 笔者于第一学期末对学生的学习行为、学习成绩和教学设计利用SPSS 12.0进行T-test分析, 发现教学设计是影响学生写作、阅读以及总成绩的主要因子, 三者的显著程度都在.05之上 (见图1) , 说明接受不同设计模型的学生成绩差异显著, 从而说明教学设计中支架搭建对促进学生学习具有积极的作用。

六、结论

支架搭建属于教学设计系统的有机组成部分。要实践以学生为中心、以学生为主体的教学理念, 教学设计应该以学习层次为基本层次, 充分分析学习者的图式基础、能力和认知特点, 为学习语言能力的发展搭建应有的支架活动, 设计符合最近发展区要求, 符合图式发展需求的学习活动。本设计中写作教学设计过程的变化, 脑风暴活动和信息提取活动的设计充分体现了支架教学的基本思想。教学设计是一个系统过程, 是运用各种技术为学生的学习创设语境和条件的过程。要保证教学设计的有效性, 就必须做好学习者需求分析, 就必须对教学设计本身进行反思评价, 根据学习者的具体需求完善教学设计。

参考文献

[1]加涅, 布里格斯, 韦杰.教学设计原理[M].上海:华东师范大学出版社, 2001.

[2]Merrill, M.D. (1994) .Instructional design theory[M].Englewood Cliffs, NJ:Educational Technology Publications.

[3]皮连生.教学设计[M].北京:高等教育出版社, 2002.

[4]何克抗.教学系统设计[M].北京:北京师范大学出版社, 2007.

[5]Vygotsky, L.S. (1978) .Mind in society:The development of higher psychological processes[M].Cambridge, MA:Harvard University Press.

[6]Fisher. (1994) .Distinctive features of pupil-pupil class-room talk and their relationship to learning how discursive exploration might be encouraged[J].Language and Edu-cation, 7:239-257.

浅议支架式挑战性复习任务的设计 篇11

复习课有归纳整理、查漏补缺、深化知识、提高技能、发展能力等功能，其中“整理”是复习课的精髓——它使所学知识“纵成线”“横成片”，达到融会贯通、温故知新的境界。但是，我们日常复习教学中的“整理”经常敌不过“练习”，出现了“假理实练”“少理多练”“不理只练”等现象。即使是重视了“整理”的复习课也有不同的水平——初级水平是“重复学过的东西，求巩固”，中级水平是“编织学过的东西，求沟通”，高级水平是“温故知新，求发展”，而最高境界则是“既求知，亦求联，还求发展”。运用支架式挑战性复习任务实施复习教学，是复习课追求“求知、求联、求发展”的产物。如果说“求知”是再现单一知识的话，“求联”便是把许多单一知识结成串、织成网，“求发展”则是向上拓展，打通未来学习的道路。由于“求联”包括对立统一的两种学习活动——比较不同点和归结相同点，所以基于支架式挑战性复习任务的复习教学呈现如下形态（如图1）。

支架式挑战性复习任务是指在复习课中使用的具有挑战性的，帮助学生“求知、求联、求发展”的，能更好地实现知识系统、认知简约、学力提升的学习任务。它是教师事先设计（基于学情的预设）、学生因需使用（基于学情的操作）的着眼于最近发展区、指向于学习目标的一种“物化”的学习材料，既包含学习任务，又隐藏学习支架。

二、支架式挑战性复习任务的特点

支架式挑战性复习任务具有导向性、层次性、探究性、自主性、合作性、指导性、反馈性、差异性等特点，但主要是任务的挑战性和学习的支架性两个最具本质性的特点。

（一）复习任务的挑战性

知识创造的途径主要是组合和交换两种形式。学生的学习虽然不是真正意义上的知识创造，但对于个体来讲，也可以看作是一种“特殊创造”。学生头脑中的各种知识有可能通过“比较不同点”和“归结相同点”建立知识之间的联系，并发现“新知识”“新观点”“新方法”（如图2）。

对于小学生来说，受知识水平和认知能力的限制，“求知、求联、求发展”的复习活动对他们来讲本身就是一种挑战性学习任务。支架式挑战性复习任务是教师提供给学生进行探究性学习，用以聚焦教学重难点、达成教学目标的学习材料，这种复习任务是有效学习的必要条件之一。APS学习原理认为：学生提问和回答能够引发解释的深度问题，更能从中受益；引发认知失衡的问题，更能激发深度推理和学习。《义务教育数学课程标准（2011年版）》也要求“数学教学活动，特别是课堂教学应……引发学生的数学思考，鼓励学生的创造性思维”。

（二）复习任务的支架性

APS学习原理还认为：学生很少能够正确地认识他们的认知；如果学习材料中隐含的原理不明显，不经引导和辅助，大多数学生难以通过自己的努力发现其中的原理。教学实践表明，面对挑战性复习任务，学生往往不能独立解决，需要在教师的指导下才能充分展开，有效推进。

“最近发展区”理论和“学习支架”理论同时提醒我们，教师最主要的指导学生学习的方式，就是为学生的学习搭建支架，进行支架式教学。《义务教育数学课程标准（2011年版）》也要求“教学应该以学生的认知发展水平和已有经验为基础，面向全体学生，注重启发式和因材施教”。因此，教师有必要在学生的现有知识水平和学习目标之间建立一种帮助学生理解的支架，并在这种支架的支持下帮助学生掌握、建构和内化所学的知识技能，然后逐步撤除支架，让学生尝试独立完成学习任务（如图3）。

三、支架式挑战性复习任务的设计

对于同一板块的不同数学知识来说，往往具有相关知识脉络和相同思想方法，复习就是“呈现旧知”“求同存异”“追根溯源”的过程。支架式挑战性复习任务的设计，要合理关注和正确回应这些问题，达到“一聚，二有，三明”。

“一聚”，也就是聚焦核心任务。复习课的核心任务，主要是展现思想方法、落实复习重点、化解复习难点。抽象、推理、模型等思想方法是数学的精髓和根基，是复习课“求发展”的点，可以为学生的后续学习提供无限可能。与此同时，复习重点是对“联什么（求同存异）、发展什么（追根溯源）”的思考，复习难点是对“怎么求联”“如何求发展”的回应。

“二有”，是指对解决问题有启发，对弹性发展有空间。搭建支架的目的是帮助学生更好地解决问题、完成任务或达到他们难以独立达成的学习目标。因此，复习任务应包括提示性的内容、材料、方法，对解决数学（复习）问题提供有效支持。但是，如果提供的支持没有针对性、阶梯性，可能会让学生丧失探索知识的欲望和积累活动经验的机会。所以，保持学习任务的必要弹性也是设计复习任务的要点，以确保支架的有限启发性和无限成长性。

“三明”，包括活动目标明确、思维路径明晰和操作范式明了。它们分别对应支架式挑战性复习任务的导向性、逻辑性和支架性。导向性，即教学所指向的教学目标是什么，它是复习任务首要的特征，决定了任务存在的价值；逻辑性体现在教师为实现教学目标所设计的概念框架和演进路径上；支架性体现在教师为解决学习任务向学生提供的方法、工具、资源等帮助上。

（一）基于知识创新的挑战性任务设计

著名特级教师朱国荣在《例谈挑战性学习任务的设计策略 》一文中指出：挑战性学习任务是教师设计提供给学生进行探究性学习以达成教学目标的一份材料。这份材料聚焦于教学的重难点，它可以是一个（或几个）具有较大思维空间的问题，也可以是一项（或几项）具有挑战性的实践活动，还可以是一道（或一组）综合性的习题。

作为具有挑战性的复习任务，它的学习内容应基本覆盖“求知、求联、求发展”的各个方面（如图4）。但由于教学目标的不同，挑战性复习任务可分为以“比较不同点”为主、以“归结相同点”为主、以“发现新观点”为主三种形态。

1.以“比较不同点”为主的挑战性任务设计。这种复习任务的认知难度较低，侧重于区分知识概念或思想方法。下面以二年级“表内乘法”为例，谈一下这一课的挑战性复习任务设计。

就“复习与整理”板块来讲，教材在两个相关单元都安排了“口诀表的整理”——先是把口诀表补全，再是复习口诀与乘法的联系。毫无疑问，对这些内容进行复习是必须的。但如何更好地帮助学生“求知、求联、求发展”，要不要“从头（乘法的意义）开始整理”，要不要进一步构建乘法与加法的联系，如何解决学生经常出现的加法问题做成乘法的难点？笔者设计了一个直观的比较活动来引导学生进一步加深对两者的理解（如图5）——求“几个几相加的和”能写成乘法也能写成加法，求“几和几相加的和”只能写成加法。

通过这个具有一定挑战性的对比任务，学生能建立起概念模型，并有助于其解决问题能力的提高。

2.以“归结相同点”为主的挑战性任务设计。这种复习任务的认知难度较高，虽然往往也有“求发展”的要求，但主要侧重于寻找知识的相同或相似点，以实现知识的系统化和简约化。下面以“长方体和正方体的复习”一课为例来谈一下挑战性复习任务的设计。

长方体和正方体是最基本的立体图形，是小学阶段首次全面展示的两种三维几何体，与之前的一维几何、二维几何既有千丝万缕的联系，又有很大的不同。以“几何测量”方面为例，长度、面积与体积的含义与计算方法有本质的不同，但测量方法却极其相似——测算所含计量单位的多少。

本单元学习，学生中所暴露出的问题主要集中在测量上，主要有如下几方面：

（1）对总棱长、表面积与体积的认识不到位，解决问题中出现了计算公式混用、计量单位混用等现象，影响了部分学生解决问题的效能。

（2）对体积测量的原理认识不到位，解决问题时有“取巧化”现象，如在规定尺寸的长方体盒子里放规定尺寸的正方体物体，学生常常用特殊思维取代一般思维，误用“大体积÷小体积”。这样的问题在面积学习时也存在，如解决铺地砖的问题时，也常有“大面积÷小面积”的倾向。究其本质，是由于学生对几何测量的原理（测算所含计量单位的多少）认识不到位造成的。这是复习时需要突破的难点。

基于上述思考，本课设计了如下挑战性学习任务（如图6）：

本任务力图引导学生从测量的本源思考问题、发现本质，以促进他们的认知发展和解决问题能力的提高。

3.以“发现新观点”为主的挑战性任务设计。这种复习任务的认知难度更高，它往往既要“比较不同点”“归结相同点”，还把引导学生“发现新观点”作为学习的主要目标。下面以六年级“解决问题总复习”为例，谈谈做法。

解答问题的关键是结合具体情境进行数量关系分析，再根据四则运算的意义列式解答。分数（百分数）应用题的所有数量关系都建立于“求一个数的几分之几是多少，用乘法”之上，并与整数（小数）应用题数量关系之一“求一个数的几倍是多少，用乘法”遥相呼应。因此，有必要对分数应用题进行系统整理，并与整数（小数）应用题建立必要的沟通。

通过六年的学习，学生已在不同时段学习了各种应用题，并初步体会了它们之间的联系，还积累了一定的解决问题的经验。但是，这些认知还是比较零散、孤立的，尚没有实现认知的系统化和简约化。这在很大程度上影响了学生解决问题时的策略选择。因此，有必要用联系的观点复习分数应用题（如图7）。

通过这个挑战性任务，学生可以发现：A类中，整数问题与分数问题，具有数量关系类似、单位“1”相同、单位“1”已知、所求问题相同、解题方法也相同的特点。B类中，整数问题与分数问题，也具有数量关系类似、单位“1”相同、单位“1”未知、所求问题相同、解题方法也相同的特点。前者顺向思考用乘法计算，后者顺向思考用乘法方程计算或逆向思考用除法计算。而且，A类问题和B类问题都建构于“单位1的量×分率（或倍数）=对应数量”这一数量关系之上。研究这些现象，沟通两种类型的四种问题，有利于学生拓宽视野广度、挖掘思维深度，以实现高水平的“求联”“求发展”。

（二）基于知识建构的学习支架设计

解决挑战性复习任务，对于大部分学生来讲是困难的，或者说存在个体难于轻松逾越的障碍，需要通过教师的指导、帮助或同伴的合作才能在有限的学习时间内达到解决问题的水平。如何提供这种必要的指导、帮助或合作？就要求教师在学生的现有知识水平和学习目标之间建立一种学习支架，帮助学生完成对学习障碍的跨越和学习状态的调节。对解决挑战性复习任务来说，教师能够选择并设计的学习支架主要是两种，一种是内置于任务单的以“先导知识”正面影响“后续知识”的形式存在的支架，另一种是外置于任务单的以“小锦囊”“个别指导”“同学合作”等形式存在的支架。

1.内置式学习支架的设计。如前所述，一个完整的支架式挑战性复习任务，包括“复现旧知点”“比较不同点”“归结相同点”和“发现新观点”四个部分，分别对应“求知”“求联”和“求发展”。其中，“求知”是“求联”的基础与支架，“求联”又是“求发展”的基础与支架。

比如，在“整数问题与分数问题的沟通”这一复习任务单中，对整数问题和分数问题的数量关系、解题方法的复现，是归结两者相同点的思维支架；而A类问题和B类问题各自的相同点又构成“发现新观点”的认知基础和思维支架（如图7）。

2.外置式学习支架的设计。有时候，复习任务内置的学习支架（如图8）不足以帮助学生“比较不同点”“归结相同点”和“发现新观点”。这时，就需要用一定的外置式学习支架来进一步激活学生思维、促进学生创新。这种支持和帮助通常以即时提示、锦囊支持和合作解决等方式呈现。

在“长方体和正方体的复习”一课教学中（见图6），由于学生没有充足的类似“长方体所含体积单位的数量就是长方体的体积”的概念，难于理解长度（或面积）就是“若干个长度单位（或面积单位）的数量”。虽然有推导公式的经验和五个内置支架的支持，学生还是存在较大的学习困难。因此，笔者准备了三套外置支架——一是通过巡视，当面指导有较大学习困难的学生；二是给存在中度困难的学生提供“小锦囊”（如图8）；三是在有学习强者的小组中组织合作学习。

综前所述，我们认为，提供支架式挑战性复习任务，可以让学生直面更多的复习困难，引发更深度的独立探索与合作交流，同时，复习任务进行适度的支架设计保证了学生学习的有限启发性和无限成长性。经历这样的复习过程，学生的思维一定能得到锻炼，学生的认知一定能得到拓展，学生的能力一定能得到提升。

（注：文章系浙江省教研课题“支架式复习任务单设计与实施的研究”研究成果之一，立项编号：13B125。）

综合管廊模板支架设计 篇12

关键词：综合管廊,模板支架,设计验算

1 前言

2015年7月28日国务院总理在主持召开国务院常务会议时指出, 针对长期存在的城市地下基础设施落后的突出问题, 要借鉴国际先进经验, 在城市建造用于集中敷设电力、通信、广电、给排水、热力、燃气等市政管线的地下综合管廊, 并作为国家重点支持的民生工程。这是创新城市基础设施建设的重要举措, 可以预见综合管廊以其充分利用地下空间、便于维护检修等优点将得到大力发展和应用。现以南京某市政道路综合管廊为例进行综合管廊的模板支架设计, 模板支架设计的安全性和经济性将会影响到管廊整体的施工质量及施工效率和成本。

2 工程概况

综合管廊设置在道路西侧人行道下, 在基坑围护及土方挖弃形成主体结构施工作业段面后随即展开综合管廊主体结构的施工, 综合管廊主体结构采用矩形现浇结构, 一般的雨污水支管等管线可以横向穿越, 管廊纵坡结合道路纵坡设计, 便于集中排水。

综合管廊标准断面的净断面尺寸为:2.9m×3.5m, 覆土厚度2.5m。结构顶板厚0.30m, 侧墙壁厚0.35m, 底板厚0.35m。最大可容纳1根DN300给水管、24孔信息管以及24孔10k V电力管, 并预留1根DN300中水管及一定的预留空间。综合管廊标准断面结构与布置图见图1。

综合管廊每11~25m分别设置结构变形缝, 以变形缝的长度作为分仓并进行“跳仓”作业施工。

3 模板支架设计

模板支架搭设于已浇筑的主体结构底板上, 根据主体结构混凝土的断面及模板安装需要, 模板支架采用碗扣式支架作为侧墙和顶板模板支架。碗扣式支架立杆间距为900mm×600mm。

在顶板下每根碗扣式支架立杆上设置准36×600×120×5可调顶托。便于顶板底模的标高调整和平整度的调整, 以及模板支架拆除。

每仓的满堂碗扣支架在纵横两方向安装剪刀撑, 横向间隔5m左右设置1道剪刀撑, 纵向设置二道剪刀撑。

侧墙外模与内模采用Φ14对拉螺栓600mm×600mm进行固定并限位, Φ14对拉螺栓上安装60mm×60mm双止水钢片并与Φ14对拉螺栓进行满焊, 以达到防水要求。拆模后截断螺栓, 孔洞处采用聚合物水泥砂浆密封。管廊主体结构模板支架及模板布设如图2所示。

4 模板支架验算

根据满堂支架的方案为保障施工人员安全和主体结构混凝土浇筑质量, 对模板及支撑进行力学验算。

4.1 顶模验算

4.1.1主要参数

Q235B钢抗压抗拉及抗弯设计强度:f=205N/mm2;

弹性模量:E=2.06×105N/mm2;

松木抗弯设计值:f=10N/mm2;

模板弹性模量:E=104N/mm2;

模板抗弯设计值:f=10N/mm2。

4.1.2荷载

0.4m钢筋混凝土:P1=2.5×1000kg/m3×10N/kg×0.4m=0.01N/mm2;

模板, 方木条自重:P2=45kg/m2=4.5×10-4N/mm2;

人行机具动荷载:P3=300kg/m2=3.0×10-3N/mm2。

根据规范, 永久荷载分项系数应取1.2, 可变荷载分项系数应取1.4。

水平荷载:P=1.2 (P1+P2) +1.4P3=0.01647N/mm2。

4.1.3水平底模验算

次梁间距取234mm, 木枋为100mm×100mm, 模板核算跨度为:

允许弯矩:M=W×f=3750×10=37500N×mm

水平板底模线荷载:q=0.01647×100=1.647N/mm

水平板底模简化为三跨简支梁:

最大弯矩满足要求。

跨中扰度:满足要求。

4.1.4顶板底模主梁验算

水平板模板主梁采用100mm×100mm木方。

每根木方允许弯矩:M=W×f=1.667×105×10=1.667×106N×mm

线荷载:q=0.01647×600=9.882N/mm

最大弯矩满足要求。

跨中扰度满足要求。

4.1.5顶板底模次梁验算

A=100×100=104mm2, W=1/6bh2=1.667×105mm3, I=1/12bh3=1/12×100×1003=8.33×106mm4。

允许弯矩:M=W×f=1.667×106N×mm

水平板次梁线荷载:q=0.01647×234=3.85N/mm

最大弯矩满足要求。

跨中扰度:满足要求。

4.2 侧模穿梁螺栓验算

新浇混凝土对模版侧压力标准值:

取两式中最小值。

式中:γc-钢筋混凝土的重力密度25k N/m3;t0-新浇混凝土的初凝时间, 取4h;v-混凝土浇筑速度取1m/h;β1-外加剂影响修正系数, 取1.2;β2-混凝土塌落度影响修正系数, 取1.15;H-新浇混凝土最大高度, 取2.9m。

所以最大侧压力为30.36N/m2。

同时取新浇混凝土振捣荷载4k N/m2, 倾倒荷载为4k N/m2;

所以N= (1.2×30.36+1.4×4+1.4×4) ×0.6×0.6=17.15k N。

穿梁螺栓直径:14mm;有效直径:11.55mm;有效面积A=105mm2;穿梁螺栓的抗拉强度设计值, 取[f]=170N/mm2;

N<[N]满足要求。

4.3 脚手架验算 (垂直)

每根杆允许承载力:F=A×f=427×205=83535N。

每根立杆实际承重:F=0.01647×600×900=8893.8N<83535N

故满足要求。

4.3.1静荷载标准值包括以下内容

静荷载标准值NG=NG1+NG2+NG3=11.454k N。

4.3.2活荷载为施工荷载标准值与振倒混凝土时产生的荷载

4.3.3立杆的轴向压力设计值计算公式

最大步距为600mm

模板支架立杆伸出顶层横向水平杆中心线至模板支撑点的长度a=411mm。

计算长度L0按下式计算的结果取大值:

由λ=88.6查表得

, 经验算稳定。

4.4脚手架验算 (水平)

每根杆允许承载力:F=A×f=427×205=87535N;

每根立杆实际承重:F=0.0302×600×600=10872N<87535N满足要求;

最大步距为900mm。

模板支架立杆伸出顶层横向水平杆中心线至模板支撑点的长度a=411mm。

计算长度L0按下式计算的结果取大值:

由λ=111.13查表得

, 经验算稳定。

5 结束语

模板支架是管廊施工中最重要的受力体系, 在搭设过程中要严格按照规范和施工方案进行, 并对碗扣支架、钢管、扣件、可调托架进行检查验收, 不得使用不合格的材料。在搭设拼装时, 支架立杆必须确保垂直, 水平顶撑Φ48钢管和纵、横向剪刀撑需与碗扣支架搭设同时进行布设, 顶模板底可调式螺杆托架必须严格控制标高, 碗扣式满堂支架架设完毕后, 上部可调式螺杆托架都必须以水准仪在顶板模板支撑立杆上测设标高线进行控制、调整。管廊在混凝土浇注完成拆模后经实际现场测量, 各部位的变形均满足设计要求, 整体结构美观顺滑。因此对模板支架进行理论计算和验证、按照标准选择构件并按规范进行搭设是保证管廊施工安全和施工质量的关键。

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准.《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》 (JGJ166-2008) [S].北京:北京中囯建筑工业出版社, 2008.

[2]上海市建设工程安全质量监督站.《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》 (JGJ130-2011) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.

[3]中国建筑科学研究院.《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2012) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.

[4]刘红波, 陈志华, 王小盾, 刘群.有剪刀撑扣件式钢管模板支架简化计算方法[J].土木建筑与环境工程, 2011, 04:65~72+79.