性能结构设计（精选十篇）
性能结构设计 篇1
关键词：结构性能,抗震,反应谱
0 引言
我国是世界上大陆地震最多的国家之一。20世纪以来, 全球发生7级以上地震1 200余次, 其中十分之一在我国。地震是一种突发性和毁灭性的自然灾害, 危害主要表现在:地震引起建筑物的破坏、倒塌将导致严重的人身伤亡和惨重的财产损失。
1 结构性能抗震设计理论的研究现状与问题
1.1 现行建筑规范抗震设计
现行建筑规范抗震设计采用了“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准设防目标和两阶段抗震设计方法, 在一定条件下, 结构可靠度为在规范预定时间内, 完成相应功能的概率也就是完成结构在正常情况下能够承受可能出现的各种作用、保证结构的工作性能和耐久性能及在偶然事件的整体稳定性。从某种意义上说, 中国的抗震设计规范已包含了某些基于结构性能设计的思想, 问题在于尚未形成一套比较完整的思路, 一些指标没有定量, 缺乏可操作性。
1) 目前, 我国实行的抗震设计是基于承载力或强度的设计方法。纵观历年历次地震震害的调查和分析后不难发现, 在地震发生时, 对建筑结构破坏起控制作用的因素是力;而其他情况的控制因素是速度或位移。因此, 建筑结构的抗震设计不应该只是基于结构强度的设计, 而应从力的角度进行各方综合分析与合理验算。
2) 主体结构的破坏与人身安全关系最大。现行建筑行业设计理念是对主体结构进行足够的安全储备, 但对非主体结构的安全储备、内部设施和功能安全储备等没能进行合理设计。随着社会经济的不断发展, 建筑物装修标准和智能化程度大幅提高, 由此所引起的附加荷载超过主体结构本身破坏所能承受的范围。
3) 规范条款对结构水平抗力和变形的验算其实就是对既有或拟建建筑的抗震诊断。设计理念就是对设计满足预估性能目标的结构而言, 设计者尚缺乏主动性。在项目设计的过程中作为设计者一般均是为稳妥起见, 仅仅按规范条款设计, 而对有利于抗震性能的新技术在建筑规范中没能体现出来, 因此, 新的技术很难大面积的进行推广。
1.2 抗震设计方法及存在的问题
1.2.1 直接位移设计法
直接位移设计法是一种偏重于结构性能的设计方法, 这种方法概念简单, 可根据在一定的地震等级作用下预期的位移计算地震作用, 进行结构设计, 使构件达到预期的变形, 结构达到预定位移。但该方法的使用尚存在一些问题:①由于替换结构的刚度是对应于最大位移时的线性刚度, 其周期一般比弹性结构的周期长许多, 因此, 用于位移设计的位移设计反应谱必须比加速度反应谱具有较长的周期范围;②弹性加速度设计反应谱一般是针对阻尼比为0.05, 而位移设计反应谱必须适应替换结构所需要的较大阻尼比范围的要求;③近年来的研究表明, 近场强震效应对结构的位移反应有较大的放大作用, 但直接位移设计方法只从材料的极限应变出发得到构件的变形值进行结构设计, 不能考虑近场强震的这种放大效应;④结构构件的滞回特性, 比如滞回环形状、刚度退化、强度退化等对结构位移反应谱具有较大的影响, 建立精确的可用于设计的位移一周期—阻尼关系 (位移反应谱) 、阻尼—延性—结构类型之间的关系需要进行更深入的研究。因此, 就现阶段而言, 采用直接位移设计法实现基于结构性能的抗震设计还具有一定的局限性;⑤这一设计理论没有体现出结构的非线性分析方法和对所设计结构的实际抗震性能进行验算的方法。
1.2.2 位移影响系数法
位移影响系数法主要体现在确定给定结构非线性静力弹塑性分析时的最大期望位移, 这一最大期望位移定义为目标位移△d; 采用此方法结构来确定最大非线性位移, 概念相对来说比较简单, 但在实际设计计算中需进一步研究:①此种方法仅仅是一种衡量结构整体抗震水平的评估方法, 无法提供具体楼层和主要构件的损坏情况以及具体结构构件的抗震水准;②结构的最大非线性位移与线性位移的关系比较复杂, 采用上述多系数的表示方法, 每一个系数取值的变化都会对结果产生较大的影响, 而在各个系数都不能明确确定其取值的情况下, 计算结果与结构的实际最大非线性位移会产生较大的误差。
1.2.3 能力谱方法
能力谱方法是一种偏重于对所设计结构的实际抗震性能进行评估验算的方法。对结构抗震性能评估的能力谱方法的研究。还存在以下问题需要解决:①在能力谱方法中, 需要将原型多自由度结构体系转化为等效单自由度体系, 而现有的转化方法都是以结构反应的单一振型或主振型为基础, 而对于高阶振型对结构反应影响比较显著的多高层结构体系或扭转效应不可忽略的结构体系来说, 这种转化方法将产生比较大的误差;②通常能力谱方法对于抗侧刚度沿结构高度方向分布不均匀的结构体系或楼层平面内扭转反应比较明显的结构体系无法进行验算。
2 结语
从以上的论述可以看出, 当前对基于结构性能的抗震设计理论的研究都偏向于某一方面, 没有形成一个系统的结构性能抗震设计理论, 在结构设计中的各个环节从结构抗震性能等级的确定、结构的抗震设计方法、结构的非线性分析方法到所设计结构的抗震性能评估等各个方面都体现“基于结构性能”的理念。
参考文献
性能结构设计 篇2
数据库的逻辑设计、包括表与表之间的关系是优化关系型数据库性能的核心，一个好的逻辑数据库设计可以为优化数据库和应用程序打下良好的基础。
标准化的数据库逻辑设计包括用多的、有相互关系的窄表来代替很多列的长数据表。下面是一些使用标准化表的一些好处。
A:由于表窄，因此可以使排序和建立索引更为迅速
B:由于多表，所以多镞的索引成为可能
C:更窄更紧凑的索引
D:每个表中可以有少一些的索引，因此可以提高insert update delete等的速度，因为这些操作在索引多的情况下会对系统性能产生很大的影响
E:更少的空值和更少的多余值，增加了数据库的紧凑性由于标准化，所以会增加了在获取数据时引用表的数目和其间的连接关系的复杂性。太多的表和复杂的连接关系会降低服务器的性能，因此在这两者之间需要综合考虑。
定义具有相关关系的主键和外来键时应该注意的事项主要是:用于连接多表的主键和参考的键要有相同的数据类型。
2 索引的设计
A:尽量避免表扫描
检查你的查询语句的where子句，因为这是优化器重要关注的地方。包含在where里面的每一列(column)都是可能的侯选索引，为能达到最优的性能，考虑在下面给出的例子:对于在where子句中给出了column1这个列。
下面的两个条件可以提高索引的优化查询性能!
第一:在表中的column1列上有一个单索引
第二:在表中有多索引，但是column1是第一个索引的列
避免定义多索引而column1是第二个或后面的索引，这样的索引不能优化服务器性能
例如:下面的例子用了pubs数据库。
SELECT au_id, au_lname, au_fname FROM authors
WHERE au_lname = ’White’
按下面几个列上建立的索引将会是对优化器有用的索引
?au_lname
?au_lname, au_fname
而在下面几个列上建立的索引将不会对优化器起到好的作用
?au_address
?au_fname, au_lname
考虑使用窄的索引在一个或两个列上，窄索引比多索引和复合索引更能有效。用窄的索引，在每一页上将会有更多的行和更少的索引级别(相对与多索引和复合索引而言)，这将推进系统性能。
对于多列索引，SQL Server维持一个在所有列的索引上的密度统计(用于联合)和在第一个索引上的histogram(柱状图)统计。根据统计结果，如果在复合索引上的第一个索引很少被选择使用，那么优化器对很多查询请求将不会使用索引。
有用的索引会提高select语句的性能，包括insert,uodate,delete。
但是，由于改变一个表的内容，将会影响索引。每一个insert,update,delete语句将会使性能下降一些。实验表明，不要在一个单表上用大量的索引，不要在共享的列上(指在多表中用了参考约束)使用重叠的索引。
在某一列上检查唯一的数据的个数，比较它与表中数据的行数做一个比较。这就是数据的选择性，这比较结果将会帮助你决定是否将某一列作为侯选的索引列，如果需要，建哪一种索引。你可以用下面的查询语句返回某一列的不同值的数目。
select count(distinct cloumn_name) from table_name
假设column_name是一个10000行的表，则看column_name返回值来决定是否应该使用，及应该使用什么索引。
Unique values Index
5000 Nonclustered index
20 Clustered index
3 No index
镞索引和非镞索引的选择
<1:>镞索引是行的物理顺序和索引的顺序是一致的。页级，低层等索引的各个级别上都包含实际的数据页。一个表只能是有一个镞索引。由于update,delete语句要求相对多一些的读操作，因此镞索引常常能加速这样
性能结构设计 篇3
关键词：钢筋混凝土结构；地震损伤；损伤计算方法；设计方法
前言：目前的钢筋混凝土结构设计基本可以保证建筑在地震中屹立不倒，减少建筑因二次坍塌给人们生命财产安全带来的威胁，然而，很多建筑在地震灾害后在建筑结构上却存在很大程度的损伤，导致在灾后重建的过程中，绝大多数建筑都难以根据以前的结构进行修复，进而失去其应有的使用功能，带来不必要的损失。
1、建筑在地震发生时损伤情况的界定
在地震灾害发生时，建筑的内部结构会在地壳相互挤压的作用下发生变形或扭曲，为建筑带来根本上的伤害，这种伤害是可以由等级进行划分的，大体上可以分为以下几个等级：一级，建筑结构基本完整，主要表现在建筑墙体或承重设施出现比较细小且不连贯的裂缝，对建筑的基本使用功能没有太大的影响，只需要对建筑做局部的加固便可以恢复使用；二级，建筑结构发生轻微损坏，主要表现在建筑墙体或承重设施出现相对连贯的细小裂缝，有时会出现墙体脱落现象，这种情况同样对建筑使用功能没有严重影响，在修复上也比较容易；三级，建筑结构发生中等破坏，主要表现在建筑墙体或承重设施出现连贯且巨大的裂缝，一些部位的混凝土破损，露出建筑内部的钢筋结构，这种情况的建筑一般很难对其进行修复；四级，建筑结构发生严重破坏，主要表现在建筑墙体坍塌，承重设施出现塌陷或严重损害，这种情况下的建筑基本功能已经丧失，无法对其进行修复；五级，建筑基本倒塌，主要表现在建筑基本构建完全丧失作用，建筑整体性倒塌，建筑内部的主要构件基本损毁，无法进行修复[1]。
2、有关于地震损伤的性能目标
现阶段，我国对建筑抗震结构的要求主要遵循“三水准”的性能目標，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计原则，具体的实现方法主要分为两步，在建筑建造的过程中对小震情况下进行强度验算、大震情况下进行变形验算，然而理论上的检验目标不能完全符合实际地震中的情况，并且虽然中震可修的目标构造措施可以保证，但是大地震情况下的多次余震对建筑产生的疲劳性损伤却不能够保证建筑不发生倒塌事故，因此，想要使建筑完全符合抗震的设计要求与结构标准，使其更加具有灵活性与合理性，就需要现阶段在我国建筑行业内普遍得到认可的建筑结构设计规范标准，此性能目标的相关指数为一般的建筑结构在在较小地震灾害发生时，可以出现的损伤指数为0到0.25，中震发生时损伤指数为0.25到0.50，大震发生时损伤指数为0.50到0.90。
3、基于地震损伤性能的钢筋混凝土结构设计方法
3.1地震损伤直接与变形验算法
现阶段，我国在钢筋混凝土结构建筑在地震灾害中发生损伤的性能方面，大体上可以分为地震直接损伤与变形两种比较科学实用的验算方法[3]。在相关地震损伤性能目标方面，我国在近年来提出了“三水准”这一专业规定，该规定是根据我国客观的社会与自然条件制定的，符合社会的发展需要，因此，根据这一文件，钢筋混凝土结构建筑的设计方法可以参照以下意见：其一，针对普通结构的建筑可以根据《现行建筑结构抗震设计规范》对相关的数据资料进行直接与变形方面的验算；其二，针对特殊地震，可以根据地震薄弱层进行相关的地震直接与变形损伤方面的验算。普遍意义上讲，建筑在损伤计算时，其数值应该不大于0.9，重要结构建筑的地震损伤系数不大于0.5。以上提出的地震损伤系数是指建筑结构在特殊地震发生时，所产生的薄弱层地震损伤值。
3.2 Pushover 分析
Pushover 分析方法的基本原理是基于两个原则：第一个为假设原则，其主要内容是通过假设的方式，将一个相对复杂的多元化体系进行简化，将其假设成为一个相对简单的但模式体系，以方便进行接下来的分析；第二个原则是可以用形状向量来代替建筑结构以建筑高度为标准而产生的对应变形，因为建筑变形是变化较强烈的参数，而形状向量的变化幅度相对稳定，对接下来的分析有利。
Pushover 分析法的分析过程可以有以下几方面组成：首先是前期准备工作，主要内容是构建起一个与将要施工的建筑在形状、尺寸、参数、要件等方面相一致的建筑模型，用以进行建筑的施工的前期科学分析；其次，根据计算公式求出地震效应在结构上作用的荷载，其符合主要分为两个方面，即结构的竖向荷载和水平荷载，并计算的出各个构件的极限承载力；第三，求得结构在竖向荷载作用下产生的内力从而得出结构的自振周期；另外，在实验过程中，在建筑模型中施加水平荷载，利用这种方式，将建筑模型的水平与垂直内力进行叠加处理，并确保叠加后的内力能够达到一个相对平衡的状态；在此之后，对屈服的构件，改变其状态，并将屈服的构件的两端设成铰接点，这样就形成了一新结构，也使用上述同样的方法求出新结构的自振周期，然后在建筑模型的相关要件上根据内力的情况施加水平荷载，繁复与建筑内部的内力进行叠加，直到实验出一个刚好平衡的状态；最后，重复以上实验步骤，使建筑内部的侧向位移达到一个极限值。在实验过程中，准确记录每一次施加的荷载和自振周期，最终得到外力与结构位移的关系曲线。
结语：通过本文以上的分析研究，笔者主要探讨了地震震害等级和建筑损伤指数，为进一步研究奠定了基础，随之又研究了我国对建筑的相关规定和建筑标准，最后分析了目前我国最常用的基于地震损伤性能的钢筋混凝土结构设计方法，以上的研究真实的反映了我国实际防地震混凝土结构设计的标准和设计方法，并且在不同的地震情况中运用不同的计算方法，保证了计算数据的准确性。
参考文献：
[1]杨伟，王彦凯，赵新宇，等.钢筋混凝土结构损伤性能设计及整体抗震能力分析[D].哈尔滨工业大学，2010.
[2]宋鹏彦，李永清，任东宇，等.结构整体可靠度方法及RC框架非线性整体抗震可靠度分析[D].哈尔滨工业大学，2012.
加强延性设计 提高结构抗震性能 篇4
地震是能量以波的形式向各个方向传播、释放并引起振动的过程。由于地震的难以预知和随机发生，导致现有的“中国地震区划图”及相应的地震基本烈度表具有很大的不确定性，多次强烈地震及特大地震均发生在抗震设防低烈度地区。因此当大震来临出现弹塑性变形时，结构需通过延性设计来保证有良好的抗变形和耗能能力。“变形、能量吸收与耗散”的能力是结构抗震性能的标志。
1 延性的涵义
1.1 物理术语
物理术语是指材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。
即:
1)承受较大的非弹性变形同时强度没有明显下降的能力。
2)利用滞回特性吸收能量的能力。
延性概念最早出现在1961年美国波特兰水泥协会(PCA)制定的《多层钢筋混凝土建筑抗震设计》手册中。延性是抗震设计中的重要特性，用延性系数来度量。结构动力学和地震工程领域学者乔普拉(Anil K.Chopra)在其《结构动力学理论及其在地震工程中的应用》(第2版)7.2节中给出延性系数的表达式:
由于地面运动引起的弹塑性体系的位移峰值(最大位移)与屈服位移之比，即:是无量纲的量。
1.2 四个层次
在结构抗震设计中延性有四层含义:材料的延性、杆件的延性、构件的延性、结构的延性。
材料的延性:发生较大的非弹性变形或反复弹塑性变形时强度没有明显下降的材料称延性材料。
杆件的延性:构件中某一杆件(墙片中的连梁或墙肢、框架中的梁或柱)的塑性变形、能量吸收与耗散的能力。
构件的延性:结构中某一构件(一片墙或一榀框架)的塑性变形、能量吸收与耗散的能力。
结构的延性:通常指其整体塑性变形能力和抗地震倒塌能力。
2 延性设计的原则
实际工程中很难做到结构中所用杆件、构件均具有较高的延性，通常的做法是:对杆件的延性要求高于对构件的延性的要求;对构件的延性的要求高于对结构的延性要求。
1)加强如梁的两端、柱的上下端、抗震墙墙肢的根部等关键部位的延性。
2)加强构件中关键杆件的延性。
如壁式框架中窗间墙的延性，联肢墙中的窗裙梁的延性，框架(或框架筒体)中柱的延性。
3)设置多道抗震防线的抗震结构中加强第一道防线构件的延性。
如筒中筒的内筒延性，框架—抗震墙中抗震墙的延性。
4)加强房屋周边、平面不规则结构突变处构件的延性。
偏心结构应考虑扭转影响，加强刚度较弱一端构件的延性。
5)加强结构罕遇地震作用下塑性变形集中的薄弱楼层的构件延性。
如楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构的底层的延性，楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构的系数最小和相对较小楼层的延性，单层厂房的上柱的延性。
3 延性设计的措施
3.1 材料的延性设计
3.1.1 纤维增强混凝土
在普通混凝土中掺入适量的各种纤维材料而形成的纤维增强混凝土，可很好的提高混凝土结构的抗震延性。应用较成熟的是在混凝土中掺入体积率为0.8%～1.5%的随机乱向分布的短钢纤维的钢纤维增强混凝土。钢纤维按生产工艺常见有:切断钢纤维、剪切钢纤维、切削钢纤维、溶抽钢纤维，最有前途的是价格最低的溶抽钢纤维。
3.1.2 高强混凝土
由于使用功能的限制，高、超高层建筑的框架柱截面尺寸不能随意加大，轴向压力又很大，其轴压比大，柱的延性往往很差，在地震作用下呈脆性破坏，为降低轴压比宜采用高强混凝土(同时应注意控制降低剪压比)，以获得良好延性。
3.1.3 纤维增强高性能混凝土
纤维增强高性能混凝土———在高强混凝土中掺加纤维是一种改善高强混凝土脆性的有效措施。其拉伸应力—应变曲线在应力峰值后出现应变软化段，表明纤维增强高性能混凝土不仅大大提高了拉伸应力而且显著改善了高强混凝土的脆性。
试验还表明，在同样纤维体积含量的情况下，钢纤维和碳纤维对改善高强混凝土的脆性比合成纤维更为有效。
3.2“强柱弱梁”的延性设计
柱是压弯构件，梁是受弯构件，框架梁的延性通常远大于柱的延性。有目的地增大柱端弯矩设计值，体现“强柱弱梁”的延性设计，实现梁铰侧移机构，即塑性铰应首先在梁上形成，尽可能避免在危害更大的柱上出现塑性铰。在强烈地震作用下，当结构发生较大侧移进入非弹性阶段时，框架保持足够的竖向承载力从而免于倒塌。
3.3 梁柱的延性设计
3.3.1 控制轴压比
轴压比指柱组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值，以表示。轴压比是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一。试验表明，柱的位移延性随轴压比增大而急剧下降，尤其在高轴压比情况下，箍筋对柱的延性不再发挥作用。因此在确定柱等轴压和压弯构件的截面尺寸时，要控制其轴压比。抗震设计时，希望框架柱最终发生受拉钢筋首先屈服的具有较好塑性的大偏心受压破坏。随轴压比的增大，会出现混凝土压碎而受拉钢筋并未屈服的呈受压塑性铰的小偏心受压破坏。受拉塑性铰的大偏心受压破坏延性好，有较大吸收能量的能力，因此也要控制其轴压比最大值。
3.3.2 限制剪跨比
剪跨比是指截面弯矩与对应的剪力和截面有效高度的比值，以表示。剪跨比λ>2为长柱，1.5<λ≤2为短柱，λ≤1.5为极短柱。构造合理的条件下长柱一般发生延性好的弯曲破坏，短柱易发生剪切破坏，极短柱发生剪切斜拉破坏。柱的剪切受拉和剪切斜拉破坏均属于脆性破坏，设计中应避免。
3.3.3 降低剪压比
剪压比指截面上平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值，是结构抗震设计中经常使用的关键指标。
杆件塑性铰区的截面剪压比对其延性、耗能能力、强度及刚度有明显的影响，当剪压比超过一定数值时，混凝土会碎裂，杆件较早出现斜裂缝，此时即使增加横向钢筋的用量，也不能有效提高其受剪承载力。因此应降低剪压比(本质是要求杆件达到一定的面积指标)。
3.3.4 加强约束箍筋
震害表明，框架柱的破坏一般发生在柱上下端1.0倍～1.5倍柱截面高度范围内，加密柱端箍筋，可侧向支撑纵筋防止纵筋压屈、承担柱子剪力、提高混凝土抗压强度及弹塑性变形能力。其中箍筋对混凝土的约束程度主要与箍筋形式、体积配箍率、箍筋抗拉强度及混凝土轴心抗压强度等因素有关。
3.3.5 控制纵筋的配筋率
为获得较大屈服变形，防止柱在地震作用下过早屈服，应增大柱纵向钢筋的最小总配筋率，且每一侧配筋率不应小于0.2%。同时过大的配筋率易产生剪切破坏或粘结破坏从而使柱的延性变差，因此还应减小框架柱纵向钢筋的最大总配筋率。同时加大纵向钢筋的锚固长度。
3.4 满足“强剪弱弯”的破坏形态
抗震设计时应使构件的受剪承载力大于其受弯承载力，使构件发生延性较好的弯曲破坏，防止在弯曲破坏前发生延性较差的剪切破坏。这也是保证构件在塑性铰出现之后也不过早剪坏的有效措施。
3.5“强节点弱构件”的延性设计
节点核心区是抗震的薄弱部位，在弯矩、剪力、轴力作用下处于复杂应力状态。一旦破坏难以修复加固，所以设计时要使节点核心区的承载力高于与之相连的杆件的承载力，达到连接杆件充分发挥承载能力和变形能力的目的。
4 结语
GB 50011-2010建筑抗震设计规范是依据抗震等级对构件本身不同性质的承载力或构件间的相对的承载力进行内力调整，并依据规定的构造要求来达到结构延性的要求。构造措施即指:在设计中采取的强梁弱柱、强剪弱弯、强核心区强锚固、限制轴压比、剪跨比、剪压比、控制纵筋的配筋率、加强箍筋对混凝土的约束等措施。
加强延性设计提高结构抗震性能，目前还处于非确定性设计阶段，即概念性设计阶段。轴压比、剪跨比、配箍特征值等因素的影响已取得一定成果，但还有混凝土保护层、配箍形式等很多因素的影响尚不明确，有待进一步研究。
摘要：介绍了延性的概念及结构抗震设计中延性的含义,阐述了延性设计的原则,总结了延性设计时提高结构抗震性能的具体措施,包括材料的延性设计、强柱弱梁设计、梁柱的延性设计、强节点弱构件设计等,为结构抗震设计提供了借鉴。
关键词：延性设计,结构,抗震性能
参考文献
[1]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].
[2]朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[3]王社良.抗震结构设计[M].第4版.武汉:武汉理工大学出版社,2011.
性能结构设计 篇5
介绍了车身设计中利用先进计算机模拟软件进行模拟分析的重要性.以某型号车门为研究对象,在相同加载情况下,分析了车门关闭和开启状态下的`性能.探讨了车门在这两种状态下的能量平衡、门锁处Z向位移以及车门内板应力分布情况.进行模拟分析之后,发现车门变形较大,门板角落处存在应力集中,在铰链处应力集中比较严重.通过深入分析,提出了具体的改进措施,为新车型的开发研究提供了有力支持.
作 者：梁亮 韩立强 邵扬 岳晓峰 LIANG Liang HAN Li-qiang SHAO Yang YUE Xiao-feng 作者单位：梁亮,LIANG Liang(中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,长春,130033;中国科学院研究生院,北京,100039)
韩立强,HAN Li-qiang(长春工程学院,机电工程学院,长春,130012)
邵扬,SHAO Yang(长春理工大学,机电工程学院,长春,130012)
岳晓峰,YUE Xiao-feng(长春工业大学,机电工程学院,长春,130012)
性能结构设计 篇6
关键词：地震，结构抗震，抗震设计
1、结构抗震设计方法的发展
当前各国采用的“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震设防水准，是以保证生命安全为单一设防目标的。尽管能做到大震时主体结构不倒塌以保证生命安全，但仍可能导致中小地震作用下结构丧失正常使用功能而造成巨大的财产损失。因此基于性能的抗震设计被认为是未来抗震设计的主要发展方向。经过近100年的科学研究和工程实践，结构抗震设计经过了1、刚性设计;2、柔性设计;3、延性设计;4、结构控制设计;5、基于性能的抗震设计等5个阶段。
2、基于性能的抗震设计方法研究
2.1承载力设计方法。
承载力设计方法是目前各国规范所普遍采用的方法，基于承载力设计方法又可分为静力法和反应谱法。静力法产生于20世纪初期，是最早的结构抗震设计方法。上世纪初前后日本浓尾、美国旧金山和意大利Messina的几次大地震中，人们注意到地震产生的水平惯性力对结构的破坏作用，提出把地震作用看成作用在建筑物上的一个总水平力，该水平力取建筑物总重量乘以一个地震系数。用现在的结构抗震知识来考察，静力法没有考虑结构的动力效应，即认为结构在地震作用下，随地基做整体水平刚体移动，其运动加速度等于地面运动加速度，由此产生的水平惯性力，即建筑物重量与地震系数的乘积，并沿建筑物高度均匀分布。考虑到不同地区地震强度的差别，设计中取用的地面运动加速度按不同地震烈度分别给出。根据结构动力学的观点，地震作用下结构的动力效应，即结构上质点的地震反加速度不同于地面运动加速度，而是与结构自振周期和阻尼比等有关。采用动力学方法可以求得不同周期单自由度弹性体系质点的加速度反应。以地震加速度反应为坐标，以体系的自振周期为横坐标，所得到的关系曲线称为地震加速度反应谱，用来计算地震引起的结构上的水平惯性力更为合理，即反应谱法。对于多自由度系，可以采用振型分解组合方法来确定地震作用。
2.2位移设计方法。
（1）直接基于位移的设计方法。该方法是先假定结构的整体侧移模式，并按照结构动力学方法将实际的多自由度体系转化为等效单自由度体系，确定等效单自由度体系结构的弹塑性地震位移反应，再根据侧移模式反算出原多自由度体系各楼层的弹塑性地震位移反应，验算其是否符合限值要求。该抗震设计方法直接用位移指标衡量结构的性能，比较直观，计算方法也较为简单，便于设计中应用。但是，该方法中控制结构性能的因素比较复杂，比如一般认为在小震下强度是控制结构性能的主要因素，但是单用位移指标来进行结构设计可能不够全面。另外，设计过程中侧移模式的选取、等效单自由度体系的转化、各性能目标限值的确定以及高振型影响的忽略等等，都直接或间接地影响了该方法的精确性，所以该方法仍需要进行更深入地研究。
（2）能力谱方法。能力谱方法最初是由Freeman等人在1975年美国海军工程项目简化评估时提出来的，后经许多学者不断改进而来的方法。该方法是通过将地震反应谱曲线和结构能力谱曲线转换成相同的格式，求得两个曲线相交点（称作性能点）的位移（称作目标位移），或者采用图示的方法直观地评估结构在给定地震作用下的性能。能力谱法的实质是目前采用的基于力的设计方法加位移、变形的校核。虽然能力谱法没有严密的理论论证，但由于该方法运用图形对比结构的能力和地震地面运动对结构的需求，能够比较直观地评价结构在地震作用下的表现，所以该方法目前仍然被许多国家运用，如 《日本建筑标准法》和美国的ATC—40都采用能力谱法作为基于性能的抗震设计。
（3）按延性系数设计的方法。一般建筑物都按照承受小于在弹性反应结构上产生的水平地震作用来进行设计，这意味着这样的结构将会出现非线性变形，进而产生延性反应。一个结构所具备的良好延性有助于减小地震作用、吸收和耗散地震能量，避免结构倒塌。按延性系数设计的方法就是要考察结构屈服以后的延性反应过程，研究钢筋混凝土构件与结构的延性问题。在新西兰等国家得到广泛运用的按延性系数设计方法的实质是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变，从而使构件具有要求的延性系数。按延性系数设计的方法可分为4个基本步骤：一是进行结构小震下承载力计算，求出截面内力以及配筋。二是根据大震和经强度验算选定的截面、配筋所得的结构实际强度，求出结构整体需要的位移延性系数。三是根据结构位移延性系数位移延性系数和结构体系的塑性变形机制，确定构件的延性需求，计算临界截面需要的曲率延性系数。值得注意的是，不同的变形机制，其结构和构件间的延性关系也不同。四是通过与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，确定箍筋，进行截面的延性设计。按延性系数设计的方法侧重构造措施在结构抗震设计中的作用，对构造措施进行定量分析，并试图建立一个明确的塑性变形机构，使建筑物在遭遇地震时按照预定的塑性变形方式进行反应。但按照该方法要真正实现结构具体的抗震性能目标还需要继续进行更详细深入的研究工作。
2.3.能量设计方法。
性能结构设计 篇7
1 基体沥青混合料配合比设计
1.1 基体沥青混合料设计方法
根据半柔性路面材料的特点, 其材料组成设计必须保证以下条件: (1) 主骨架充分嵌挤, 形成骨架结构, 提供足够的空隙同时保证良好的内摩阻力; (2) 水泥胶浆具有较大的粘结强度, 且具有良好的流动性和体积稳定性充分填充骨架空隙[3,4]。因此, 对于基体沥青混合料除形成嵌挤的骨架结构外, 还必须满足体积指标要求, 本研究采用体积法进行基体沥青混合料设计, 确定混合料的级配, 借鉴开级配抗滑沥青表层 (OGFC) 的设计方法确定最佳沥青用量。体积法设计基体沥青混合料的步骤如图1所示。
1.2 材料与指标要求
1.2.1 沥青
考虑到基体沥青混合料空隙率较大, 为避免沥青发生流淌同时保证混合料的稳定性, 沥青针入度宜在60~80, 本研究选择70#道路石油沥青, 试验检测结果如表1所示。
1.2.2 集料及矿粉
集料采用石灰岩, 粗集料 (10~15 mm) 、细集料 (0~3 mm) 的密度分别为2.721 g/cm3和2.675 g/cm3, 其余各项指标均检测合格。矿粉视密度为2.709 g/cm3。
1.3 配合比设计
根据国内外调研, 基体沥青混合料骨架空隙率应在20%~28%, 本研究中基体沥青混合料设计要求参照《半柔性路面应用技术指南》[5], 具体指标要求如表2所示。
本研究中将基体沥青混合料的设计空隙率设定为25%、22%和20%3种。采用马歇尔试模测定粗集料紧装密度为1.663 g/cm3, 主骨料的空隙率为38.9%。参照国内外相关设计结果, 沥青用量取3.1%, 矿粉用量取3.0%。根据体积法的基本思想, 细集料体积、沥青体积、矿粉体积和沥青混合料最终设计空隙体积之和等于主骨架空隙体积, 计算出粗、细集料和矿粉的比例及合成级配如表3、表4所示。
%
结合空隙率试验、马歇尔稳定度等试验, 对3种基体沥青混合料进行了测试, 结果如表5所示。根据试验结果, 选择级配2为目标配合比。
采用谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验, 其与沥青用量之间的关系曲线, 如图2和图3所示, 由曲线拐点得到最小和最大沥青用量分别为3.1%和3.3%, 因此, 在此沥青用量范围内, 选择最佳油石比为3.2%。
2 水泥胶浆配合比设计
2.1 材料组成与技术指标
半柔性路面中, 水泥胶浆起到填充基体沥青混合料空隙, 提高材料强度的作用, 其应具备如下特性: (1) 足够的抗压强度和抗折强度; (2) 良好的流动性; (3) 良好的体积稳定性; (4) 与沥青混合料粘结性良好。
水泥胶浆性能指标要求参照《半柔性路面应用技术指南》, 具体如表6所示。
2.2 配合比设计
为了达到半柔性路面水泥胶浆的性能要求, 掺加了以减水剂为主的外加剂, 结合国内外研究成果, 提出了水泥胶浆的目标配合比, 水泥∶砂∶矿粉∶水∶减水剂=950∶437.2∶218.6∶560∶4.75。
经检验, 采用目标级配拌制的水泥胶浆流动度为13 s, 满足技术指标要求。同时, 对水泥胶浆7 d强度进行测试, 抗折强度为2.77 MPa, 抗压强度为11.6 MPa, 均满足与技术要求。
3 半柔性路面性能研究
半柔性路面材料整体偏于柔性, 在对其路用性能进行评价时采用沥青混合料的方法进行, 重点对材料的高温稳定性、水稳定性、低温性能以及耐油蚀性能开展试验研究。
3.1 高温稳定性
车辙试验是评价沥青混合料高温抗车辙较直观、有效的方法, 试件成型后在标准试验条件下进行测试, 结果如表7所示。根据试验结果可以看出, 半柔性路面的动稳定度达到15 684次/mm, 具有良好的抗车辙性能。
3.2 水稳定性
水损害是沥青路面的一种主要病害形式, 本研究采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对半柔性路面材料的水稳定性进行评价, 试验结果如表8所示。根据试验结果可以看出, 半柔性路面材料满足水稳定性能要求。
3.3 低温性能
采用小梁弯曲试验对半柔性路面材料的低温性能进行评价, 试验结果如表9所示。由试验结果可以看出, 破坏应变均超过2 000με, 低温性能能够满足要求。
3.4 耐油蚀性能
路面材料遭受油类侵蚀的种类较多, 并研究参考橡胶材料耐油蚀性能测试方法和沥青混合料残留稳定度测试方法, 利用残留稳定度对耐油蚀性能进行评价, 测试结果如表10所示。根据结果可以看出, 半柔性路面材料浸油残留稳定度下降15%~20%, 而普通沥青混合料下降较多, 表明半柔性路面材料耐油蚀性能良好。
注:AC-16I沥青混合料的油蚀试验结果见文献[6]
4 结论
本文对半柔性路面材料设计及性能进行研究, 得出以下结论:
(1) 采用体积法对基体沥青混合料配合比进行设计, 确定本研究基体设计空隙率为22%;
(2) 对水泥胶浆配合比进行设计, 各项测试指标均能满足要求;
(3) 半柔性路面材料具有较好的高温稳定性、水稳定性、低温性能, 同时耐油蚀性能也十分突出。
参考文献
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[4]田荣燕, 张健.水泥灌浆半柔性路面混合料抗车辙性能研究[J].公路交通技术, 2013 (4) :40-43.
[5]重庆交通大学, 交通部公路科学研究院.半柔性路面应用技术指南[M].北京:人民交通出版社, 2009.
结构基于性能的抗震设计分析讨论 篇8
基于性能的抗震设计理论是20世纪90年代初由美国学者提出,旨在使结构在未来的地震灾害下能够维持一定的性能水平。是一种更合理的设计理念,将是未来结构抗震设计的发展方向,目前已引起了各国的广泛重视。
日本在1995年开始进行了“建筑结构的新设计框架开发”项目研究,为期3年,并总结了研究成果。在此基础上实施了新的基于性能的建筑基准法。
中国建筑科学研究院工程抗震研究所联合国内部分高校和研究所开展了“我国2000年工程抗震设计模式规范”的研究,并在《建筑结构学报》中介绍了研究成果。目前正在修订的国家标准《混凝土结构设计规范》《建筑抗震设计规范》拟纳入基于性能的抗震设计方法。
2 基于性能的抗震设计的基本概念及设计方法
2.1 基于性能的抗震设计的基本概念
我国抗震设计规范提出“三水准,两设防”的设计方法。地震设防水准是指在未来一段时间内可能作用于场地的地震作用的大小,或者说,应选择多大强度的地震作为防御的对象。中国地震风险水平见表1。
对应的“小震不坏,中震可修,大震不倒”三水准,相应的地震最大影响系数的比值1∶2.8∶(4.5～6)。这种设计方法虽然在大震情况下不至于倒塌,避免了人们的生命安全的损失,但是结构倒塌造成的各种经济损失以及重新修复等措施,会给社会灾后重建带来更重的负担。而改进这种抗震设计方法使损失降至可控范围,这就需要对结构进行基于性能的抗震设计。
2.2 基于性能的抗震设计方法
1)承载力设计方法。
承载力设计方法是在实际工程应用中比较常见的一种设计方法,通过非线性静力分析(Push-over)进行设计验算,可以对结构非线性变形进行控制,并能达到预期的性能目标,但是对于结构进入弹塑性阶段时,该方法需要对结构进行折减,故在一定程度上失真。
2)基于位移进行抗震的设计方法。
将位移作为整个结构抗震设计的起点,假定位移或层间位移是抗震性能的控制因素,以位移作为设计变量。根据预期位移计算地震作用,进行结构设计,使构件达到预期的变形,结构达到预期的位移。
[θ]→Δui=[θ]hi→ui=ui-1+Δui。
结构的侧移形状按满足性能水平的层间侧移角来控制。直接基于位移的抗震设计方法仅考虑了结构第1振型,仅对中低层建筑结构的抗震设计适用,对于高层及复杂结构会产生较大误差。
3)能力谱法。
基本思想:在同一图上绘制两条谱曲线,一条是将力—位移曲线转化为能力谱曲线,另一条为将加速度反应谱转化为需求谱曲线,两条曲线的交点为“目标位移点”,亦称“性能点”。 建立能力曲线和需求曲线是能力谱法的关键。其交点对应的位移为等效单自由度体系的等效位移,再将其转化为原结构的顶点位移,即“目标位移”。
4)基于位移延性系数的设计方法。
也称作截面变形能力设计方法,是根据对截面的屈服曲率确定位移延性比需求,从而计算出需达到的曲率延性比。
3 实际工程中的应用
本文对结构的非线性分析,采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法,而动力分析中合理的选取地震波比较困难,故实际应用中弹塑性静力分析(Push-over)被广泛应用。
弹塑性静力分析方法可以通过对需求谱曲线与能力谱曲线的交点,也就是性能点来参考结构在地震作用下的效应,分析的结果主要根据性能点处所对应的结构变形,如层间位移角是否满足抗震设计规范规定的层间位移角限值、梁柱的塑性铰出现塑性变形是否超出某一水准下地变形要求等。
4 结语
基于性能的抗震设计是以结构抗震性能分析为基础的,使结构在未来不同的抗震等级的地震作用下达到预期的抗震性能目标,克服了基于承载力抗震设计不能预估结构屈服后抗震性能的缺陷。但基于性能的抗震设计仍存在一些问题,有待于今后工作中作进一步研究。
参考文献
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空调结构设计对提高产品性能的影响 篇9
空调是现代人们生活和工作中必需的设备, 在生活中已经超过了洗衣机、电视机和电冰箱的年耗电量。空调设备能够有效低改变人们生活工作的环境, 提高环境质量, 使人们能够更加舒适地生活和工作。与此同时, 空调使用带来的能耗问题是人们关注的重点, 随着空调使用量的增加, 对于环境保护来说产生了阻碍的作用, 并且增加了地球温室效应。在当今市场中, 空调的节能效果是评价空调质量好坏的重要标准, 对于空调市场的可持续发展也起到了一定的作用。
1 优化空调性能的重要性
空调、洗衣机、电视机和电冰箱是人们日常生活中必不可少的家用电器, 在这四种家用电器中个, 空调的年耗电量是最大的, 对地球的环境保护造成了严重的影响, 使得臭氧层的空洞扩大, 加重了全球的温室效应, 空调的能耗问题成为制约空调发展的重要原因。空调不同于其他家用电器, 设备的使用时间比较集中, 并且具有季节性的特征, 使得电量峰谷差距增大, 加重了电量差距的矛盾, 造成店里系统负荷特性的恶化。空调的集中使用, 使得电网负荷率下降, 一些电力设施没有充分发挥作用, 造成了资源的浪费现象[1]。
由于空调设备的重要性以及能耗问题的严重性, 世界各国都制定了相关的标准和法规用来减轻空调的负面影响, 迫使厂家在空调的设计和生产方面不断优化。提升空调的节能技术是一个系统工程, 只提高部分构造的节能技术并不能达到整体的节能效果。与空调整体能耗相关联的因素有很多, 比如换热器、电机、压缩机、风机、制冷剂、风系统、控制系统以及系统匹配等, 因此, 提高空调设备的节能效果必须从这些因素出发, 在不改变空调生产成本的基础上, 优化空调各结构的设计, 争取提高空调的性能和节能效果。
2 空调压缩机的优化
在空调的各个组成中, 压缩机是空调的核心技术, 压缩机的性能关系着整个空调的性能, 并且起着决定性的作用, 对空调的压缩机进行优化, 能够有效地提高空调的节能效果。一般家用空调的压缩机为旋转式压缩机, 这种旋转式压缩机的额定制冷量与整机的额定制冷量不同, 通常会高200~300 W。当旋转式压缩机的额定制冷量太大时, 用于运行的能耗相应增加, 整个空调设备的能效比就会下降;如果旋转式压缩机的额定制冷量太小时, 制冷系统的冷量就会出现一定的损失, 导致整个空调设备的冷量减少, 达不到设备的标准要求。压缩机的能效比关系着整个空调设备的节能效果, 是空调节能的重要参数, 相同的制冷量, 能效比高的压缩机的功耗就比能效比低的压缩机要小, 提高压缩机的能效比, 能够有效地提高整个空调设备的能效比。虽然能效比高的压缩机对于空调节能有着重要的作用, 但是能效比高的压缩机成本要比能效比低的压缩机要高, 考虑到到成本问题, 不能一味选择能效比高的压缩机, 性能和成本要两者兼顾[2]。
3 空调换热器的优化
要想提高空调设备的能效比, 在进行换热器的选配时, 也要注意一些原则。在目前的空调结构研究中, 提高能效比的有效措施有两种, 一种是更换高能压缩机, 另一种是加大换热器, 这两种方法都是提高空调设备能效比的最直接的措施。在一定程度上增大换热器, 可以达到节能的目的, 但是不能只考虑这一个问题, 因为增大换热器与更换高能效比的压缩机类似, 虽然提高了空调设备整体的能效比, 但是也让空调设备的成本增加了很多。在高能效比的空调设备系统的选配工作中, 过分增大空调器的换热器, 不但增加了空调设备的成本, 还导致空调设备的制冷剂量过多地超过压缩机的最大值, 从而使得空调压缩机出现启动故障以及能效比和制冷能力都下降的问题。因此, 在进行空调系统选配工作中, 需要兼顾空调系统的能效比和成本, 应当根据理论计算后进行多次实验, 确定最佳的换热器配置, 这是优化空调结构设计, 提高空调性能的关键措施。
4 送风方式对空调性能的影响
人们在工作和生活中, 周围空气环境的质量非常关键, 不仅影响着人们的舒适感, 对于人们的工作效率也有一定的影响。良好的空气品质能够给人们愉快的心情, 使人们身心愉悦, 能够更好地投入到工作中。传统的送风方式多为顶板送风, 经处理之后的低温空气通过顶板送风散流器与室内空气混合, 这种方式属于混合通风, 低温空气与室内空气混合后能够消除室内部分的余热余湿, 使得室内的温度和湿度大致可以均匀分布。但是通过顶板送风方式得到的室内空气质量比较差, 而且消耗大量的能量, 因此出现了地板送风、工位送风和置换送风方式。
4.1 地板送风
地板送风也是一种混合通风形式, 经过处理之后的空气首先经过地板下的静压箱, 然后由送风散流器送入室内, 并与室内的其他空气进行混合。通过地板送风方式的新鲜空气能够自下而上地经过人员活动区, 带走室内的余热和余湿, 然后经过房间顶部的排风口排除, 从而使得室内的湿度和温度都能够保持均匀。地板送风方式也存在一定的局限, 因为地板提升的高度是有限的, 因此通过这种送风方式的送风量也是有限的。但是在许多散热设备多、人员比较密集的建筑中, 多数采用地板送风方式, 使得空调设备能够达到更好地效果。
4.2 工位送风
工位送风是一种比较特殊的送风方式, 包括设备通风、区域通风和人员自调节三个部分。工位送风方式是指将送风口安装在人的呼吸区, 通过软管等管道将送风口与地板下的送风装置相连, 送风口的位置是可以灵活多变的, 人们可以根据需求改变送风口的位置, 还可以调节气流的流速、流量、流向以及温度, 能够提高空调设备的使用性能。在现代的办公环境中, 多数采用统间式的设计, 不同的人对环境的要求不一样, 因此工位送风方式比较适合, 能够有效地发挥空调设备的性能[3]。
4.3 置换通风
置换通风是另外一种送风方式, 气流从位于侧墙下部的散流器送入室内, 受到浮生力的作用, 由下上升到人们的工作区, 吸收了周围的余热和余湿形成了热羽流, 在吸收的过程中, 不断吸收周围的余热和余湿, 热羽流的流量不断增加。整个室内空间被分成两个区域, 上区空气的污染物较多, 温度比较均匀, 下层区域呈现明显的温度梯度和污染物梯度。置换通风方式能够保障大空间内的空气保持洁净, 常用于层高大于2.4 m的建筑空间中, 比如常见的会议室、办公室、剧院和计算机机房等。
5 结语
在当今社会中, 人们的日常生活和工作都离不开空调设备, 空调设备也成为众多电器中能耗最高的一个。在可持续发展的道路上, 人们越来越关注能耗问题, 要想提高空调设备的能效比, 需综合考虑空调设备的各个结构, 不能只从某一个结构着手。影响空调设备能效比的因素有多个, 通过对空调结构的优化, 能够提高结构的能效比, 从而提高空调设备整体的能效比, 使得空调性能得到更好的发挥。
摘要：在各种家用电器中, 空调已经成为人们日常生活中必要的设备, 在人们生活能耗中也占据了很大的比例。近年来, 随着可持续发展思想的推进, 人们对于节能环保提出了更高的要求, 为了促进空调节能技术的发展, 各国和地区都给予了大力的支持。空调的结构设计不仅关系着产品的性能, 而且与空调设备的能耗直接关联, 因此, 在空调机构设计中, 优化各方面的结构设计不仅能够提高产品的性能, 还能节约能源, 是人们关注的热点之一。
关键词：空调结构设计,产品性能
参考文献
[1]熊立贵.优化空调结构设计、提高产品性能研究[J].日用电器, 2012, 06:41-44.
[2]王瑞, 王义春, 冯朝卿, 詹火明.空调全铝新型换热器结构优化与性能研究[J].北京理工大学学报, 2012, 07:699-704.
倒装结构对道路结构性能的影响探讨 篇10
众所周知, 由于半刚性基层整体强度高、板体性好、承载能力较高, 且半刚性基层造价低, 基本性能质量也容易得到保证, 使得半刚性基层沥青路面得到广泛的应用。但是半刚性基层材料本身的收缩裂缝难以避免, 进而会导致反射裂缝和水损害等路面病害。针对该问题, 本文推荐采用倒装路面结构, 即在沥青面层与半刚性基层间加入一层级配碎石做过渡层, 因为级配碎石属于柔性基层, 其在应力、应变传递的协调过渡方面比较顺利, 可大大减少和延缓反射裂缝。同时由于倒装结构层材料均为有级配的颗粒状材料, 所以结构排水顺畅, 不易受水损害, 可见该方法既经济又有效。但是倒装结构在我国道路建设中并没有得到推广运用, 主要是由于倒装结构层模量及厚度设计的合理性难以把握。本文主要通过变化倒装结构层的模量及厚度来分析其对道路结构性能的影响, 为倒装结构在道路建设中的应用提供一定的理论参考价值。
2 倒装结构层的相关要求
2.1 原材料的技术性质要求
原材料的技术性质对道路结构的路用性能影响很大。在我国, 采用级配碎石作为倒装结构的应用效果并不理想, 经过长期的调查、研究发现, 主要是由于原材料质量过差。通过对碎石材质大量的调查及相关试验研究分析, 现对倒装结构层原材料提出以下技术要求:1) 碎石应具有足够的强度, 不低于Ⅳ级, 且质地坚硬、干净、不含泥土等杂质;2) 倒装结构层的集料压碎值应不大于26%;3) 集料表面粗糙, 富有棱角, 针片状集料的总含量应不大于15%;4) 石料的尺寸不大于级配碎石层厚度的0.8倍, 最好为石灰石碎石;5) 集料中小于0.5 mm细料的液限应小于25%, 同时塑性指数应小于4%, 最好无塑性。
2.2 倒装结构层的集料级配要求
集料级配是指集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况, 其对倒装结构层的强度、刚度、稳定性、渗水性和施工性有着显著的影响。通过大量室内外试验, 对倒装结构层集料的级配类型、最大粒径、4.75 mm以下颗粒含量、0.075 mm以下的石粉含量等因素与倒装结构层的强度、刚度、稳定性、渗水性和施工性能之间的关系进行了深入研究。在此基础上, 本文推荐采用一种强度高、渗排水能力大、施工性能良好的骨架嵌挤密实型的倒装结构层集料级配 (见表1) , 已有工程应用证明其效果良好。
3 道路结构的力学特性分析
由于本文主要分析倒装结构层对道路结构性能的影响, 故初拟分析结构为:4 cm细粒式沥青混凝土+6 cm中粒式沥青混凝土+7 cm粗粒式沥青混凝土+15 cm级配碎石+32 cm水泥稳定碎石+土基。各结构层初拟的力学参数如表2所示。
采用BISAR3.0软件计算倒装路面结构中结构层层底最大拉应力和路表弯沉值。计算模型采用与现行沥青路面设计规范相同的双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系。
1) 倒装结构层模量对结构层层底最大拉应力的影响分析。
倒装结构层模量对结构层层底最大拉应力的影响结果见表3。
倒装结构层模量变化对结构层层底拉应力的影响情况见图1。
从图1可以看出:在其他参数不变的情况下, 随着倒装结构层模量的增加, 沥青层层底的最大拉应力显著降低, 半刚性基层层底的最大拉应力也相应减小, 但减小的幅度较小。因为倒装结构是一种夹层式结构, 其模量相对较低, 对道路结构的承载能力有一定的影响, 所以要想将倒装结构成功地应用在我国的公路建设中, 倒装结构层必须具有较高的强度, 故本文推荐倒装结构层的模量应达到400 MPa左右。
2) 倒装结构层厚度对结构层层底最大拉应力影响分析。
倒装结构层厚度对结构层层底最大拉应力的影响结果如表4所示。
倒装结构层厚度变化对结构层层底拉应力的影响情况见图2。
倒装结构层厚度变化对路表弯沉的影响结果如表5所示。
结合图2, 表4和表5可以看出:在其他参数不变的情况下, 随着倒装结构层厚度的增加, 沥青层层底的最大拉应力逐渐增加, 半刚性基层层底的最大拉应力却逐渐减小, 路表弯沉值随着倒装结构层厚度的增加而减小。因此, 倒装结构层的厚度应当存在一个最佳值, 由图表分析, 本文推荐倒装结构层的适宜厚度在13 cm~18 cm之间, 以15 cm为最佳。
4 结语
由于倒装结构层在应力、应变传递的协调过渡方面比较顺利, 可大大减少和延缓反射裂缝, 解决半刚性基层沥青路面反射裂缝严重的问题。本文对倒装结构层材料的技术性质要求及级配组成要求进行了相关介绍, 通过变化倒装结构层的模量及厚度, 采用BISAR3.0软件分析其对道路结构性能力学特性的影响, 考虑到倒装结构层材料模量比较低会对道路结构的性能造成一定的影响, 综合考虑, 本文推荐倒装结构层的适宜模量应在400 MPa左右;另外通过分析可知, 随着倒装结构层厚度的增加, 沥青层层底最大拉应力逐渐增大, 半刚性基层层底最大拉应力逐渐减小, 且路表弯沉值也在逐渐减小, 故本文推荐倒装结构层的最佳厚度在13 cm~18 cm范围之间。
参考文献
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