工程车辆底盘

关键词： 偶联 控制结构 车辆 系统

工程车辆底盘（精选四篇）

工程车辆底盘 篇1

1 工程机械车辆液压底盘模拟试验台的结构组成与工作原理

工程机械车辆液压底盘模拟试验台由四部分组成, 包括控制系统、能量回收系统、模拟加载系统和驱动系统。图1是试验台的结构组成和工作原理。

模拟加载系系统的动力是由能量回收系统提供的, 能量回收系统主要包括直流调速电机、电机控制器以及供电网络。试验台最核心的部分是模拟加载系统, 模拟加载系统主要是以压力耦合的方法把两个二次原件并联到恒压的网络系统中, 模拟加载转矩的变化是通过二次原件的排量进行调节的, 两个二次原件可以模拟左右轮边上的载荷, 模拟加载系系统由电液伺服阀、变量油缸、转速转矩传感器以及控制器组成, 驱动系统通过模拟加载系统施加负载, 对各种载荷下的液压底盘驱动进行模拟并对其工作性能进行分析。

驱动系统为试验台提供驱动力, 主要包括变量马达、变量泵、发动机。模拟发动机的轴动力是由柴油发动机完成的。该轴动力带动两个变量泵产生液压力驱动两个变量马达工作, 该变量泵的转速是可控的。根据需要, 该驱动系统可以进行单泵或双泵工作, 也可以实现单马达和双马达工作。驱动系统主要是模拟工程车辆的单桥轮边驱动和双桥轮边驱动等多种驱动方式下的底盘工作情况。控制系统主要是通过计算机、PLC和Profibus DP完成系统的控制工作。已经对试验台的整套系统做了详细试验验证, 可以很好的模拟工程机械车辆各种液压底盘变化的工作情况, 系统运行稳定可靠。

2 驱动系统和模拟加载系统的耦合分析

目前我国的几台二次调节模拟加载试验台都存在因为机械耦合和液压耦合作用的原因导致转速子系统和转矩子系统无法稳定工作的问题。所以, 我们设计了独立的驱动系统和模拟加载系统, 并且充分考虑了耦合作用下的各种情况, 可以分别对转矩和转速进行控制, 可以在很大程度降低液压耦合对系统的不良影响。这样可以不用加入耦合网络保证转矩和转速的稳定控制。然而因为有机械耦合的因素, 驱动系统的转速和加载系统之间有很大的干扰, 会使系统的控制稳定性降低。针对该问题, 进行了实验进行验证处理。在模拟加载系统中, 模拟加载转矩是应用力士乐的A4VSO125二次原件完成, 在驱动系统中, 用林德公司的变量泵和变量马达对驱动转速进行模拟, 必须在转速限定范围内对转矩进行二次调节。虽然柴油发动机、变量泵和变量马达都可以调节转速, 然而在实际的应用中, 一般只是对变量马达进行转速调节, 因为在调速范围下, 要保证驱动系统的高动态性要求。

3 模拟加载系统与驱动系统的解耦

转速子系统和转矩子系统都是用单回路PID控制器进行控制的, 可以通过人工试凑的方法得到参数, 当系统的工况发生很大的变化时, 不能保证控制质量, 并且有很大的耦合作用, 对系统稳定性影响很大, 不能达到预期的控制效果。现在我国的解耦方式都是在控制网络中加入解耦元件, 但是该方式在静态解耦时比较实用, 因为解耦元件的参数都是固定的, 在动态系统中不能对控制系统进行有效解耦。我们设计的双输入和双输出耦合系统, 本文提出了PID解耦控制方法, 该PID是基于单神经元, 可以对PID参数进行自我调整, 可以达到有效的解耦目的。由仿真实验可以看出, 不能忽略驱动系统的转速和加载系统转矩之间的耦合因素, 要应用具体有效的解耦方式进行解耦控制。单神经元的PID解耦控制系统可以通过对加权系数的调整进行自我调定, 按照有监督的学习规则实现权系数调整。

4 结语

在工程机械车辆液压底盘模拟试验台系统中, 因为转矩控制子系统和转速控制子系统之间有机械耦合现象, 会造成系统不能稳定运行, 本文针对耦合现象设计了解耦方案, 提出了基于单神经元PID解耦方法, 可以有效的对转速和转矩子系统进行解耦, 可以明显改善系统的控制性能。

摘要：分析了工程车辆液压底盘模拟试验台中驱动系统的转速控制子系统和加载系统的耦合问题, 说明了耦合现象对整个控制系统的影响;介绍了工程机械车辆液压底盘模拟试验台的结构与工作原理;并且针对转速子系统和转矩子系统的耦合现象造成的系统不稳定因素提出了解耦方案, 可以使两个子系统实现动态解耦。

关键词：工程机械车辆,二次调节,转速控制,转矩控制

参考文献

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[2]田联房, 裴忠才, 李尚义, 刘庆和.次级调节液压加载试验台的解耦[J].中国机械工程, 2007.

工程车辆底盘 篇2

1 运动物体的检测

在运动物体检测中, 常常要提取前景, 再对前景进行相应的处理。最常用的提取前景的方法有帧间差分法[1]、光流场法[2,3]和背景差分法[4,5]。

1.1 前景的提取

帧间差分法是在序列图像中, 通过逐像素比较直接求取前后两帧图像之间的差别。假设在多帧图像之间, 内容基本不变化, 那么差分后图像的不为零处表明该处的像素发生了移动。换言之, 对时间相邻的两幅图像进行差分运算, 可以将图像中目标的位置和形状突显出来。帧间差分法有易于实时监控系统的应用, 算法简单, 如果相邻帧的时间间隔较短, 该方法对场景光线的变化不太敏感, 受目标阴影的影响也不大, 因此这种方法适用范围广泛, 但是对选择差分连续帧的时机要求较高, 而且有赖于运动物体的运动速度, 如果运动速度较快, 而选取的时间间隔过大, 就会造成两帧之间同一目标无覆盖区域, 从而无法识别且分割出运动物体的连续性;如果运动速度过慢, 而选取的时间过小, 就会造成过度覆盖, 最坏的情况就是物体几乎完全重叠, 根本就检测不到物体。

光流法采用了运动目标随时间变化的光流特性。所谓光流是指图像中灰度模式运动的速度, 它是景物中可见点的三维速度矢量在成像平面上的投影, 表示了景物表面点在图像中位置的瞬时变化, 同时光流场携带了有关运动和结构的丰富信息。光流法的计算结果通常误差较大, 分割结果的精确性依赖于估算的光流场的精确性。然而准确计算光流场一直是一个难以解决的问题, 而且光流法的计算很复杂, 如果没有硬件支持, 很难满足系统实时性的要求。

背景差分法是在建立稳定的背景下, 将当前图像与背景图像做差。基于背景差分的运动目标检测虽然比连续帧间差分提取出的目标图像更为完整, 实现起来比较简单, 但是自适应能力较差, 一些动态变化和一些干扰没办法避免。背景的建立对整个系统的实现至关重要, 采取的背景建模算法要求对光照和外部条件造成的场景变化有一定的鲁棒性, 而且对实时性的要求也高。

本文前景的获取是利用背景差分法与帧间差分法相结合得到的, 即背景差分与帧间差分得到的两幅图像分别利用大津法[6]进行二值化, 再将得到的两幅二值化图像进行或操作, 并将闭合区域进行填充, 获取前景轮廓。

1.2 稳定背景的建立与更新

本文利用高斯混合模型建立稳定背景[1]。背景图像的每一个像素分别用由K个高斯分布构成的混合高斯模型来建模, 即:

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式中:K是混合高斯模型中高斯分布的个数, 一般取3～5;Xt是像素在t时刻的值, 本文取其灰度值;ωi, t表示t时刻混合高斯模型中第ith个高斯分布的权系数的估计值;μi, t和Σi, t分别表示时刻t混合高斯模型中第ith个高斯分布的均值向量和协方差矩阵;η表示高斯分布概率密度函数。

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更新时, 对时刻t图像帧的每个像素值Xt和它对应的混合高斯模型进行匹配检验, 如果像素值Xt与混合高斯模型中第i个高斯分布Gi均值的距离小于其标准差的2.5倍, 则定义该高斯分布Gi与像素值Xt匹配。对于不匹配的高斯分布, 它们的均值和协方差矩阵保持不变, 匹配的高斯分布Gi的均值μ和协方差矩阵Σ按下式更新:

μi, t= (1-ρ) μi, t-1+ρXt (3)

Σi, t= (1-ρ) Σi, t-1+ρ·

diag[ (Xt-μi, t) T (Xt-μi, t) ] (4)

其中:

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式中:α为参数估计的学习速率, 本文取1/t。

经过实践证明, 背景的建立在500帧之后最稳定, 认为它是可信背景。然而时间越长, 背景的更新速度越慢, 真实背景上的变化无法及时更新到建立的背景上, 本文采用间隔700帧重新获取一次背景, 这样既可以得到稳定的背景, 又可以及时对背景进行更新。

2 车辆底盘阴影分割粘连车辆

本文在白天城市路和高速公路做实验, 摄像机距地面15 m, 正对车辆行驶方向安装, 摄像机是从高于车辆的方向水平向下30°的方向看去, 如图1所示, 车辆底盘处总会有阴影存在。阴影有其固有的属性[7], 首先他的颜色属性和图像背景差别很大, 其次阴影与目标一样一直处于运动状态, 而且在位置方面, 阴影总是与投射它的物体相连, 阴影与车辆本身是一一对应的关系, 即每辆车有且只有一个阴影。

由图1可知, 阴影分为全影和半影, 全影要比半影颜色更暗些, 阴影的特征也更明显些。车辆底盘阴影则属于全影。

根据阴影的这些特征, 利用车辆底盘阴影来分离由于局部遮挡而引起的粘连车辆是完全可行且可靠的。

2.1 车辆底盘阴影的提取

检测阴影的方法很多, 其中文献[8]中提出的基于亮度和三色值的阴影提取方法, 是利用颜色特征和亮度来提取阴影, 该方法实现起来繁琐, 在实际运用中, 亮度特征不是很明显;文献[9]提出了基于HSV颜色空间阴影提取算法的使用十分广泛, 但在视频交通检测应用上效果并不理想, 由于输入的视频与真实场景相比有一定的模糊, 导致HSV各分量变化规律不明显, 文献[9]中还提出基于边缘相减的阴影检测算法, 它的处理速度快, 需要的信息少, 然而当车辆边缘不清晰时, 将无法区分车辆与阴影。

本文提出一种简单有效的方法进行实时检测车辆底盘的阴影, 即利用路面灰度分布范围和纹理信息检测车辆底盘阴影。该方法的思想是:在稳定背景下, 统计路面灰度分布范围, 阴影的灰度值一定比路面的灰度值小, 这样就可以用较小的路面灰度值做阈值来区分路面与阴影, 即可准确提取出车辆底盘阴影。这种方法提高了处理速度, 而且是在白天的城市路和高速路上, 光照条件好, 都可以很好地检测出车辆阴影。

车辆底盘阴影提取的具体步骤如下:

(1) 用混合高斯模型建立稳定的背景模型。

(2) 提取前景图像, 获取每个前景的位置。

(3) 对每个前景块统计路面的灰度分布情况。

(4) 用最小的灰度值作为阈值, 对当前帧图像二值化。

(5) 提取出比路面黑的车辆底盘阴影及其在图片中的位置。

在统计背景路面灰度分布时发现, 背景的灰度直方图分布形状与高斯分布相似, 而且背景上会有一些干扰点。为了去除这些干扰点且准确判断背景的灰度分布范围, 采用了90%的灰度分布值为路面的灰度分布范围。

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式中:sum[i]表示整幅图像中像素值为i的个数;sum表示整幅图像的像素个数;k为从0～255的像素值。当σ≥0.02时, 对应的k值即为路面灰度分布范围的左边界。因为只需要用左边界做阈值来二值化图像, 所以不需要求出路面灰度分布范围的右边界。二值化时, 将图像中小于阈值的像素点设为255, 将大于阈值的像素点设为0, 这样即可提取出比路面灰度值小的部分, 得出的团块即为车辆底盘阴影区域, 团块的宽即为车辆底盘阴影的宽, 团块的高即为车辆底盘阴影的高。

2.2 分割局部遮挡而粘连的车辆

利用阴影与车辆一一对应的原理, 分离被部分遮挡的车辆。在前景与背景分离时, 经常把局部被遮挡的车辆与遮挡的车辆划分成同一辆车。本文提出利用车辆底盘阴影分离被遮挡的车辆, 只要前景中检测出不止一个阴影, 再加上车辆边缘的定位, 就可实现分离被遮挡的车辆。

在获取前景后, 如果检测到只有一个车辆底盘阴影, 则通过前面所述的方法认为只有一辆车。当检测到不止一个阴影时, 将检测出的阴影与相对应的前景相结合, 判断前景上对应检测出车辆底盘阴影位置的正下方是否还有前景目标, 如果有, 则认为该阴影是车体的一部分或其他干扰, 并不是车辆底盘阴影, 如果没有, 则认为该阴影是车辆底盘阴影, 最后确认出几个车辆底盘阴影就认为有几辆车。

假设前景在图像的上、下、左、右分别为TOP, BOTTOM, LEFT, RIGHT, 检测出来的车辆底盘阴影在图像的上、下、左、右分别为top, bottom, left, right;sum255表示特定区域的前景目标像素个数;color (i, j) 表示前景图像上第i行第j列的像素值, 则:

sumundefined (sum255+1) : (sum255+0) (7)

由于不排除存在干扰的可能, 选取T为阈值, 在sum255≤T时, 说明所检测的阴影为车辆底盘阴影, 在sum255>T时, 则认为所检测的阴影不是车辆底盘阴影。

在判断出一个阴影是车辆底盘阴影后, 其阴影的宽度即认为是车辆的宽度, 高度则是由对应前景决定的, 在对应车辆阴影位置的前景上, 从阴影所在的正上方向上扫描, 逐行累计前景目标的像素个数sum255至前景的最上端, 在sum255

sumundefined (sum255+1) : (sum255+0) (8)

式 (8) 中, k=top, top+1, …, TOP。当sum255

具体流程图如图2所示。

3 实验结果

本文利用车辆底盘阴影分离粘连车辆的方法进行试验。图3为白天某城市路视频录像中的一帧。图3 (a) 为没有利用车辆底盘阴影分离粘连车辆的结果图, 图3 (b) 为利用车辆底盘阴影分离粘连车辆的结果图。

由图3可以看出, 两辆在前景检测中由于遮挡而连在一起的车辆, 利用车辆底盘阴影可以准确地将其分离。

4 结 语

利用车辆底盘阴影的特征实现分离由于局部遮挡而粘连的车辆, 大大提高车辆检测的准确率。限于样本的采集, 本文未对雨天和雪天等路面的反光现象进行实验, 这将是以后工作的重点。

参考文献

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[9]周凯.交通视频监控系统中运动目标特征提取与数据传输实时性保证的研究[D].上海:同济大学, 2007.

“工程机械底盘”课程作业改革初探 篇3

“工程机械底盘”课程作业教学存在的问题

作业形式呆板, 作业手段落后 受传统作业形式的影响, “工程机械底盘”课程作业主要以问答题、结构原理阐述题、判断题、选择题等固定的形式出现。这种作业方式机械而呆板, 学生不善于拓展思维, 对一些稍显灵活的作业题目, 比如故障分析, 学生往往显得束手无策, 不善于运用所学知识并借助现代工具分析、解决问题。

作业内容单一且缺乏灵活性, 抄袭现象严重 课程作业内容多是为复习巩固所学知识而设计的, 结合具体工程机械设备或部件的分析、联系实际的作业布置严重不足, 内容单一缺乏综合性。同时, 作业难度偏低、内容比较枯燥, 对学生没有吸引力, 缺乏挑战性, 学生习惯于通过教材和网络找出现成的答案, 抄到作业本上就算完成, 很少有学生在作业中加入自己的观点, 到考试时则死记硬背。另外, 课程作业内容单一, 缺乏个性, 也为互相抄袭创造了条件, 使课程作业流于形式, 渐渐失去了应有的功能。

作业量偏少 相比于基础课程和专业基础课程, 专业课程的作业量明显偏少, 加上作业形式的局限, 学生用于课后做作业的时间减少, 导致玩游戏成风, 旷课率增加。长期以来养成的不良习惯, 使学生对专业课程的学习认识不足、重视不够。

作业评分依据不足 课程作业是教师检验教学效果和学生掌握知识情况的客观依据, 学生作业是否完成和完成的质量也是教师考查学生平时成绩的依据。由于缺乏对作业过程的控制, 成绩评价则可能出现较大偏差, 认真完成作业的学生得不到应有的鼓励, 无疑会助长抄袭之风, 破坏成绩评价的公平性原则, 打击部分学生的学习热情。

项目作业法简介

基于以上状况, 我校课程组采用项目作业法对课程作业进行了改革探索。项目作业法是一种行动导向教学方法, 就是在教师指导下, 将一个作业项目交由学生自己处理, 信息的收集、方案的设计、项目实施及最终评价都由学生自己负责。学生通过该项目了解并把握整个过程及每一个环节中的基本要求。

“工程机械底盘”课程内容主要是对基础知识的综合与应用, 前期课程教学已完成, 学生已具备一定的基础知识和专业基础知识。因此, 课程作业完全可以项目的方式安排, 从学生的个性化需求、今后的从业方向和社会需要出发, 设置项目内容和形式, 让学生动起来, 使作业活起来。在实施过程中追求学生的主动参与和亲身体验, 使学生在作业过程中巩固知识、理解运用、融会贯通, 在师生交互活动中求得学生的自主发展。

“工程机械底盘”课程项目作业法的实施程序

制定激励措施, 开展宣传教育 要成立一个项目作业推行小组, 成员来自教学班学生和课程组教师, 其任务是:共同研讨并确定课程的考核标准;制定激励措施;宣传项目作业的内涵与目的, 以调动学生的参与热情。

师生共同商定作业项目或教师把关、学生确定作业项目内容 “工程机械底盘”课程作业可设置章节作业和综合作业, 作业内容主要从三个方面确定:一是依托专业课程实验室或开放性实验室, 引导学生积极深入实验室进行实践, 完成探究型、创新型作业, 如实物拆装、故障分析、自制模型等;二是依托虚拟现实技术, 完成对系统的建模、仿真分析与优化;三是设计类题目, 可以提出具体的应用场所和性能要求, 完成方案的设计、参数计算与校核及设计图的输出, 学习运用基础知识解决实际问题的思路与方法, 培养学生检索信息资料、应用标准手册的能力。

教师拟定作业项目任务书 任务书明确提出作业的目的与任务、内容与要求、项目成果形式、进程安排及实施步骤、推荐的参考资料等。

成立作业项目小组, 确定项目负责人 学生自愿组合形成项目小组, 人数应控制在4~6人。随着作业内容的更改, 可以重新组建小组, 也可邀请其他专业的同学加入, 可以宿舍为单位组建作业小组, 这样有利于项目开展。教师根据项目要求提出自己的建议, 防止学生组建小组的盲目性。

项目小组选定作业项目并开展活动 项目小组根据自己的特长和兴趣选择作业项目内容, 共同制定计划, 共同或分工完成整个项目。

教师过程指导 过程指导是实施中的关键环节。教师可利用现代信息技术, 比如通过QQ、邮件、电话等多种方式及时与学生交换意见, 检查进度等。另外, 可利用课堂教学对集中出现的问题给予讲解或与学生讨论, 以找到切实可行的解决方法。

作业项目完成提交为 提高学生的写作能力和计算机应用能力, 要求每个项目组完成一份项目报告, 报告要求符合规范。

项目作业成绩评定与考核方法 师生共同参与评价作业项目。项目小组把成果做成PPT报告, 项目负责人负责介绍项目的实施方法及过程, 展示说明项目成果。全体学生和教师可针对项目提出自己的见解、疑问或建议, 根据项目成员平时努力程度、答辩情况及成果等为项目作业做出评价。

项目作业总结 教师对学生项目作业实施过程及结果加以分析归纳, 对有用的成果或经验加以巩固利用, 对存在的问题找出原因, 以利于后继作业项目的开展, 不断改进、丰富课程项目作业。

“工程机械底盘”课程项目作业法实施效果

项目作业法在“工程机械底盘”课程教学中经过两年实践, 取得了以下效果。

学生的学习热情提高 一个一个小目标的实现足以让一个学生充满自信, 使学生体会到成就感。针对不同的问题, 学生常聚在一起互相讨论和学习, 学生之间的交流增加了, 人际关系更加和谐, 课后玩游戏的人数明显减少, 学习氛围增强。

有利于培养学生对知识的综合应用能力 有时在教学中, 往往一门课程一旦结课, 学生就不再练习应用, 课程与课程之间是脱节的, 而其根本原因是没有一个具体的任务目标让学生参与, 学生没有机会应用。专业课程项目作业的形式搭起了课程之间的桥梁, 通过项目作业使学生在“做”中学, 在“学”中做。

强化了实践环节, 有利于培养学生分析、解决问题的能力 项目作业方式贯穿整个课程教学过程, 随着教学进程而适时开展, 通过指导学生收集资料, 在课后带着问题深入实验室进行项目作业, 或到就近施工场所、工厂进行考查调研, 应用所学知识分析、解决实际问题, 可以有效提高学生的实践能力。

工程软件应用能力提高 基于虚拟现实的作业项目, 使学生所学的工程软件有了具体的用武之地, 通过对各系统部件的零件三维建模、部件装配、三维动画仿真及仿真计算分析等的大量练习, 学生应用工程软件的能力得到了很大的提高。

补充丰富了教学资源 由于工程机械设备昂贵, 实验设施不全, 学生收集的资料和完成的模型极大地丰富了教学资源, 减轻了教师的工作量, 使教师有更多时间投入到课程教学设计和组织工作中。三维虚拟模型可以替代实物模型进行直观化教学, 在此基础上可以进一步开发出虚拟实验平台等教学系统。

有助于毕业设计的开展和质量的提高 学生往往要在毕业设计前期为熟悉题目、熟悉结构、理清思路和熟悉软件花费较长时间, 大部分学生用在前期工作中的时间几乎占了毕业设计时间的一半以上, 以至于后面由于时间仓促只好草草结稿, 这是影响毕业设计进度及质量的重要原因之一。在专业课教学过程中完成的项目作业可以作为毕业设计的基础, 使毕业设计与前期的课程学习结合起来, 学生可提前收集许多资料并进行学习, 在毕业设计时减少盲目性, 较快地进入实质内容的设计, 使学生有更充分的时间思考问题和解决问题, 从而提高毕业设计质量。

有助于学生科技创新活动的开展 在课程项目作业的基础上, 可以积极引导学生申报大学生科创项目或参加比赛、发表论文, 形成良好的学习习惯。

有利于建立基于事实的课程考核体系 由于项目作业是基于过程控制的作业方式, 可使教师与学生之间的交流增加, 学生的努力程度和作业质量教师非常清楚, 教师在考核课程成绩时有了客观依据, 可避免评分的主观性和片面性。

可有效地控制作业抄袭现象 项目作业分章节、分层次设计, 内容及要求各不相同, 学生找不到现成的答案, 只有在掌握知识的基础上才能运用所学知识完成课程作业, 有利于提高课程作业质量, 减少作业抄袭现象。

实施中应注意的问题

教师需精心设计课程作业内容, 难度要适中 章节项目作业难度可以适当加大, 以利于对知识的掌握;课程综合项目作业对学生整合知识的能力要求较高, 难度可适当降低, 关键在于方法的学习和培养。

应提前公布项目作业题目 教师应把各章节作业项目和综合作业项目在开课之初向学生公布。这样有利于学生带着问题进行资料收集, 进行课程自主学习, 积极认真地听教师讲课和参与讨论, 有助于提高课程教学质量。

教师应加强理论学习和实践锻炼 专业课程作业项目化对教师的综合能力要求很高, 不仅要求基础理论知识娴熟, 更要有实践经验, 具有解决实际问题的能力。教师要不断加强基础理论和专业知识的学习, 注重知识更新, 同时还要有一颗敬业的心。

要建立与项目作业法相配套的课程考核方式 “工程机械底盘”课程的考核是由学生平时作业、课程实验和期末考试三部分组成, 平时作业加实验占成绩的30%, 考试占成绩的70%。这种传统的考核方式导致学生轻视过程学习, 出现平时不努力, 考前搞突击、死记硬背的学习风气。项目作业是基于过程的作业方式, 为了有效地激励学生参与, 有必要加大平时作业成绩的比例, 改革课程考核方式。学校需给予课程组更多的课程考核自主权, 允许课程组提高课程作业成绩所占的比例, 降低理论考试成绩所占的比例。

作业评分应与激励相结合 在课程考核评分时, 不仅要看作业结果, 更要注重学生在作业过程中的态度和作业的思维方法, 鼓励学生敢于面对困难, 大胆尝试, 勇于创新, 不怕出错。比如, 有的学生敢于尝试新的理论和方法, 敢于选择难度较大的题目, 对这部分学生应给予较高的评分以示鼓励。

参考文献

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工程车辆底盘 篇4

某超高层住宅小区, 总建筑面积约60万平方米, 分为南北两个区域。北区有四栋超高层住宅, 建筑高度约150米, 主体结构采用钢筋混凝土剪力墙结构, 四栋高层共用一个三层地下室。其中地下三层为人防区域, 地下二层~地下一层均为车库及设备用房, 顶板覆土厚度达2米, 主要功能为停车场及中央公园。本工程结构嵌固端设在顶板板面, 故主楼及其相邻区域范围内地下室采用现浇梁板式结构体系;主楼范围外地下室主要作为停车库使用, 为满足设备布线及建筑净高要求, 采用无梁楼盖体系。纯地下室部分柱网大部分为8.4mx8.4m正方形区格, 布置较为均匀。为了探讨无梁楼盖体系在本工程地下室中的合理性, 特建立了三个模型, 对两个不同荷载区域的楼板进行了经济性比对。

1.1 纯地下室部分结构方案的对比:

常用的结构形式为井字梁结构体系、无次梁梁板式结构体系以及无梁楼盖结构体系。现通过对三种结构布置方案的工程量统计, 分析无梁楼盖在经济性方面的优点:

1.1.1 人防区顶板设计对比:

选取位置:本工程地下二层楼板面 (人防区顶板) ,

恒载:3.0k N/m2,

活载:5.0k N/m2,

人防荷载:55 k N/m2,

建筑布置:8.4米x8.4米标准区格, 双向各8跨, 边长67.2米;

采用以下几种结构布置方案进行比较:

A.井字梁结构布置方案:采用梁板式结构体系, 设置井字形次梁, 平面简图如下所示。

梁板体系结构平面图

梁板体系梁平法施工图

因人防规范要求, 楼板最小厚度为250mm, 按照配筋率1.5%控制框架梁配筋, 满足设计要求的前提下, 工程量如下表所示:

B.大板块布置方案:

采用梁板式结构体系, 不设次梁, 平面简图如下所示:

梁板体系结构平面图

梁板体系梁平法施工图

因人防规范要求, 楼板最小厚度为250mm, 按照配筋率1.5%控制框架梁配筋, 满足设计要求的前提下, 工程量如图所示:

C.无梁楼盖布置方案:

采用板柱结构体系, 柱帽尺寸2600×2600×750, 板厚350mm, 计算工程量如图所示:

1.1.2 覆土顶板 (非人防) 设计对比:

选取位置:本工程一层结构板面 (覆土顶板) ,

恒载:36k N/m2,

活载:4.0k N/m2,

建筑布置:8.4米x8.4米标准区格, 双向各8跨, 边长67.2米;

采用以下几种结构布置方案进行比较:

A.井字梁结构布置方案:

采用梁板式结构体系, 设置井字形次梁, 平面简图如下所示:

梁板体系梁平法施工图

梁板体系结构平面图

顶板作为上部结构嵌固端, 楼板厚度取180mm, 按照配筋率1.5%控制框架梁配筋, 满足设计要求的前提下, 工程量如图所示:

B.大板块布置方案:

采用梁板式结构体系, 不设次梁, 平面简图如下所示:

梁板体系梁平法施工图

梁板体系结构平面图

顶板作为上部结构嵌固端, 楼板厚度取350mm, 按照配筋率1.5%控制框架梁配筋, 满足设计要求的前提下, 工程量如图所示:

C.无梁楼盖布置方案:

采用板柱结构体系, 柱帽尺寸2600×2600×900, 板厚500mm, 计算工程量如图所示:

三种方案对比分析:

地下室人防区顶板三类型结构体系造价归纳如下:

(1) 带次梁的梁板式结构体系:用钢量:331.369吨, 砼1818.472吨

(2) 无次梁的梁板式结构体系:用钢量:258.662吨, 砼1507.840吨

(3) 无梁楼盖结构体系:用钢量:194.738吨, 砼1603.9吨

地下室覆土顶板的三类型结构体系造价归纳如下:

(1) 带次梁的梁板式结构体系:用钢量:306.216吨, 砼1579.733吨

(2) 无次梁的梁板式结构体系:用钢量:309.539吨, 砼1877.120吨

(3) 无梁楼盖结构体系:用钢量:248.388吨, 砼2301.285吨

由以上两组述数据可知:

A、在人防地下室设计中, 因人防构造规定了楼板的最小厚度, 在相同荷载条件下, 无梁楼盖体系用钢量最少, 仅为无次梁的梁板式结构体系的75.2%, 为带次梁的梁板式结构体系的58.7%;同时混凝土方量仅为无次梁的梁板式结构体系的106.3%, 为带次梁的梁板式结构体系的88.2%;

地下室顶板设计中, 因嵌固层的构造要求, 楼板最小厚度不得小于180, 在相同荷载条件下, 无梁楼盖体系经济性优势明显, 用钢量为无次梁的梁板式结构体系的80.2%, 为带次梁的梁板式结构体系的81%;但混凝土方量略大, 为无次梁的梁板式结构体系的122.5%, 为带次梁的梁板式结构体系的145.7%;

地下室局部剖面图

B、在本工程地下室设计中, 无梁楼盖体系相对梁板式体系, 每层降低了1000-350=650mm的层高, 节省土方、基坑、施工降水、外墙、外墙防水、柱子、内墙、各类竖向管 (井) 道的费用、水平消防及通风设备的材料与安装费用、各类给排水设备与通信器材的费用等综合造价。若本层地下室层高降低650mm, 根据每降低10cm层高节省1.5%的综合造价计算, 当前地下室综合造价在2000元/m2以上, 本层可额外节省的综合造价约为1.5%x2000x650/100=195元/m2。本工程设三层地下室, 层高分别为3.6米、3.4米、4.1米;

若按每层平均减少层高550mm计算, 则额外节省的工程造价达495元。在同样的建筑使用面积情况下, 大大减少了地下室深度, 经济性明显。

C、无梁楼盖体系构造简单, 施工方便迅速。相对梁板式结构体系而言, 无梁楼盖的施工减少了10~20%的砼与钢筋工作量, 减少35%板安装及裁剪, 在节省模板材料及缩短工期方面有着梁板式体系无法比拟的优势。

2 无梁楼盖的设计要点及体会:

2.1 常用计算方法:

无梁楼盖属于双向受力楼盖, 板内钢筋沿双向布置, 但柱中心线不设梁, 荷载直接由板传递给柱。其受力可视为支承在柱上的交叉板带体系, 分析时可近似地将其看成扁梁 (板带) -柱体系。跨中板带相当于次梁, 柱上板带相当于主梁。在地震作用下, 无梁楼盖体系中板柱节点将产生不平衡弯矩, 这种不平衡弯矩的反复作用将严重影响节点的承载力, 因此无梁楼盖体系中板柱节点是抗冲切和抗震的薄弱环节, 节点的破坏是导致结构破坏的主要原因。对于地下室无梁楼盖体系, 由于地下室受水平地震影响作用较小, 采用无梁楼盖体系是可行的。

无梁楼盖一般采用直接设计法和等代框架法计算, 但这两种方法仅在无梁楼盖具有较规则框架柱网的条件下才能应用, 因此, 在实际工程中, 我们一般通过有限元程序对计算结果进行精确分析, 并采用直接法和等代框架法对计算结果进行验算校核。

2.1.1 直接法

直接法即经验系数法, 是在试验研究与实践经验的基础上提出来的, 计算时只要算出总弯矩, 再乘上弯矩分配系数, 即得各截面的弯矩。但此法适用于比较规则的框架, 且必须符合下列条件:

(1) 每个方向至少有三个连续跨;

(2) 同一方向上的最大跨度与最小跨度之比应不大于1.2, 且两端跨不大于相邻的内跨;

(3) 任一区格的长边与短边之比应不大于1.5;

(4) 活荷载与静荷载之比应不大于3。

与其他两种计算分析方法相比, 直接法简便快捷, 计算直观, 但适用范围存在一定限制。在设计中需要注意的是, 此方法只能计算出柱帽中心位置的弯矩, 而柱帽边则因截面突变可能出现配筋不足的情况。因此, 工程设计中对柱帽边楼板负筋还需要另行复核。

2.1.2 等代框架法

等代框架法, 即将整个无梁楼盖结构分为沿纵、横柱列方向划分为纵、横两个方向的等代框架。等代框架的梁的宽度为竖向荷载作用时, 取板跨中心线之间的距离;为水平荷载作用时, 则取板跨中心线之间距离的一半较为适宜。等代框架梁的高度取板的厚度。等代框架梁的跨度, 取等于lx-2c/3或ly-2c/3, c为柱帽宽度。等代框架的计算高度, 对于楼层, 取层高减去柱帽的高度;对于底层, 取基础顶面至该层楼板顶面的高度减去柱帽的高度。

当仅有竖向荷载时, 等代框架可近似的按分层法计算:所计算楼板均看作上层柱的固定远端.这就将一个等代的多层框架的计算变为简单的二层或一层 (对顶层) 框架的计算.计算中应考虑活荷载的不利组合, 最后得出的等代框架梁弯矩值, 按系数分配给柱上板带和跨中板带。

对于无梁楼盖结构来说, 由于没有梁和柱子相连, 我们必须按照规范中的规定将板简化为双向等代框架梁进行计算。因此, 在用PMCAD对无梁楼盖进行人机交互式建模时, 就需要按等代框架的原理将楼板换算成相同刚度的框架梁输入模型, 进行整体计算。需要注意的是, 在SLABCAD按照有限元分析楼板受力配筋的阶段, 结构的各框架梁应作为虚梁 (100x100截面) 输入。

等代框架法的适用范围为任一区格的长跨与短跨之比不大于2;可用于经验系数法受到限制的情况, 如双跨结构、不等跨结构、活荷载过大的结构、不同的竖向荷载和水平荷载等。由于等待框架法采用的是将楼板等刚度代换为框架梁的计算思路, 相应的计算过程较为复杂, 不适合手算复核, 在实际工程中是在整体分析和程序验算中使用。

2.1.3 精确分析计算方法

精确分析法一般采用有限元程序进行计算, 是目前适用范围最广的方法。该方法通过有限元计算程序, 对一些边界条件复杂, 楼板区格不规则的无梁楼盖做到准确分析。工程设计中除了上述的以等刚度代换框架梁的计算方法外, 还可以通过定义弹性板来实现有限元程序对无梁楼盖的整体分析。具体做法如下:

在采用SATWE软件分析无梁楼盖结构时, 由于SATWE软件具有考虑楼板弹性变形的功能, 可以采用弹性楼板单元较为真实的模拟楼板的刚度和计算变形, 即定义无梁楼板为弹性板6。因此就不用将楼板简化为双向等代框架梁体系, 而是通过设置虚梁定义楼板边界, 直接对无梁楼盖体系进行三维分析计算, 但在边界处及开洞处仍应布置实梁, 在构造上满足规范的要求。模型建立后就可以使用SATWE软件对无梁楼盖结构进行三维整体分析计算。必须注意的是, 由于定义了弹性楼板, 必须选择总刚算法进行计算。

与前两种方法相比较, 有限元计算方法极大地节省了设计中的计算时间, 提高了效率, 同时对异形复杂楼板都能够加以精确的分析计算, 是符合当前阶段设计工作要求的电算方案。但由于某些电算软件程序的不成熟, 有限元分析过程中会出现一些错误, 如柱帽底部钢筋过大, 相同条件下配筋相差较多等问题, 需要引起足够的重视。在设计过程中, 应采用有限元计算为主, 同时加以直接法、等待框架法复核结果的方案, 才能保证工程质量, 同时节省造价。

2.2 构造措施

2.2.1 无梁楼盖的板厚, 一般可取最大跨度的1/35~1/32 (有柱帽时取小值) , 且最小值不得小于150mm;

2.2.2 无梁楼盖应在四周设置圈梁, 圈梁的高度不得小于板厚的2.5倍及板跨的1/5, 圈梁的作用是承受无梁板传递的扭矩, 因此应对其抗扭钢筋及箍筋进行加强, 同时梁宽宜适当放大;

2.2.3 柱帽作用主要是抗冲切, 因此构造上宜设置箍筋。箍筋设置方案与框架梁相似, 主要分布于柱宽范围内, 间距应小于1/3 (h0) 。规范及教科书未提及柱帽底部钢筋的计算要求, 且此位置不是受力区域, 可按架立筋布置。

3 小结

由上文可以得知, 无梁楼盖适用于荷载较大, 并且对楼板厚度有一定要求的区域, 因此在地下室结构特别是存在人防要求的结构中, 无梁楼盖的各项优异性能可以得到最大化的体现, 在混凝土使用量相近的情况下大大节省钢筋。较梁板体系而言, 无梁楼盖拥有经济与时间上的优势, 可以在一定程度上减少造价, 缩短工期, 同时为建筑空间的最大化使用提供有利条件。

随着近年来我国经济及房地产市场的持续发展, 高层建筑及超高层建筑越来越多。由于高层建筑本身对埋置深度就有一定的要求, 以及人防、车库等建筑设计的需要, 使得多层地下室在高层建筑设计中越来越普遍。在这种趋势下, 无梁楼盖体系的应用将受到越来越多工程师的亲睐。根据工程所在地实际情况, 分析最适宜的结构类型, 在保证安全的前提下最大化地利用资源, 是我们在设计工作中需要重视的内容。

摘要：在高层建筑设计中, 地下室及基础的费用约占整个工程的20%30%。因此, 地下室结构体系的选型对控制工程造价存在较大的影响。本文通过工程比对, 论证了地下室采用无梁楼盖结构体系的特点及优势, 并介绍无梁楼盖结构设计的一般方法, 以供参考。

关键词：高层建筑地下室,无梁楼盖,经济性,设计方法

参考文献

[1]滕志明.钢筋混凝土基本构件[M].北京:清华大学出版社, 1987.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.