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论文摘要:知识经济的到来给包装机械结构设计提出了新的要求。在知识管理理论的基础之上建立了包装机械结构设计知识管理模型,重点分析了包装机械结构设计知识管理流程和知识支撑条件,最后得出了基于知识管理的包装机械设计流程。
论文关键词:知识管理;包装机械结构设计;知识管理模型
知识经济环境下,知识被视为企业最重要的资源,产品中蕴含的知识量成为竞争的基础和决定胜负的关键,对于知识密集型的包装机械结构设计来说更是如此。随着现代信息技术的发展,计算机技术的广泛使用以及多主体合作模式的出现,引起了包装机械结构设计在工作方式、组织模式和实现手段上的根本性变革,技术和市场形态的变化也对包装机械结构设计提出新的要求。因此,从知识管理的角度研究新环境下包装机械结构设计具有重要的理论和现实意义。
1包装机械结构设计中的知识管理
知识管理是适应知识经济时代发展的需要而产生的,是管理科学的思想与理念向纵深发展的结果是随着人们对资源认识的不断深化和企业管理能力的不断提高而发展起来的。知识管理既不是简单的信息管理的延伸,也不是对知识的管理或简单的知识化的管理,而是以管理为基础,以知识为中心,为解决知识开发与应用过程中出现的知识需求与知识利用间的矛盾而产生的一种管理模式。它包括知识的识别、获取、开发、传播、使用、保存以及更新的全过程,通过屏蔽信息复杂的来源,以方便用户对所需知识的获取和利用,为用户提供个性化的知识服务这些知识能够帮助主体获得竞争优势,实现最大的利益。其目的在于知识资源的有效利用,力图将合适的知识在合适的时间传递给合适的设计师,以便使他们能够做出好的决策。
包装机械结构设计中涉及到的知识有造型设计知识、产品理念知识、原理设计知识、安全性知识、人机知识、布局知识等,包装设计知识管理的目的就是通过信息技术支持、激励机制,以及良好的组织文化建设和组织结构设计,发掘组织内部已有的知识,从组织外部获取所需知识,在组织中实现知识共享并引导知识创新,并对知识进行蓄积和有效运用,以此提高组织的包装机械结构设计能力。
2包装机械结构设计知识管理模型
本文在现有的知识管理理论基础上提出了包装机械结构设计知识管理模型,如图1所示。
2.1包装机械结构设计中的知识管理流程
包装机械结构设计中的知识管理流程可分四个主要阶段:知识的获取、知识的存储、知识的转化和知识的应用。
2.1.1知识的获取
包装机械结构设计是一个知识的运用和创新的过程。一方面它依靠员工本身的技能和经验;另一方面要求通过不断地吸收外部的技术知识和专业化的学习来提高设计能力。因此,知识获取在包装机械结构设计中具有重要的作用。知识获取包括从现有的知识库或知识网络中提炼出有用的知识,以及有效、快速吸收设计所需的外部知识。通过内部与外部知识的联合与补充,将各种知识汇合成组织的知识网络,为包装机械结构设计提供一个共同的资源库,为知识提升和知识拓展创造机会。知识获取是包装机械结构设计知识管理过程的首要内容,为确保设计过程中相关知识的获得,组织应提供多种知识获得的方式,如建立内部知识库、协同工作以及创造知识交流的环境等。
2.1.2知识的存储
包装机械结构设计中的知识存储是指组织将有价值的知识经过选择、过滤、加工和提炼后,存储在适当的媒介内,并随时更新和维护其内容和结构,以利于设计者更加便利、快捷地访问,获得有效的知识。组织的存储对于组织来说是非常必要的。首先,知识的积累是知识创新的基础,根据学习创新能力理论的观点,当组织积累越多的知识,就越容易吸收、学习新知识和创造新知识。其次,知识的存储还可节约知识的重复开发成本,知识是组织投入成本所获得的提升组织优势的重要资源,从成本分摊的观点看,知识的利用程度越高,其相对价值也越高再次,组织内员工的离职、退休、死亡以及对知识的遗忘,项目团队在完成任务后解散,或者组织成员的流失和变动都会造成知识的流失,因此需要及时保存。最后,凭借知识的存储可以降低重复设计的成本和重蹈覆辙的损失。
2.1.3知识的转化
包装机械结构设计知识存在于两种形式:隐性知识和显性知识。显性知识是易表达的、可以通过语言、文字等方式传播的知识,隐性知识是个人拥有的,不易表达的,难以传播的知识,是个人长期学习和积累的结果。Nonaka提出的SECI模型显示了隐性知识和显性知识之间相互作用与相互转化的过程,如图2所示,其中包含了四个过程:
(1)隐性知识向隐性知识转化过程:设计人员之间通过观测、模仿、传授等方式进行交流,从而实现个人技能、经验等知识的传播、共享,这一过程是知识社会化的过程。组织的创新能力很大程度上依赖于隐性知识之间的转化,关键是组织成员如何贡献自己的隐性知识为集体共享;
(2)隐陛知识向显性知识转化过程:个人将存储于大脑中的设计体会、设计经验等知识通过个人主页、知识库管理系统等转变成共享的显性知识,这是知识的外在化过程;
(3)显性知识向显性知识转化过程:组织将一些分散的显性知识整合成新的更复杂或系统化的显性知识,以便在组织范围内使新知识得以共享,这是知识的综合化过程;
(4)显性知识向隐性知识转化过程:员工通过学习,将多种渠道得到的显性知识进行消化、吸收,转化成个人能力,存于大脑之中,这是知识的内在化过程。
在知识转化过程中,每一个转化阶段都会有外部新知识的融入,比如员工的自我体会、知识使用过程中的改进、创新等。因此,知识转化过程实际上也是知识共享的过程,是新知识的创造和产生过程。通过知识转化过程的螺旋上升运动,组织的知识得以充分共享,组织设计能力得到不断提高。
2.1.4知识的应用
包装机械结构设计中的知识获取、存储和转化只是为设计提供了可供利用的知识,这些知识能够被有效利用,还要看组织的知识应用能力,它决定了设计成功的可能性和效率。知识的应用有多种表现形式,如有效利用经验和教训学习提高工作流程的效率或不再重复犯错;能快速有效地将知识应用并发挥在问题解决和工作绩效的提升上;能快速有效地将知识利用发挥在可以观察到的环境变化上,以及指导竞争战略上等。
2.2包装机械结构设计中的知识支撑系统
2.2.1知识导向型的文化
由于知识型员工中竞争心理、知识垄断心理、自我封闭心理等障碍的存在,使得组织中的知识共享困难重重。因此培育一个知识导向型的文化是包装机械结构设计中知识管理成功的关键要素之一。所谓知识导向型组织文化,使指将知识视为组织最重要的资源,能够支持有效地获取、创造、交流和利用知识的组织文化。知识导向型文化的关键因素是对新知识持一种欢迎态度,并且在一个不断学习和尝试被高度评价、重视和知识的环境中,创造出一种信任和开放的气氛。通过知识导向型文化的建设,培育共享的价值观,使设计人员认识到,只有把知识拿出来共享,才能实现自身的价值,获得信任和尊重,并通过共享使知识得到增值,最终提升自己的实力。
2.2.2激励机制
建立强有力的激励制度,是包装机械结构设计知识管理成功的有效保障。通过激励机制可向设计者明确表明组织的态度,在组织内确定和鼓励知识型行为。知识型行为是指在工作岗位上利用组织知识并实现知识增值的行为。当前很多组织在知识管理实践中,常采取一种十分重要而有效的激励措施一知识全程跟踪制,并将这种激励制度作为组织知识管理初期的首选措施。所谓知识全程跟踪,是将知识提供者的姓名永久性地附在其所提供的知识记录上,并通过相应的技术支持使该提供者能够了解什么人、在什么地方、如何利用其所提供的知识,从而增进知识提供者的自豪感和成就感;同时能使该项知识的利用者与提供者之间保持密切的联系,激发利用者对提供者的尊重,并通过双方的相互交楼和探讨进一步创造新知识或知识的新应用。
2.2.3面向知识管理的组织结构设计
面向知识管理的组织结构具有柔性化、扁平化、网络化等特征。柔性化使组织能对意外的变化及时做出反应,具有较强的灵活反应的能力;扁平化减少了组织的管理层次,通过管理者向员工的全面授权,使得员工承担更大的责任,从而促进管理者与员工之间的交流;网络化可使各组织单元之间的连接最大化,从而为知识共享提供最佳的组织结构支持。
2.2.4信息技术支持
信息技术有利于组织内拥有不同知识基础的员工协作,有利于员工接近知识和分享知识,有利于加速交流,提高知识收集和知识利用的效率。
2.2.5形成设计、制造、使用一体化的知识管理机制
传统的串行工程从设计到制造各道工序是按一定的先后顺序逐步实施的,由于在产品方案的设计中缺乏其他部门的支持与合作,因此,许多本来可以提前解决的问题都必须等到整个设计方案进入下一环节后才能被发现,然后设计部门再根据后续部门反馈的结果进行设计的修改与更正,造成时间与资源的浪费。形成设计、制造、使用一体化的知识管理体制,即在合作企业和部门之间共享统一的知识库,并且在产品开发全过程中让用户参与进来,以便及时了解用户的需求,发现产品的缺陷,更新知识库中的信息,从而缩短产品开发周期,提高顾客满意度。综上所述,基于知识管理的包装机械结构设计流程如图3所示:
3结论
技术的发展和竞争环境的变化使得知识在包装机械结构设计中的地位越来越重要。本文在知识管理理论的基础之上建立了包装机械结构设计知识管理模型,重点分析了包装机械结构设计知识管理流程和知识支撑系统,最后提出了基于知识管理的包装机械设计流程,为应用知识管理提升包装机械结构设计提供了有益的参考。
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摘 要:文章以上海市绿科路新建工程为例,运用桥梁博士软件分析了城市桥梁与城市轨道交通(本文指地下铁道,英译Metro)线位平行时的桥梁下部结构设计和优化,并探讨了桥梁基础与盾构施工的建设时序以及相应的保护措施。
关键词:下部结构;盾构;预应力混凝土盖梁;差异沉降;铅芯橡胶支座
中图分类号:U448 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2015)08-0015-02
随着我国经济快速发展,北京、上海、广州等一线城市的城市轨道交通线路陆续开始建设并投入运营。按照线路架设方式,城市轨道交通分地下、高架和地面三种形式,地下轨道交通(下文简称“地铁”)通常采用盾构施工,隧道结构保护和附加荷载控制严格。在城市桥梁与地铁线位平行的条件下,如何对桥梁下部结构进行优化设计并处理好桥梁基础与隧道结构不同建设时序下的保护措施,是桥梁工程师们正在面对的难题。本文将对此类条件下的某城市桥梁的总体布置作简要阐述,并着重对下部结构建模进行分析、比较,提出桥梁施工期间的保护要点。
上海市绿科路(南洋泾路-罗山路)为城市次干路,双向四车道,红线宽度34 m,道路在桩号K0+694处跨越先生浜河,河道规划蓝线宽度21 m,需新建过河桥梁一座。根据工程可行性研究报告,新建桥梁跨径组合(8+16+8) m,桥位与规划地铁13号线线位重合。桥梁与地铁线位位置平面如图1所示。
依据地铁13号线施工图设计资料,桥位处隧道分上行、下行线,隧道采用盾构施工工艺,外缘直径6.8 m,净距约17.5 m,隧道与桥面中心线平面距离约1.1 m,隧道位于地面以下15~25 m。
初步设计阶段经征询地铁设计单位,明确隧道与桩基净距要求:新建桥梁桩基与隧道外缘净距≤3.0 m。因此,隧道两侧桥梁桩基横桥向净距≥12.8 m(=3.0+6.8+3.0 m),两孔隧道间桩基横桥向布置宽度约11.5 m,详平面图。依据工程建设条件的限制,桥梁应合理布置桩位,采用较大横桥向跨度的桥墩结构,同时做好对桥梁下部结构的保护措施。
根据上海地区的建设经验,中小跨径梁桥的上部结构一般采用预制混凝土空心板梁,其建筑高度低,设计、施工经验成熟,质量有保障。
空心板梁设计汽车荷载:城-B级,16 m跨梁高82 cm、8 m跨梁高52 cm。
具有较大横桥向跨径的桥墩结构中,常见的为门墩式混凝土结构、钢结构。
混凝土结构:采用预应力混凝土盖梁,一般为倒“T”形截面,张拉横向预应力形成竖向抗弯体系。
钢结构:横梁、立柱采用钢构件,一般为型钢组合截面,通过焊接形成框架。
近年来,预应力混凝土盖梁在高架桥梁中应用较多,其设计和施工均比较成熟,一般采用满堂支架现浇,分批张拉预应力;钢结构轻质高强,适用跨度较大,可工厂预制、现场焊接,但单位造价较高,作为桥墩结构,其用钢量较大,浦东地区同类工程应用很少。基于地区适用性和造价考虑,桥墩采用门墩式混凝土结构。
根据桥梁与地铁线位的相对位置以及隧道保护净距要求,总体布置中中立柱承台与桥面中心线的水平距离为1.073 m,桥墩盖梁端部设置边立柱与承台,盖梁中部设置双立柱与承台。
预应力混凝土盖梁采用倒“T”形截面,宽2.8 m(含牛腿各宽0.9 m),截面最大高度1.97 m,盖梁横坡通过截面高度变化形成;立柱截面2×1.5 m;承台厚度2 m;桩基直径0.8 m。
材料:盖梁为C50混凝土;钢绞线采用(1×7-15.20-1860-
GB/T 5224-2003)国家标准,每9根编束;立柱、承台(含桩基)分别采用C40、C30混凝土,普通钢筋采用HRB400。
根据中、边立柱与盖梁的联结方式、盖梁是否设置沉降缝,将盖梁分为三种结构:墩梁全固结;中墩固结边墩释放;墩梁固结盖梁设缝。
依据边界条件分别建立“桥梁博士”模型进行横桥向结构分析计算,根据承载能力、正常使用极限状态下的验算结果,确定桥墩合理的结构形式。考虑桥梁使用和所处I类环境的要求,桥墩盖梁按A类预应力混凝土构件设计。
桥墩立柱均与盖梁固结,盖梁边跨高比(l/h)=8.1,立柱与盖梁节点传递轴力、剪力、弯矩,盖梁受弯时立柱将分摊部分弯矩,立柱横桥向的线刚度(EI/l)以控制柱顶水平位移?驻x时截面内力为目的进行优化。根据桥面及承台顶标高计算,立柱高Hz=2.603 m。盖梁、立柱线刚度计算如下:
盖梁:■;
立柱:■。
两者线刚度之比0.32,因此盖梁横桥向应按三跨连续刚构计算。立柱高度Hz对计算结果影响较大,在施工条件允许时,应尽量降低承台顶标高,以改善盖梁内力。限于篇幅,本文中计算模型单元划分和建立予以省略。
计算模型中桩基按照横向抗弯模量EI等效的原则,将双排桩(桩径d)等效为单根直径dr的桩基(dr=■)。
经初算,预应力钢束分三行三列布置,两端张拉,在盖梁端部锚固。施工阶段划分:立柱及下部基础施工,盖梁钢筋、波纹管、混凝土施工,养护28 d;张拉第一批钢束,架梁,铰缝施工;张拉第二批钢束,桥面铺装施工;成桥10 a;其中,一期、二期恒载、活载按阶段输入。
依据(JTG D62-2004)相关条文,对预应力钢束进行调束,优化各单元截面内力后,结果见表1。
表注:1.表中数值前带“+”表示截面受压,“-”表示截面受拉;中、边立柱的内缘均指桥墩中心线侧;
2.?滓st、?滓lt为在荷载短期、长期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力;?滓pc为扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力;?滓tp为由荷载短期效应组合和预加力产生的混凝土主拉应力。
根据计算结果,结构体系对升、降温,混凝土收缩、徐变,柱顶水平位移,基础差异沉降等作用较为敏感,立柱单侧钢筋配筋率0.3%时,边立柱顶部的柱身裂缝宽度不满足规范要求,各组合下盖梁截面应力满足规范要求。
②中墩固结、边墩释放条件下的结构分析
桥墩中立柱与盖梁固结,边立柱顶面设置单向活动支座,允许该支点处盖梁有横桥向水平位移和转角位移,但纵桥向位移予以约束,避免中立柱在水平面内扭转变形。边立柱与盖梁节点仅传递竖向轴力、纵桥向水平剪力,仅中立柱分摊盖梁的弯矩。
除节点约束外,模型Ⅱ与模型Ⅰ相同,调束并优化截面内力后,结果见表2。
根据计算结果,边立柱与盖梁节点的转角、水平位移约束释放后,升、降温,混凝土收缩、徐变等引起的边立柱附近盖梁弯矩减小,中立柱附近盖梁支点负弯矩、跨中正弯矩有所增加;与模型Ⅰ相比,短期效应组合立柱顶的最大水平剪力增至2 350 kN,柱顶柱身最大弯矩增至2 360 kN·m,立柱底柱身弯矩变化较小,约2 700 kN·m;承载能力极限状态下边立柱顶面最大支座反力为2 260 kN。
综合分析,中立柱柱身最大弯矩变化较小,柱顶水平剪力增幅较大,宜加强柱顶箍筋,减小箍筋间距。立柱单侧钢筋配筋率0.3%时,能较好控制柱身裂缝;各组合下盖梁截面应力满足规范要求,结构受力状况合理。
③墩梁固结、盖梁设缝条件下的结构分析
模型I盖梁未设沉降缝,结构对预应力张拉、升、降温、差异沉降等较为敏感,模型Ⅲ在中立柱间设置沉降缝后,盖梁结构上分为两幅。通过在沉降缝处盖梁端部预埋固定端锚具,边立柱处盖梁端部单端张拉形成预应力体系。该结构降低了超静定次数,为优化设计创造了条件。
模型Ⅲ中单元、荷载、边界条件与模型I基本相同,在设置沉降缝的节点处将左、右单元隔离,预应力钢束在两幅桥墩结构中分别布置,经过试算和调束,优化截面内力后,计算结果见表3。
根据计算结果,立柱单侧钢筋配筋率0.3%时中立柱底部内缘柱身裂缝宽度不满足规范要求,各组合下盖梁截面应力满足规范要求。
④桥墩结构选择及优化
根据分析结果,三种结构特性如下:
墩梁全固结:升、降温,混凝土收缩、徐变,水平位移,基础差异沉降等作用对结构影响明显,立柱裂缝宽度Wfk是结构设计主控因素。
中墩固结、边墩释放:盖梁截面应力、立柱裂缝宽度Wfk满足规范要求,中、边立柱受力合理,盖梁、立柱截面可优化。
墩梁固结、盖梁设缝:结构超静定次数较低,中立柱裂缝是结构设计主控因素;差异沉降时沉降缝附近桥面铺装易纵向开裂。
综合分析,选用结构Ⅱ作为新建桥墩结构;边立柱顶面设置隔震力学性能、耐久性好的铅芯橡胶支座。
新建桥梁应按照地铁隧道盾构和桥梁下部结构的施工时序确定合理的施工组织方案,在保证施工质量、运营安全、结构耐久的前提下,对盾构和桥梁下部结构施工先后的两种工况作简要分析,提出合理的建议。
隧道盾构完工后,施工桥梁桩基础。考虑适用性和无挤土效应,上海地区桥梁桩基常选用钻孔灌注桩,需要注意的是施工中钻孔及泥浆循环容易对桩身附近土层产生扰动,局部土体内力重分布,有可能引起隧道结构变形、裂缝或渗水等不良后果。因此需要在隧道结构上安装监测装置,目的是在桩基及下部结构施工时对隧道结构进行监测。
盾构附近的钻孔桩一定桩身长度范围内推荐设置钢护筒,避免桩基施工对隧道结构的不利影响,该段桩基侧摩阻力不计入桩基承载力。应注意桩基定位精度,并在盾构附近四列纵桥向桩基内设置测斜管,实时监测桩身倾斜度。
施工时原地面的土体开挖或堆载将对下方隧道结构带来附加荷载,应避免在地铁上方原地面进行卸、堆载,承台开挖时应采取有效的等载措施。
本工况中盾构在桥梁下部结构完工后进行,桥梁按照隧道保护距离要求布置桩位,预留盾构空间,钻孔灌注桩桩身应安装监测装置。地铁盾构施工中应加强对桥梁下部结构的保护,控制盾构推进速度,尤其注意边墩桩基础的桩身状况监测,避免土压力变化造成桩基桩身强度破坏或土体扰动带来桩基沉降。
①本文通过建立平面杆系模型,比较分析了受地铁盾构施工影响下的三种桥墩结构形式,推荐了中墩固结、边墩释放的合理桥墩结构,并提出了施工期间的保护措施,希望为同类型桥梁的设计提供借鉴。
②在墩梁完全固结的情况下,桥墩结构受整体升、降温,混凝土收缩、徐变,基础差异沉降的影响明显,应引起桥梁设计人员的重视。
③本文是基于预应力混凝土桥墩盖梁进行的结构分析,桥墩采用钢构件时如何进行结构设计还有待于进一步研究。
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20世纪初,美国的莱特兄弟在世界飞机发展史上做出了重大的贡献。在1903年制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者一号”,并且获得试飞成功。他们因此于1909年获得美国国会荣誉奖。同年,他们创办了“莱特飞机公司”。自从飞机发明以后,飞机日益成为现代文明不可缺少的交通工具。它深刻地改变和影响了人们的生活,开启了人们征服蓝天的历史。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:探析飞机结构设计的知识获取与重用方法研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
数字化以及智能化作为现代制造技术的重要特征和发展趋势,已经对飞机结构的设计等有着重要的影响,在这一过程中的知识重用方法的关键技术是实现飞机结构科学设计的重要保障,加强其理论研究对实际发展就有着重要性。
2.1 面向飞机结构设计的知识获取技术分析
对于飞机结构的设计知识有着图表公式和实例等不同类型,这样就需要进行研究不同的知识获取方法,并实现各种类型的知识规范化表达。从知识获取技术层面来说主要有基于模糊聚类分析数据挖掘技术,这样就能够让无规律海量数据变得有意义,但这也是有着挑战性的一项工作,对飞机结构的设计当中所遇到的设计数据构建算法,并详细说明模糊聚类分析法在知识挖掘当中的应用,对结构设计所形成的数据集进行充分考虑。这是有着大量设计例子的数据,并能从多个特征来加以刻画,结合其型号能够将其分成大中小三种级别并由此来构建数据集。还有就是曲线图坐标点数字化处理技术,在飞机结构设计中尤其是计算机还没有很发达的年代,就比较容易遇到曲线图形式保存图纸上的数据情况,在科学技术不断发展进步过程中,通过数字化的形式进行处理数据已经比较流行。在数字化技术下能够将曲线图查询及交流共享等在作业的效率上得到大幅度提升。
2.2 面向飞机结构设计的知识重用方法分析
针对飞机的结构设计重用已有的设计知识就显得比较重要,这不只是能够将设计的效率得以有效提升,同时也能将设计的可靠性得以有效提升。通常对于知识的重用主要是针对计算机的重用而言的,也就是对计算机所支持的重用方法和系统模型等进行研究,把以往的设计实例及规则过程等在现阶段的设计活动当中进行应用,以此来起到飞机结构设计的辅助作用目标。
3.1 面向飞机结构设计的知识表达方法分析
所谓的知识表达就是把所获取的知识进行转化为能够被数字化设计利用的形式,然后针对多样化的知识形态以及多样化的方法进行对知识单元加以表达,从而达到位知识的重用提供支持的作用。在这一过程中要能够注意对飞机结构设计当中所遇到的过程性和规则性等表达方法加强重视,从规则性的知识表达层面来看这也是比较常见的知识类型,比较适用于半自动方式的获取,在规则性知识库的作用下能够为飞机结构提供支持。
由于规则性的知识在结构性方面较强,所以就相对比较适用于半自动方式来加以处理,比较常用的就是知识编辑器,其能够在界面录入相关知识在获得原有知识输入后能对其内容加以解析并和规则知识库自动进行交互以及对相关知识加以检测,经过检测之后将能够符合规则的知识自动转换成知识表达的形式加以保存,以此来完成新的规则性知识进行录入,如下图所示。在飞机结构的设计过程中比较常用的就是飞机设计手册,这其中就有着大量计算规则以及公式等,将这些相关的公式以及信息录入到知识编辑器当中就能够对设计人员起到辅助的作用。具体的步骤就是先要手动录入规则前提及结论,对所输入的相关内容加以识别,并对字符串变量内容加以解析,最后就是对所录入的知识片体加以编译。
面向飞机结构设计有着诸多的难度和复杂点,故此通过以往飞机结构设计知识进行对设计者起到辅助作用,就能将其价值得到充分发挥。对飞机结构设计遇到的多样知识形式要能进行建立知识重用模型,并要能够将可拓学知识形式划分事元物元以及关系元这几种类型,物元其设计对象是结构设计当中静态设计知识,而事元则是结构设计中的行为,关系元是结构设计中之间的互相依赖的关系,这些都统称为基元。
飞机结构的设计知识重用过程主要能够分为两种情况,一个是直接的采用已有的知识,还有就是在已有的知识对实际的需求不能得到满足的情况下就要能够对知识进行转化,而在可拓学的基础上就能够在可拓变换后所获得的拓展基元能够对设计要求得到满足的时候,就能够将其作为重用对象加以对结构设计进行辅佐。从具体的步骤上主要就是先进行计算可拓重用特征系数,以及确定飞机结构设计需要的基元权重,再进行计算拓展基元的可拓重用度。
总而言之,对面向飞机结构设计的知识获取技术和重用方法的分析对实际的操作有着重要促进作用,这也是对实际技术的发展有着重要意义的事情,能够有效提升飞机结构数字化成都及市场响应速度。由于本文的篇幅限制不能进一步深化探究,希望借此研究能起到抛砖引玉的作用,以待后来者居上。
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边节点试验构件取用承重框架梁柱反弯点之间的一个平面组合体,即“T字形”试件。为有效保证试件的浇筑质量和垂直度,并与工程实际相符,全部试件均采用钢模板、立模浇筑。边节点构件柱子的截面尺寸为200mm×200mm,梁的截面尺寸为150mm×250mm,纵向受力钢筋采用HRB400级,箍筋采用HPB235级。柱子的配筋率为1.13%,梁的配筋率为0.9%,所有构件配筋率和钢筋的强度相同。为防止柱头破坏,柱上、下两端箍筋加密;节点核心区按照抗震要求对箍筋进行了加密处理。本次试验共包括7根试件,详细的试验构件概况如表1所示,构件的尺寸和配筋图示,节点核心区采用柱混凝土的构件,施工缝留设在梁下部;节点核心区采用梁混凝土的构件,分别在梁上和梁下留设两道施工缝,施工缝处浇筑时间间隔为2天(48小时)。
1.2试验方法和加载装置
采用低周反复试验方法进行研究,加载制度为力—位移混合控制加载,在开始加载到构件屈服前采用力控制;构件屈服后,改用屈服位移的整数倍为级差作为回载控制点,每一位移下循环3次。在实际框架结构中,当作用水平荷载时,上柱反弯点可视为水平可移动铰,相应的下柱反弯点可视为固定铰;而节点两侧梁的反弯点可视为水平可移动铰。这样可以有两种加载方案:一种是在柱端施加水平荷载或位移,这时梁能够左右移动而上下受到约束,产生剪力和弯矩。这种边界条件比较符合实际结构中的受力状态;另一种是将柱保持垂直状态,在梁的自由端施加反复荷载或位移,此时边界条件变为上下柱反弯点为不动铰,梁反弯点为自由端。本次试验采用的是柱端加载的方式,即采用在柱顶施加轴向力和水平力的方式进行试本次试验在东北电力大学结构试验室进行,采用美国MTS公司生产的MTS液压式伺服加载系统进行试验,采用MTS动态数据采集系统进行数据采集。试验自行设计了加载装置,竖向加载装置由反力架和1000kN数控电动液压伺服作动器组成,水平加载装置由反力墙和500kN数控电动液压伺服作动器组成。试件垂直安放,为了保证柱的上、下两端为理想的球铰,在柱端设置了带有滚动轴的垫板,垫板上部为可转动的油压千斤顶,柱下端为固定铰支座;梁端由刚性连杆与地面铰支座相连,保证梁端可以水平移动但是不能垂直移动。试验加载装置示意图如图2所示。
2边节点试验结果与分析
2.1破坏现象
边节点构件BZ1为节点核心区采用梁中混凝土强度的构件,构件破坏图片如图3所示。构件初始裂缝出现在梁端第一箍筋处,正向开裂荷载为10kN;反向开裂荷载为20kN;裂缝扩展速度较快,裂缝区域主要集中在梁的端部范围内,节点核心区只有少量细小的裂缝出现,没有明显破坏。构件最后在梁端形成塑性铰,塑性铰发展充分构件BZ1的柱子和梁的实际配合比相差2个强度等级,说明当梁柱强度等级相差较小时,节点能够满足抗震设计要求。当延伸长度为0.5h时,出现裂缝的范围较小;当延伸长度为1.5h时,出现裂缝的范围较大;延伸长度为h时,裂缝的范围居两者之间;同时,只有延伸长度为0.5h时,在梁的根部出现了破坏裂缝。从开裂荷载上看,延伸长度为1.5h的构件开裂荷载最大,说明延伸长度对梁的开裂荷载有一定的影响。节点核心区均未产生明显的破坏,这是由于所有构件均采用了“强节点,弱构件”的设计原则,节点核心区的箍筋做了加密,采用了柱子的混凝土强度浇筑节点核心区;与梁和柱子相比较,节点具有更好的抵抗低周反复荷载的能力。
2.2骨架曲线和滞回曲线不同轴压比和不同延伸长度下,边节点核心区采用柱子混凝土强度的构件骨架曲线对比。轴压比越大,滞回曲线的刚度也越大。在0.3和0.5轴压比下,延伸长度对骨架曲线的形态、屈服荷载和最大荷载都没有显著影响,而延伸长度为0.5h的试件,下降段更陡峭一些。光滑;轴压比越大,滞回曲线的刚度也越大;从卸载曲线上看,主筋在节点存在一定量的滑移。其余边节点构件的滞回曲线,均呈较光滑的梭形。
2.3承载力和延性性能分析边节点构件的试验结果,延性系数取用最大位移(即构件的最大承载力对应的位移)与屈服位移的比值,屈服位移由图解法确定。从表2可以看出,在0.3轴压比下,延伸长度为1.5h时的延性性能最好,为3.26;延伸长度为h时的延性性能稍差,为3.11;延伸长度为0.5h时的延性性能最小,为2.53;延伸长度对屈服荷载和最大荷载没有显著影响。在0.5轴压比下,延伸长度为h时的构件延性性能最好,为2.73;为1.5h时的延性性能稍差,为2.41;为0.5h时的延性性能最小,为2.38。从试验结果可见,延伸长度为0.5h时,延性性能最差,随着延伸长度的增加,延性性能增大。延伸长度为1.5h时的试件最大荷载略高于其他构件,延伸长度对屈服荷载没有显著影响。从试验结果可以看出,当构件所承受的轴压比较低时,即使梁柱边节点核心区采用强度较低的梁中混凝土,其承载能力仍能满足要求,但是延性性能弱于节点核心区采用柱子混凝土强度的构件。
3结论
(1)从破坏现象上看,试验构件的破坏均为梁端的受弯破坏。当构件所承受的轴压比较低时,即使边节点核心区采用强度较低的梁中混凝土,其破坏形态仍为梁端受弯破坏,但是延性性能略有下降。
(2)从试验结果上看,柱子中高强混凝土在梁中的延伸长度为1.5h时的承载能力和开裂荷载最大,延伸长度对屈服荷载没有显著影响。
(3)从延性性能上看,在0.3轴压比下,延伸长度为1.5h时的延性最好,为h时的延性稍差,为0.5h时的延性最小。在0.5轴压比下,延伸长度为h时的构件延性最好,为1.5h时的延性稍差,为0.5h时的延性最小。从试验结果可见,延伸长度为0.5h时,延性性能最差,随着延伸长度的增加,延性性能增大。
结构优化设计的管理措施
以施工为主营的总承包商在海外D&B项目中,面临着诸多挑战,就本项目而言,主要面临的问题有:①由于项目的特殊性,业主方已经完成项目的结构方案设计,虽规避了部分设计风险,同时也失去了设计的主动权。不仅对结构优化设计产生一定的局限性,而且还需承担原设计存在的缺陷风险。②由于设计规范、法律、文化背景与国内情形有很大差别,仅仅依靠承包商自身技术力量难以完成设计任务。③采用设计分包,设计的核心技术往往由设计方控制,承包商多以被动接受,难以有效进行技术控制。④结构设计方案与现场施工脱节问题。⑤结构优化设计,涉及多部门、多专业工种,技术协调工作繁重。⑥项目合同工期压力大,5栋塔楼的合同工期为32个月。针对上述问题,制定了相应的控制思路和具体管理流程。
1控制思路
1)改变管理观念和意识在传统施工承包模式下,由业主方提供设计文件,承包商没有得到工程师相关变更指令,必须“按图设计与施工”,原则上不得对原设计进行任何改动。然而在D&B项目,承包商造价控制关键在设计阶段。因此,要从根本上改变传统施工总承包管理观念和意识,建立适应D&B项目总承包项目特点的新型设计、施工管理体系,充分发挥优化设计的核心作用和优势。2)优选设计公司,组建优化团队首先在结构技术设计阶段,采用设计分包,并优选国际知名的设计咨询公司,为城市之光项目提供高质量的方案和设计支持。其次为发挥优化设计的核心作用和优势,联合本地一家声誉好、结构优化设计经验丰富的工程咨询公司,对设计方提供结构设计方案,再进行优化设计。一方面弥补自身技术力量薄弱的特点,另一方面对设计方案进行技术监督与控制。3)树立优化设计与施工集成思想结构设计方案常常能满足建筑功能和结构安全可靠度的要求,然而往往设计人员施工经验不足,对施工流程和工艺不熟悉,致使设计与现场施工脱节,造成施工难度加大,成本支出增加。因此结构优化设计阶段,始终树立优化设计与施工集成思想。同时要求施工技术人员积极参与设计方案讨论,紧密结合建筑结构特点和所采取的施工措施,将技术、材料和施工工艺进行综合考虑,以达到降低施工难度和工程造价的目的。4)各个专业统筹兼顾,力争全局协调一致在工程设计过程中,涉及多部门、多专业工种,其中包括结构、建筑、电气、给排水、暖通、煤气等专业工种。由于各个专业各自独立设计,势必造成设计方案从局部看是合理的经济方案,但从全局看未必是合理优良的方案。因此结构优化设计时,不仅满足建筑功能及规范的要求,而且还需各个专业统筹兼顾,力争全局协调一致,达到最优方案。
2管理实践
根据上述的控制思路,并结合城市之光项目的特点,制定优化设计施工管理体系的流程,分阶段对设计方案进行优化,如图2所示。
结构优化设计技术措施
1技术设计阶段结构优化措施
为满足建筑功能的要求,结构设计往往不是唯一的,不同的结构方案会使工程造价和工程质量产生很大的差别,甚至决定项目建设的成败。因此在满足建筑功能和结构安全可靠的前提下,着重分析结构设计的先进性和经济性。通过对原结构设计方案的分析发现,原设计结构平面布置较为均匀,东西对称,竖向荷载传递合理。但是,首先对设计方提出结构优化设计的具体措施:①提高结构材料的利用率,尽量采用高强度的钢筋及混凝土;②对5栋塔楼筏板以及裙楼筏板重新验算与设计;③对于水平承载构件,尽量采用预应力混凝土无梁板;④选择正确的结构计算方法;⑤优化设计与施工集成思想。然后再根据设计方提供的结构设计方案,联合专业的结构公司通过最优的结构验算,再进行优化,实现设计方案的技术监督与控制,提高设计的质量。
提高材料的利用率。结构优化设计目的是提高结构设计的性价比,对结构材料的选用要合理,利用要充分。要根据结构构件的不同受力特点、工作环境和材料本身力学性能,选用合适的结构材料,对于高层建筑尤为重要。①采用高强度的钢筋,主要优点有减少钢筋用量,减小结构构件的尺寸,减轻结构自重。本项目采用强度级别为460N/mm2热轧带肋钢筋。②尽可能采用高强度的混凝土,充分利用混凝土的抗压性能,不仅减小构件的截面尺寸,增加使用空间,而且减轻自重提高设计质量。如5栋塔楼的竖向结构混凝土强度等级主要为C60,水平承载结构混凝土强度等级为C40。③对于高层结构的转换层和受力结构复杂的节点部位,采用型钢混凝土结构和预应力混凝土结构,利用材料的力学性能,组合使用,以达到适用、安全、经济的目的。如C10a塔楼的L16剪力墙采用型钢混凝土结构,将原来8道混凝土剪力墙减少到4道。
筏板基础。1)塔楼的筏板基础该项目5栋塔楼基础为筏板基础,原设计方案中C2,C3和C10,C11塔楼的筏板厚度为3m;C10a塔楼筏板厚度为3.5m,通过分析发现,可以减小筏板厚度和配筋率,并提出两种优化方案:①方案1保持筏板顶标高和厚度不变,减少5%的钢材用量;②方案2保持筏板顶标高不变,筏板厚度减小500mm,同时可以减少15%混凝土用量和5%的钢材用量。对两种方案进行比较,方案2的经济效益明显较好。但是,由于现场桩基础已经施工完成,即桩头标高已定。如果采用此方案,保持筏板顶标高不变,因桩顶标高低于筏板底500mm,难以实现。如果保持筏板底标高不变,B3地下室净空间增大500mm,一方面业主不认可,另一方面因净高的增加致使一系列的结构构件需要重新设计,如楼梯、坡道等,不经济。因而最终采用方案1,节约5%塔楼筏板基础钢筋用量。2)裙楼的筏板基础C10,C11裙楼浅筏板总面积约5945m2,C2,C3裙楼浅筏板总面积约4297m2,设计方提供的方案为:筏板的厚度均为500mm,其中桩帽区域钢筋为:T1&T2为Y16-150;B1&B2为Y25-150,非桩帽区域为,T1&T2为Y12-125;B1&B2为Y16-175。为此联合专业结构优化设计公司,计算分析发现原筏板设计过于保守。提出具体优化措施:①利用裙楼筏板钢筋取代桩帽上部钢筋;②裙楼筏板的厚度从500mm减至400mm;③合理减小钢筋配筋率,为双层双向Y12-150钢筋网片。如图3,4所示。
水平承载构件尽量采用预应力无梁板。采用预应力无梁混凝土板相对于普通混凝土梁板的最大优点在于节约钢材用量和降低施工难度。原设计方案中,5栋塔楼的楼板全部为普通混凝土板,裙楼楼板为普通混凝土板加局部预应力板,预应力板所占的比例较少。为此,优化具体措施为:①4000mm×4000mm×375mm柱帽构造措施,取消部分混凝土梁。②由于裙楼面积较大和预应力板的钢绞线张拉限制,设置多条后浇带;③将5栋塔楼核心筒外围的混凝土板全部设计为预应力板;④对于跨度较大的混凝土梁,设计成后张法预应力钢筋混凝土梁。如C10a塔楼○F3和○F5轴线之间的混凝土梁最大跨度达17.2m,采用后张法预应力混凝土梁,不仅降低施工难度,而且减少钢筋和混凝土用量。以C10,C11裙楼L6层为例,原设计预应力混凝土板的面积占该层总面积的25%,优化后预应力混凝土板的面积占该层总面积的79%,大大提高了预应力混凝土板的比例,如图5所示。
选择正确的结构计算。结构优化设计的过程就是对结构方案追求完美的过程。然而在结构优化设计过程中,设计方重视设计速度,以完成任务为前提,设计人员往往不注重工程造价,常常为了保险起见,加大安全系数,只要保证设计方案不出现大的质量问题,方案的好坏、造价的高低无关紧要。因此选择正确的结构计算尤为重要,为此联合专业结构优化设计公司,对结构设计方案进行技术监督与控制。例如对裙楼挡土墙及剪力墙,通过建立结构模型,重新分析验算,使结构达到最优化。C10,C10a,C11塔楼505m长地下室挡土墙,原设计方案共有5种类型,从地下3层至首层墙体厚度都为500mm,并设计不同类型的拉接钢筋,间距为Y12-125(max),如图6所示。为此,结合相关设计参数和地质勘探报告,根据不同深度的土壤对挡土墙水平侧压力不同和竖向承载力的变化,对挡土墙进行再验算。优化结果:①墙厚范围地下3层至地下2层为400mm,地下2层至地下1层为300mm,地下1层至首层为250mm。②根据美标ACI318-0514.3.6的规定,如果竖向钢筋的配筋率≤0.01,则可不设置水平方向拉筋。但考虑现场施工要求,设置Y10@450~500水平拉筋,便于竖向钢筋固定。③按结构设计总说明的要求,拉筋两端为180°弯钩,施工难度较大,为此优化拉筋样式为一端90°,一端180°。
优化设计与施工集成思想。在技术设计阶段,始终树立优化设计与施工集成思想。应紧密结合建筑结构特点和所采取的施工措施,将技术、材料、施工工艺和施工措施的优点集中体现在优化设计方案中,避免设计与施工脱节,造成施工成本增加,同时降低施工难度,保证了工期。以C2,C3塔楼台模水平运输为例进行说明。C2,C3塔楼楼板采用台模体系,由于结构形式为剪力墙加核心筒结构,如图7所示,剪力墙与核心筒相连,使得台模水平运输困难。如果利用塔式起重机周转台模,施工难度大且进度慢。为此根据结构特点和施工要求,采用预留施工洞口,即在剪力墙上预留4.0m×2.9m(宽×高)洞口,以方便台模水平周转运输。经与设计方协商,在保证结构安全前提下,通过优化设计,C2塔楼从L7至L32层,在每层轴线○RC/○RD/○RE预留6个洞口,C3塔楼从L7至L28层,在轴线○RK/○RL/○RM预留6个洞口;待结构施工完成,洞口将用砖墙砌筑。通过上述措施,一方面降低施工难度,显著提高施工进度,另一方面用砖墙代替混凝土,减少钢材和混凝土用量。由于篇幅有限,其他案例不再赘述。
2施工图设计阶段结构优化措施
施工图设计是根据已经批准的设计图纸进行的深化设计。施工图质量对现场的施工质量起到至关重要的影响。为此通过对结构的施工图纸进行优化设计,进一步对工程造价进行控制。主要采取的措施有:精细化设计,采用标准设计,控制局部小的变更在现场施工之前的措施。1)精细化设计结构的施工图纸越精细,现场施工越顺利,而且易于发现局部设计差异。为此,可以采取以下措施:①针对结构构件,如梁、板、柱、墙,精细到每根钢筋,标明钢筋尺寸及根数、长度、搭接位置及长度等,大大降低钢筋放样阶段浪费;②针对复杂结构,精细到每个节点,标明尺寸、高度等。③对于结构构件平面定位,不仅标明具体的尺寸,而且精确到每个坐标点。2)标准设计在施工图设计阶段采用标准设计可以降低工程造价,具体为:减少深化设计的工作量,提高设计的效率,大大缩短施工图设计周期;采用标准构件可以加快工程施工进度,减少材料浪费,标准设计有较强的通用性,可以大量重复使用,较为经济。如梁上洞口标准加钢筋节点,设备基础标准配筋节点,圈梁构造柱节点,剪力墙标准配筋节点等。3)尽量控制局部小变更在现场施工之前在施工图精细化过程中,对于局部设计差异,及时与设计方沟通,并通过变更节点直接用于现场施工;对于施工难度较大的节点,及时提出合理建议,调整局部设计,降低施工难度。将此类局部小变更控制在现场施工之前,避免现场返工,有利于对施工成本的控制。
结构优化设计经济效益
通过结构优化设计在本项目取得了很好的经济效益,节约大量的材料,降低劳动力的使用量,提高施工进度。仅与优化公司联合优化的部分,就节约了混凝土2.7万m3,钢筋约136t,合计减少材料成本1680万迪拉姆。
结语
通过在本高层项目设计阶段的结构优化设计,总结了在D&B总承包合同模式下结构优化设计控制思路与管理实践,并结合措施与案例分析。实践证明,传统施工承包商在D&B项目中采用结构优化设计,有效控制工程造价,并取得良好的经济效益。同时也给同类D&B项目,提供结构优化设计借鉴。但是在D&B总承包合同下,对优化设计也面临一些认识不足的问题:①设计方重视设计速度,以完成任务为前提,通常提供单一化的方案,可比性不强;②所有的优化方案必须经原设计方的认同并作修改,再次审批和施工图评审,导致设计周期延长,甚至影响现场施工进度;③对设计方案存在的缺陷,缺乏量的界定、责任的划分和可供操作的处罚条款,是不负经济责任的设计对造价控制缺乏基本的原动力,还有待在实践中不断加以完善和提升。
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