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关键词:钢结构结构设计住宅
0、钢结构住宅发展的前景
长期以来,我国因缺少钢材而对建筑钢结构的应用加以限制,使建筑钢结构的使用限制在很小的范围内,建筑钢结构用钢量占全国钢材总产量的比重极低。1996年,我国钢产量首次突破亿吨,1998年我国钢产量已达到11434万吨,而且每年增产300万吨,形成了钢材供过于求的新形势,为发展我国的建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。
随着钢产量的不断提高,经济的不断发展,对绿色环保型建筑的不断要求,钢材应用于住宅建筑主体结构是历史所趋。我国正在加速发展钢结构住宅产业化进程,发展以标准化、系列化、通用化,以专业化、社会化生产和商品化供应为基本方向的住宅产业现代化体制。国家建设部和中国工程建设标准化协会正在组织研制和开发多层轻钢结构的住宅建筑体系的结构选型,新型围护结构与隔断体系以及钢结构构件及配件,结构体系设计与施工技术,编制相应的设计与施工技术规范和规程。可以预见,不远的将来钢结构住宅的发展和应用会有新的飞跃。
目前经国内广泛研究、实验分析,钢结构住宅通用体系用于民用住宅,具有独特的优势,与其它住宅通用体系相比,其主要特点是:
1、自重轻,可减轻建筑物的重量约30%,有利于建设高层,特别是在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方,其综合经济效益优于一般住宅建筑体系。
2、布置灵活,开间大,使房型丰富,约可提高建筑面积3%~5%。具有充分的灵活性、可改性和安全性,有利于满足现代人的居住需要,适应现代住宅的市场需求。
3、可以工厂化生产,更易实现工业化、定型化、批量化生产,提高劳动生产率。
4、施工周期大大缩短。据研究,钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半,减少湿作业量,且其节能指标可达50%,属环保型绿色建筑体系。
本文以笔者设计的镇江市某多层钢结构住宅试点工程为例,介绍了钢结构设计中值得注意的几个问题及其相应对策。
1、钢结构住宅结构体系布置
目前国内钢结构建筑体系主要有纯框架体系、框架-支撑体系、框架-核心筒体系等结构形式[1],各种形式的优缺点分析参见文献[1]。
钢结构住宅构件的截面形式分为:热轧H型钢截面,焊接H型钢截面、钢骨混凝土截面、焊接箱形截面、冷弯焊接方管或圆管截面等,各种形式的优缺点见表1。
表1不同柱截面形式的性能比较
Tab1differencepolesection’scapabilitycompared
项目
H型钢
钢骨混凝土
钢管
钢管混凝土
承载性能
较好
好
一般
好
用钢量
较多
省
较多
省
施工速度[2]
最快
较慢
快
较快
防火处理
需处理
不用处理
难度大
一般
造价[2]
较高
较省
较高
较省
在设计过程中选用何种体系,应该综合考虑多方面的因素,例如突出钢结构优势的大柱网因素和适应现代人生活需要的大开间、易改变的布置因素。为了使结构经济合理,多层钢结构住宅对结构布置有些要求。当然,这些要求不是绝对的,而是在可能条件下这样做会更经济,更合理,主要是:
(1)采用矩形平面或由矩形平面单元组成的建筑平面。
(2)框架柱在房屋横向宜成列布置。
(3)将支撑或桁架腹杆设在无孔口的分户墙中。
(4)采用间隔桁架体系时,房屋纵向走廊宜在横向桁架的中部。
我们设计的某轻钢住宅的平面结构布置图,从图上可以看出结构布置采用了大柱网、大开间的结构布置形式,采用高频焊接H型钢体系。
2、钢结构住宅设计中若干值得注意的问题讨论
在选择了合适的结构体系、柱网布置以后,在设计过程中还要有以下几个值得注意的问题。
2.1节点设计
钢结构体系当中,节点的设计和构件的设计具有同等的重要性,因此必须给予充分的重视。钢结构的节点设计包括梁-柱节点、梁-梁节点、柱-柱节点、柱脚节点、柱帽节点等。设计时应确保节点的安全可靠,并尽量采用简捷、稳定、可靠的施工工艺,减少或避免现场的焊缝连接。钢节点的形式按传力特性大体可以分为三类:铰节点、半刚性节点、刚性节点。刚性、铰接节点的受力性能、施工工艺研究得比较成熟,因此在工程中取得了广泛的应用。
采用的几种梁-柱节点连接形式。由结构布置分析,考虑工程实际情况,在设计时,多层房屋钢结构柱多采用焊接工字形或箱形截面,由于焊接工字形截面腹板比较薄,故在此弱轴方向与粱的连接多采用铰接,而强轴方向则采用刚接形式[3]。从图中我们不难发现,铰节点形式简单,施工方便,但它使得梁跨中弯矩加大,增加用钢量,不经济;刚性节点构造复杂,但其有效的降低了跨中弯矩,节约了用钢,有较好的经济效应;而半刚性节点应用比较少,主要是其受力特性比较复杂,往往通过试验来取得较为准确的设计数据。三种形式,哪一种更加经济可靠,还有待于在实际工程中比较、检验。
2.2墙体材料的选取
一般来说,为了突出钢结构自重轻、布置灵活、可改性好的特点,钢结构住宅不宜采用传统的黏土砖或其它自重较大的材料。通常采用轻质材料,比如:空心混凝土砌块、加气混凝土、压型钢板加轻质保温材料组成的复合墙体、OSB板、CS板[4]等。目前使用的比较多的是蒸压轻质加气混凝土板(AutoclavedLightweightConcrete)简称ALC板(块)。这种材料质地较轻,具有较好的防水,防渗透能力,保温性能好,隔声效果与一般混凝土空心砌块相当,自身的强度高,施工方便、快捷。无论做外墙还是内隔墙效果都比较理想。
在进行墙体的设计时,要求对连接件的强度、质料和尺寸有准确的规定。对连接方式充分考虑墙体和主体结构的特性,尽可能采用简捷、快速的连接方法,以便于施工,提高作业效率。
2.3卫生间、厨房设计
卫生间和厨房的设计是钢结构设计过程中比较重要的环节。因为钢结构材料的防腐能力相对较弱,而卫生间和厨房是住宅中用水最多的地方,所以这两处的防水处理十分重要。在其它建筑体系中,防水有两种方法:结构防水和材料防水。在钢结构中,结构防水的效果比较好。正如前文指出,框架-核心筒结构体系把卫生间和厨房放在核心筒内,具有良好的防水性能。对于其它结构体系要根据工程实际情况而定,比如对于框架-支撑体系采用压型钢板混凝土组合楼板时,通常在墙角处将混凝土上翻100~150mm。由于目前钢结构住宅的工程实例不是很多,故这方面还有待进一步研究、开发。
2.4楼梯
对其它类型钢结构建筑的楼梯大都采用钢楼梯,而住宅体系中则基本不用,原因是钢楼梯的传音效果较好。故钢结构住宅中常常采用混凝土楼梯或者压型钢板混凝土组合楼梯。在设计时要注意楼梯梁的放置位置和处理,因为通常情况下,这里会出现梁-梁连接,这种连接会使得被连接梁承受集中荷载,这样该梁比较容易发生局部失稳。
该钢楼梯采用6mm钢折板做踏板,上面浇注混凝土,踏板两端用L50×6角钢与楼梯梁(槽钢)通过M12螺栓连接。这种做法利用40mm混凝土克服了一般钢梯传音效果好的弱点,同时槽钢上翼缘可以焊接合金楼梯扶手,施工简便,值得推广。
2.5楼盖体系
多层房屋钢结构的楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性,当前较常采用的是在钢梁上铺设压型钢板,再浇注100mm左右的钢筋混凝土板,即形成压型钢板组合楼板。楼盖梁一般采用简支等高连接,有时也可做成不等高连接,如采用压型钢板组合楼板时,为了便于铺设压型钢板,主次梁顶面需相差压型钢板厚度,同时还可以增大建筑净层高。在设计过程中,要考虑钢梁和楼板的组合作用,这样会显著提高粱的承载力和整体稳定性,并有效降低梁高,节约用钢,降低工程造价[5]。
压型钢板组合混凝土楼板,除了按计算(并满足构造要求)在钢梁上焊接栓钉外,为了保证混凝土和压型钢板共同工作,它们之间应有连接措施,根据规范规定[6][7],其连接措施可以依靠压型钢板的纵向波槽或依靠压型钢板的上的压痕、开的小洞或冲成的不闭合孔眼,也可以依靠压型钢板上焊接的横向钢筋。
3、结束语
本文介绍了钢结构住宅结构设计过程中应该注意的几点问题和相应的解决方法。钢结构住宅结构体系在我国正处于一个起步阶段,国家政策的导向,国民生活的提高对住宅提出的要求等为钢结构住宅结构体系的发展和应用提供了非常广阔的前景,全国各种钢结构住宅设计、开发、施工公司有如雨后春笋。
本文研究仅是一个起步,我国钢结构住宅体系在以下几方面还值得进一步研究开发。
1、对各种抗腐蚀性优的钢种的研究开发;
2、半刚性连接节点受力性能分析、研究;
3、隔墙板材的布置、排版的系统化、标准化研究,统一标准的制定以及相关设计软件的开发;
4、楼面结构整体受力性能的研究;
5、结构抗震的计算与分析;
(一)戏剧式结构
所谓戏剧式结构,就是运用电影“重要的特殊条件”即电影特有的表现手段来组织和安排戏剧冲突的剧作结构样式。那么,它到底有哪些基本特征呢?
(1)情节因素的完整性。戏剧式结构的剧作,一般都以戏剧冲突推动情节的发展,造成一种环环相扣、步步进逼的态势,迫使冲突尖锐化。它不但要求整部剧作有一条包括开端、发展、、结局的结构要素在内的情节线,而且要求每一段(场)戏中也尽量做到有其开端、发展、、结局,造成一个个“小型的霹雳”(席勒语),以促使全剧大的到来。如影片《祝福》主要由出逃、被卖、重返鲁家、捐门槛到砍门槛等情节段落构成。就整体而言,出逃为其开端;被卖、重返鲁家,直到捐门槛为其发展;砍门槛为其,最后的死亡为其结局。戏剧式结构的情节就是如此既紧张激烈又曲折有致地向推进。因此,其情节必然如戏剧那样具有其完整性。
(2)段落布局的严整性。戏剧式结构既然讲究对情节进行紧张而曲折的安排和处理,它就要求按照因果关系,把段落与段落之间,层层递进地、合乎逻辑地连结起来,使之构成一个相互依存的严谨的整体,“任何部分一经挪动或删削,就会使整体松劲脱节”(亚里士多德语)如美国影片《魂断蓝桥》;要不是玛拉与罗依之间存在着“等级差距”,他们就用不着来回折腾求得批准,以致耽搁了教堂规定举行婚礼仪式的时间;要不是芭蕾舞团那位老太太不近情理,玛拉就不会失业;要不是玛拉失业和罗依的死讯,玛拉也就不会于绝望中沦落为;也就不会加深她与罗依之间的“等级差距”,也就不会导致她向罗依母亲吐露真情的。前一个段落是后一个段落的“果”,一环扣一环,使得段落布局异常严谨周密。
(3)叙述进程的顺时性。戏剧式结构的剧作,为了造成情节步步进逼,达到吸引观众的效果,必然要求严格按照时空顺序,组织和安排故事情节。即使在十分需要的情况下运用倒叙、插叙,甚至闪回的手法,也只能是对主要情节作必要的补充,绝不允许从根本上错乱情节发展的时空顺序。
在电影发展史上,戏剧式结构的作品占有非常重要的地位,直到今天的电影生产中,仍然占很重的比例,仍然受到广大观众的欢迎。它的优点和长处是不容忽视和低估的,这着重体现在:情节冲突是紧张而激越,人物性格鲜明而集中,情节表达单纯而强烈,符合通俗化大众化艺术的特点,适合广大观众的审美心理、审美趣味和审美习惯的要求。其短处在于:矛盾冲突线索单纯集中,结构严谨封闭,主题比较单薄,内涵不够丰满,难于反映复杂而丰富的社会生活,容易露出人工斧凿的痕迹。随着现代电影观念的变化,戏剧式结构也在不断发展,诸如戏剧冲突日趋生活化,封闭的叙事方式逐渐被突破,运用技巧注意隐而不露等等。
(二)散文式结构
顾名思义,它的特征与散文结构的特征密切相关。散文最突出的特征是“形散神聚”,具体表现有二:第一,散文选材广泛,表现自由。大至宇宙万象,小至一草一木,乃至人生的一段经历,一星冥想,都可以化为散文的笔墨。作者犹如骑着思想的野马,“思接千载,视通万里”,不拘格套,挥洒成章。第二,散文既不象小说那样通过故事情节塑造人物,也不象戏剧那样讲究矛盾冲突,它写事写人只需撷取看似零散的几个侧面,于小中见大,平中见奇,散中见整,使之“形散而神聚”,正是散文的这种特征,影响并规定了散文式结构的特征。
(1)情节的散淡性。散文式结构不象戏剧式结构那样把生活中的矛盾集中强化,也不把所有的人物围绕在一个中心事件的周围。前苏联著名导演罗姆说:散文式电影“不局限于一个主要的抵触,主要的冲突”,“而是把同等重要意义的许多现实与问题综合成一个总体去表现生活的复杂性,戏剧性不是浓缩在一起,而是被引入河道,分散成许多小溪和沟渠。影片《城南旧事》中三个故事是并列的,影片《市长》中十个故事也是并列的,它们都被“分散”成了条条“小溪和沟渠”,因而不可能形成“一个主要的抵触”和“主导的冲突”。当然,这类影片并非没有情节,它也需要一定的情节,不过,它所依赖的主要不是情节,而是情绪。它赖以塑造形象、体现主题、吸引观众的手段,不是情节的生动,而是情绪的积累,它不需要戏剧式那套结构样式,需要的是有助于情绪积累的结构样式,即场面的叠加。这样一来,线形的情节结构自然让位给了块状的场面结构。“冲突是悄悄地深藏不露地进行”(萨赫诺夫斯基语),戏剧式结构那种和结构局面也就成为多余的了。因此,这类影片的结构,总是着眼于细节刻划,以平稳均衡的画面,从从容容地去展示散点的日常生活事件。当然,这类影片也有,不过,它不是情节发展的,而是情绪积累所造成的,如《城南旧事》结尾处,在《送别》歌(影片中第七次出现)的变奏中,由小英子的大近景化成香山火红的枫叶,一组快速运动的红叶特写叠化镜头,就构成了影片的情绪,直到大片的红叶遮住了小英子远去的马车。影片到此虽然结束了。但是观众的心仍被那离情别绪激动得不能自己。这就是美的意境所产生的特殊的艺术魅力。
(2)段落布局的松散性。如前所述,戏剧式结构非常讲究段落之间严密的因果关系,其中的一部分行动必然是另一部分行动的因或果,要求形成尖锐而激越、集中而凝练的戏剧冲突。散文式结构则没有这种要求,它写人写事只需要抓住最能传神达意的几个侧面加以勾勒,在结构上不讲究段落之间的必然联系,只要求安排合理,过渡自然,能让剧情连续下去即可。有的影片仅以剧中人主观视点来穿针引线,如《城南旧事》;有的影片则似生活的原汤原汁,呈现出一种散点式的结构,如《似水流年》;有的影片甚至完全看不出有什么首尾贯穿的事件,如《市长》。这是散文式结构“贵散”的一面。但是它又有“忌散”的一面,如《市长》十个故事间虽无外部的联系物,却有着作者以其对陈老总深沉而炽热的爱作为内聚力,把这十个并不连贯的故事联成为一个艺术整体,从而产生叩人心弦的艺术效果。《似水流年》、《城南旧事》则是在“淡淡的哀愁,沉沉的乡思”意境追求中所体现出的民族感情把各种生活事件串连起来,使这两部影片都获得了不同凡响的艺术效果。
(3)叙述的顺时性。这一点似乎和戏剧式结构相似,不过,戏剧式结构运用顺时性叙述,完全是为了有利于戏剧冲突的连贯性,便于情节步步逼进,造成对观众的吸引力;散文式结构采用顺时性叙述则是为了强调纪实性,让观众看到现实生活的自然流程,有利于加强生活的实感。影片《市长》中未用过闪回镜头。《城南旧事》尽管有好几处写秀贞回忆她的情人思康,但主要是依靠秀贞讲述。
与戏剧式结构比,散文式结构的长处在于:第一,具有表现生活真实性的最大可能性。这种结构的影片不以戏剧冲突为剧作基础,不按照戏剧冲突律来组织情节,设置悬念,制造。相反,它主张用情节淡化来取代人为的强化;主张用开放式来取代有头有尾、头尾呼应的封闭式;主张多侧面、多层次、多场景、多穿插、多声部的叙述表现法来取代程式化的情节发展过程。正因为如此,它可以充分利用电影时空转换的自由,着力于生活细节描写,按照生活的自然流程表现生活,使它具有别类结构影片不可取代的真实性和艺术说服力。第二,具有调动想象力的最大可能性。这种结构的影片取材不受限制,表现不拘格套,在貌似松散的结构中寓有强烈而真挚的情感,在质朴淡雅的神韵中蕴含着隽永的意境。观众欣赏这种情节淡、节奏慢、意境深、情感浓的影片,可以化被动为主动,最大限度地调动其想象力,使之在有限的画面中,生发出丰富的联想、想象,甚至幻想,去领略其中无限的意蕴,从而获得最大限度的美感享受。
(三)小说式结构
劳逊说:“电影完全不象戏剧;相反,它很象小说。”电影和小说有极其相同的特点:在时空转换上,它们都享有极大的自由。凡小说家的笔力所能涉及到的时空,电影镜头几乎都能拍摄到,这就使得电影和小说的关系极其亲近。尽管在人物内心世界的刻划方面,对电影来说,在默片时期几乎是个“”,但随着有声电影的诞生,尤其是在“意识银幕化”的开拓创新上,电影借助蒙太奇技巧的发展,“”终被突破,电影几乎和小说同样享有了内心刻划的功能,为小说式电影开辟了更为广阔的前景。同时,由于小说本来就兼有戏剧的情节因素和散文的叙述因素,小说式结构几乎兼有了戏剧式和散文式的某些优势,因此,有人说小说式是介于戏剧式和散文式之间的结构样式,小说式结构的特征是:
(1)从情节结构来看,它近似戏剧式,也需要有一个完整的情节。但是它对情节的要求同戏剧式又很不相同。戏剧式注重情节,主要在于通过情节塑造形象,体现主题和吸引观众。因此,它要求组织高度集中和完整的情节结构,要求在剧作中前边出现的人、事、物,后边一定要有所照应和交代,否则,就破坏了情节结构的集中性和完整性,就是多余的“闲笔”。小说式影片要求剧作家把重点放在刻划人物性格上,情节要为塑造人物性格服务,不必脱离人物性格的塑造去追求情节结构的所谓完整性。因此,小说式结构在表现生活场景方面,除了主要生活场景之外,还需要表现众多的次要的生活场景和插曲;在表现矛盾冲突方面,除了主要矛盾冲突之外,还需要表现众多的次要矛盾冲突,让人物去面对生活中可能遇到的各种矛盾和情境,以便更细致深刻地展示出人物的内心世界,塑造出如同生活一样丰富和复杂的人物形象。正因为如此,戏剧式结构所认为的“闲笔”,只要能服务于人物性格的塑造,达到丰富作品内涵的目的,在小说式结构中不但是允许的,而且是完全必要的。
(2)从场面结构来看,它近似散文式,也需要有场面的积累。但是它对场面积累的要求同散文式又很不相同。散文式的场面积累,不在于交代情节,也不在于刻划人物性格,而在于创造意境以渲染一种“典型的情绪”。
(3)从时空结构来看,它比戏剧式和散文式享有更充分的自由。戏剧式为了让情节具有吸引力,散文式为了达到纪实性的要求,一般都采用顺叙式结构。而小说式结构既可以采用顺叙,也可以采用倒叙,还可以采用时空交错法。这种叙述方式于戏剧式或散文式是不宜采用的。
一、出示复习目标(以下简称亮标)(2分左右)
上课开始,教师直接出示复习课题,接着把预先写在小黑板上的复习目标挂出来。出示的复习目标应注意如下三点:
1.目标要全面。所谓“全面”,就是指按照数学教学大纲上的要求,有针对性地在知识、能力和思想品德三方面提出复习要求,不能厚此薄彼,甚至只提出知识方面的复习要求,把能力与思想品德丢在一边。例如,统计表和统计图的复习,除了应当掌握的知识外,学生的观察能力和应变能力也要得到发展,同时还要注意训练学生一丝不苟的认真态度、追求美观整洁的爱美情操和习惯等。
2.目标要准确。即针对性要强。一是目标中知识、能力、思想品德各方面的要求要准确,二是三者之间不能混淆。如统计表和统计图的复习,复习的目的是:将学过的统计表和统计图强化和分化,防止相关或相似知识的互串。学生易混的问题是:如何确定单位长度?(共性)为什么折线统计图中横标目的间隔要按实际年份留空?(个性)学生最容易遗忘的是:制图后忘掉写数据,或把标题与图表分开等等。在复习课上制定复习目标时,应注意和这些新授课后发现的问题结合起来,以利于解决学生的实际问题。
3.目标要具体。不要提一些抽象或空泛的口号,诸如“通过复习培养学生良好的学习习惯”,粗一听很具体,细一想太空泛,到底培养学生的哪些习惯不得而知。其实一堂课只能按实际教学内容培养学生的某一方面的素质,太多会适得其反。
教学目标不仅是向学生提出的,也是对教师提出的。复习课上教师应紧紧围绕着目标组织教学,就像写文章不能“跑题”一样,复习课也不能“离标”,而应有的放矢。
二、回忆(8分左右)
回忆,就是要求学生将学过的旧知不断提取而再现的过程,这是学生独立联想的有利时机,应尽最大可能让他们独立完成。如果是低年级,可让他们先看书本再回忆并说出来;中高年级也可让学生提前一天预习,这样课上会节省一些时间。当然,回忆过程也离不开教师的启发辅助。我们常采用如下策略:
1.独立地默写。
2.同桌相互说。
3.启发得结果。
如要求学生用“组词”或“造句”等方式回忆出学过哪些“数”?哪些“形”?哪些“式”?哪些“量”?也不失为一种较好的“联想”式回忆的办法。
回忆过程中一般只要求学生写出或讲出“是什么”,不追问“为什么”或“怎么样”,以便一气呵成地将所有旧知“拉出来”,提高回忆的效率。因此,学生回忆时,教师不要过多地“插手”或“插嘴”,而是让学生七嘴八舌地说,龙飞凤舞地写,这时只有一个目的:把有关旧知回忆出来。例如,让学生回忆:我们已经学过了哪些“角”?只要学生讲出锐角、直角、平角……所有的角的名称,不必追问其意义和区别,也不用管这些角的序列。
回忆既是提取旧知的过程,同时也是进一步强化记忆的过程,还是互相启发获得联想结果的过程。
如果学生的回忆不完整,这时可让其他学生或由教师补充,也可暂时放一放,之后在“梳理”中完善。
三、梳理(10分左右)
梳理,就是将旧知识点按一定标准分类。因此,梳理是复习中的重点。梳理要完成两项任务:一是将知识点联接起来(求同),二是把各知识点分化开来(求异)。这些工作教师在备课时应充分准备好,否则上课时会造成混乱。梳理往往同板书联系起来,使视听融为一体,增强复习效果。根据复习内容的异同,通常采用:
1.边梳理边板书。即梳理与板书同步进行。
2.先梳理再板书。即师生先一起将旧知的异同点输出,然后出示板书。
3.先板书后梳理。这在低年级比较适用。运用时也可在挂出板书的同时,边看板书边梳理。
梳理过程,实质上是将知识条理化、系统化的思考过程,其间应用的思考方法主要是“分类”,即根据一定的标准将知识分化。如四边形,根据对边关系可分成两类:两组对边分别平行的四边形(平行四边形),只有一组对边平行的四边形(梯形)。在小学里,一般应根据学生实际学习的内容及所达到的思维程度来教学,不必拘泥于完全科学性原则而把小学数学知识太宏观化,这就是作为“学科数学”与作为“科学数学”的区别之一。像四边形,严格地讲,应把两组对边都不平行(不规则四边形)作为一类,小学数学不研究它,也没有必要让学生“多此一举”。一定要注意:我们的分类,是将已学过的知识分类,而不是将学生还没有学过的知识分类。其实,分类标准本来就是人为的,更何况对有些分类目前专家们也争论不休,如三角形按边分类就有两种情况:一是分成两大类——不等边三角形和等腰三角形,把等边三角形作为等腰三角形的特例;二是分成三类——不等边三角形、等腰三角形、等边三角形。这就要看给“等腰三角形”怎么下定义了。到底是分得细一些好,还是粗一些好,可看复习内容的多少来定,复习的内容多要粗分,反之则细分为宜。
四、沟通(10分左右)
沟通是复习课的鲜明特质。因为新授课的主要目的是将知识点分化,把握单个知识的本质属性,一般很少也不可能同后继知识发生关联。复习课中,正好就是将所学知识前后贯通、沟通起来,这就是所谓知识点的泛化。
沟通不同于知识之间的简单联结,而是知识本质上的融合。因此,沟通不仅要在异中求同,而且也要在同中求异,这是知识结构转化为认知结构的重要环节。这就是前面谈到的,回忆阶段只求“是什么”,而这里“沟通”时还要追求“为什么”问题。如约分与通分,它们的意义不同,但本质和操作却是同一个理论根据,即分数的基本性质的具体化。操作过程也有差别,约分一律运用“同时缩小相同倍数”,而通分则一般运用“同时扩大相同的倍数”。
沟通时,既可让学生提出疑问,也可由教师出示问题让学生思考回答,还可采用板书填空的形式,这要看具体运作情况而定。
沟通的目的也不仅仅是求同与求异,更重要的是为了灵活地运用知识解决数学问题,进而拓展学生的思维。
五、练习(10分左右)
复习课中的练习与新授课或练习课中的练习都有明显不同。新授课中的练习主要是为了巩固刚学过的新知,因此其练习成分是基本习题占70%左右,侧重于知识方面;练习课中的练习则是为了技能向能力转化,侧重于数学能力的形成;复习课上的练习侧重于知识结构转化为认知结构,因此应出示综合性较强的习题让学生练习。
【内容摘要】由于受到诸多因素的影响,毕业生心理变化往往呈现出自信、自知、自负、自卑、自弃等多种状态。为了使全体学生都得到充分发展,有必要采用“负反馈结构”来控制语文复习过程。负反馈结构重视对认知前提、情感前提、教学质量三大教学变量的调控,通过前馈、中馈和后馈相结合的方式,使教学本身形成一个自我反馈矫正系统。负反馈结构具有六个教学环节:标的、前馈、实施、中馈、后馈、达成;具有四个特点:中介性、操作性、参与性、可控性。运用负反馈结构的目的是让师生双方“耗费最少的必要时间和精力而收到最佳效果”,使他们的素质都得到充发的发展。
【关键词】毕业生心理状态语文复习课结构负反馈结构
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对毕业班的复习课,社会上非议较多。其实这里存在着一个观念和方法的变更问题,只要立足于充分发展学生的素质教育的基础之上,复习课同样会发挥有意义的作用。复习课,尤其是高三年级的语文复习课,具有明显的特殊性。从复习内容上讲,它不是原教学内容的简单重复,而是系统地呈示教学内容的结构;从复习方法上讲,它不是盲目地死记硬背或题海演习,而是有目的地进行语言理解表达能力的再训练;从教育目的的角度讲,不应当只给少数尖子学生“吃偏饭”,而应当在复习过程中使每个学生的素质都得到充分的发展。因此,语文复习课的教学结构(或叫教学过程)具有明显的特殊性,它不但受到复习内容、复习方法的影响,更受到学生心理状态的直接影响。
中学生进入高三阶段后,由于受以前的学习基础和学校、家庭、社会诸多因素的影响,他们的心理变化呈现出不同的状态。一般说来,大致有自信、自知、自负、自卑、自弃等几种类型。自信者,学习成绩长期保持优秀,学习方法灵活而有效,有冷静而愉悦的学习心境,能控制自己的情绪,有饱满的学习热情,有远大的理想,有高尚的道德感、审美感、理智感等社会情操。自知者,学习成绩较好,学习刻苦认真,但方法不够灵活,能发现自己的不足并设法提高自己,能控制自己的情绪,学习热情高,有崇高的社会情操。自负者,学习成绩时高时低,学习情绪时冷时热,学习不肯下功夫,不能正确认识自己,有时盲目自满,个人修养和社会情操的表现也都随他们情绪的波动而发生明显的变化。自卑者,学习成绩不太好,学习认真但效果不显著,学习心境经常受到各种思绪的干扰,学习时面部表情痛苦,经常因处于后进而缺乏自信心,他们一般都遵守纪律,有集体荣誉感。自弃者,学习成绩差,不爱学习,学习时不专心,一般对社会上的一些庸俗现象很感兴趣,家庭和社会环境的不良行为对他们影响太大,他们纪律性不强,说话表里不一,缺乏自尊心,没有责任感,但有时对集体活动特别热情,会突然萌发一些上进念头并有所行动,可是不能持久。学生的种种心理状态,会直接影响学习的质量,因此,在复习过程中,应根据学生不同的知识基础,不同的心理状态,采取不同的措施,以便使每个学生都有所进步。
在复习课上,我一般采取前馈、中馈和后馈相结合的方式展开教学过程,我把它叫做“负反馈结构”,目的是尽可能地及时了解和控制每个学生的学习行为,以便提高复习的效率。下面分别从理论基础、教学功能、复习程序、结构特点、复习要求等方面试做简单的阐述。
理论基础
反馈是控制论的一个重要概念。在控制系统中,如果系统的输出值与目标值的差值越来越大,离目标越来越远,就是正反馈;如果差值越来越小,与目标完全或基本上吻合,就是负反馈。以教学目标为出发点的教学过程,经教师和学生的相互作用,在学生身上产生一种学习行为,教师及时把这种行为与原定目标相对照并找到偏差值,这个过程就叫做形成性检测,或者叫“中馈”。中馈重视的是教学过程中对存在问题的及时发现、对教学措施的及时调整和对学习行为的有效控制。中馈只依据达标情况与原定目标的偏差信息对教学过程进行控制,而不考虑影响达标的干扰因素是什么,这有利也有弊,因而给矫正措施的执行带来了一定的困难。所以在教学过程中还需要一个“前馈”环节。所谓前馈,就是在进行新的教学任务之前,对学生的认知前提能力和情感前提能力进行诊断测试和了解,对发现的缺漏及时进行补偿,为学生适应学习任务做好准备。有了前馈和中馈相结合的信息准备,一般就能够顺利进行复习过程的控制,但是,要实现复习目标的达成,还必须进行单元复习目标终结性检测,这就是“后馈”。如果在教学过程中把前馈、中馈和后馈有机地结合起来,那么教学过程就会始终是合目的的,教学的输出信息和输入信息的差值就会很小,也就是说教学过程出现“负反馈”,这就是“负反馈结构”命名的理论基础。
教学功能
负反馈结构着眼于学生素质的充分发展,着眼于全体学生的充分发展,具有明显的教学预决效应。运用负反馈教学结构的目的是让师生双方“耗费最少的必要时间和精力而收到最佳效果”。这种教学结构主张以目标为中心来组织复习活动,整个过程从明确目标开始到达成目标结束。教学目标以训练思维能力为主线,以训练听读说写协同发展的语文能力为重点,以文体训练为阶段。负反馈结构重视对认知前提、情感前提、教学质量三大教学变量的调控,主张通过前馈、中馈和后馈相结合的方式,使教学本身形成一个自我反馈矫正系统;重视以情感为核心的非智力因素对教学过程的影响,注重对学生学习积极性的激发和调动,主张让学生积极参与教学过程。这种教学结构的功能还在于主张学生学习负担的优化,提倡教师在保证有效完成复习任务的前提下,采取切实措施尽量减轻学生沉重的学习负担。
复习程序
1.标的教师要根据复习内容确定十分具体又便于操作的教学目的与要求,并以恰当的方式通过自己的教学,使学生形成一定的目标意识。确定标的有两点要求:一是要系统化,因为语文课本以文章为主要内容,文章之间、单元之间没有必然的联系,语文基础知识和能力训练点散见于各册课本,需要分类集中。所以教师要以教学大纲和考试说明为依据,对语文复习目标进行系统化、结构化处理。二是要具体化,对每一节课、每一个单元的复习目标要表述得十分具体而又便于操作,不但要适合教师的教学操作,而且要有利于学生的学习操作。
2.前馈在复习单元内容之前,要对学生有关的知识基础、学习态度、学习能力等进行诊断测试;如果教师有丰富的教学经验,并对学生比较了解,也可以凭经验进行预测。针对诊断测试或经验预测所发现的问题,教师要提前进行补偿教学。前馈补偿不但可以改变学生的认知前提,消除学生认知方面的缺陷积累,而且可以改变学生的情感前提,增强学习的动机,获得学习的乐趣,确立学习的信心等。前馈诊断要依据学生的实际水平,选择不同的测试内容和测试方式。对自卑、自弃的学生应选择基础的常识性内容,使他们可以回答或稍加点拨便能回答,并及时肯定以增强他们的自信心和学习兴趣。对自负的学生应选择一些好像简单但又让他们回答不上的问题,以抑制他们的骄傲自满情绪,使他们冷静地对待即将进行的复习。对自信、自知的学生应选择一些具有启发延伸作用的问题,以培养他们的志趣,发展他们的创造力。前馈补偿为复习新的内容准备了认知前提和情感前提的条件,为学生全面积极地参与复习过程打下了基础。
3.实施这是复习课的中心环节。复习的内容包括语文知识的系统梳理、确定要素、辨析区别和思维能力、语言的理解表达能力的深化训练。知识的梳理、确定、辨析虽不是复习的重点,但它是培养提高思维能力和语言能力的基础。复习语文知识并不是对各册语文知识的重复,而是要把分散的语文知识点条理化、结构化、系统化。要使学生在复习中掌握结构化了的整体知识,并深化对知识层次之间、知识点之间联系作用的辨析和易混淆概念的区别。因此,对语文知识的复习过程,同时也是提高学生的思维能力和语言能力的过程。对课文的复习,必须纳入对学生进行思维训练和语言训练的轨道,这也同样面临着能力训练的结构化、系统化问题。如对语感的训练,对文学鉴赏能力的训练,对不同文体的文章的阅读能力的训练,对各种文体的写作能力的训练等等。在复习实施过程中,对复习目标的确定和复习内容的选择也要根据学生的认知水平和情感水平而定。因此,整个复习实施过程,就是围绕复习目的使全体学生的认知水平和情感水平都得以提高的过程。
4.中馈无论是课时复习还是单元复习,在复习过程中要随时进行形成性测试和评价,以便及时发现问题,及时矫正解决。在复习过程中,要围绕复习目的,选择恰当的内容,针对不同水平的学生设计不同程度的测试题或问答题;要鼓励全体学生积极参与复习过程,要尽可能把学生内隐的思维活动转化为可观察的学习行为。教师要根据测答情况和学习行为的反馈信息及时进行矫正教学。矫正教学分为集体性和个别性两类,前者是针对班级存在的共性问题而采取的措施,后者是针对个别问题而采取的措施。中馈是对复习目的、复习过程、学生参与程度的有效控制环节。
5.后馈一个单元内容的复习结束以后,必须依据预定目标进行终结性检测。后馈环节的关键是编制测试题,一份好的测试题应达到以下标准:第一,测试内容要与复习目标相对应,要围绕一个知识点从多角度、多侧面、多数量制题。第二,测试题排列要有层次性,按智力目标的记忆、理解、分析、综合、评价的顺序呈现出一种递进关系,以填空、选择、简答、写作等题型来体现。第三,要以测试语言为重点,在主要测试语言的理解表达能力的基础上,还要涉及思维能力和语文知识的测试。第四,还要照顾不同水平的各种学生,可用必答题和附加题的形式满足不同水平学生的不同需求。另外,还应注意到情感原则,试题要形式多样、生动活泼,阅读和写作的内容要尽量接近学生的生活实际。
6.达成教师根据终结性检测的反馈信息,对没有达到复习目标的个别学生,要设法进行个别辅导;对大多数学生没有掌握的内容,教师应进行集体补救性教学。个别辅导和集体矫正仍然要围绕复习目标进行,不过需要变换复习方式,变换复习角度,变换检测试题;也可利用群体学习的氛围,培养良好的班级学风,形成互帮互学的小气候,使不同水平的学生在认知和情感诸方面都得到充分的发展,以确保复习目标的达成。
结构特点
“负反馈结构”具有以下特点:
1.中介性负反馈结构是教学控制理论和语文教学实践相联系的中介环节,具有提高教学效率、发展教学理论和促进教学改革的功能。
2.操作性负反馈结构不仅有清晰的程序,而且有简约的操作规定,具有一般水平的教师均可操作运用。
3.参与性负反馈结构强调教师、学生和教学目标导引下的教学内容三者共同参与教学过程,对教学质量的提高和对教师学生素质的发展都有积极的作用。
4.可控性负反馈结构强调教学目标的具体化和操作性,强调教学过程中前馈矫正、中馈矫正和后馈矫正的紧密联系和相互作用,因而使教学过程始终处于可控状态。
复习要求
教师对复习目的的确定与表述一定要做到具体清晰,显示可操作性。复习过程中要注意听读说写能力的协同发展,要把对语言的理解表达作为复习训练的重点。反馈矫正的各个环节要加强训练,要注重不同水平学生的不同需求,以强化学生的学习动机,培养学生的学习兴趣。
参考书目
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关键词:嵌固端首层地面刚度比地下室基础埋深
1.引言
高层高层建筑在进行结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端的所在位置,而嵌固端的选取却面临着各种不同情况,如不设地下室但基础埋深较大;没有地下室但其层数或多或少,且基础形式不同等。根据以上情况正确选取其结构嵌固端,是高层建筑结构计算模式中的一个重要假定,它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性,而且还影响结构产生侧移的真实性,以及结构局部的经济性,因此有必要对结构嵌固端的选取作进一步探讨,并由此引伸出若干相关的技术问题。
2.结构嵌固端的条件
高层高层建筑的结构嵌固端通常是选择在地面标高处,但地面标高处要真正成为结构嵌固端是有条件的,而且在输入首层计算高度时还有许多讲究。
2.1设有地下室时的条件
(1)地下室顶板标高与室外地坪的高差不能太大,极端的情况如半地下室则首层楼面一般不能成为结构嵌固端,除非其高差仅为1—3级台阶高度时才可能考虑;
(2)地下室顶板结构应为梁板体系(即不可设计成元梁楼盖),且该层楼面不得留有大孔洞,楼面框架梁的抗弯刚度要足够大,楼板也要有相当厚度;
(3)地下室侧壁要有良好的侧限,即必须与“地球”有良好的接壤,上述半地下室顶板不能成为结构嵌固端的原因就是不满足此条件。
对于上述条件中对首层楼面框架梁的要求,假设满足《抗震规范》第6.1.14条“位于地下室的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际受弯承载力之和”的要求,对于高层建筑来说,由于首层处的柱截面往往远大于框架梁截面,故即使有意增大框架梁截面并增加抗弯钢筋用量,上述要求仍很难满足。就此要求而言,则只有多层或小高层建筑才有可能以首层顶板作为结构的嵌固端,而真正意义的高层建筑则完全排除了这种可能性。
2.2不设地下室时的条件
高层建筑不设地下室通常是针对层数有限的小高层,或其基础持力层较浅的情况,但从抗震角度考虑是不宜提倡的。
(1)不管是采用天然地基基础或桩基础,都是以基础(承台)面作为结构嵌固端,且必须在该标高处的纵横方向设置刚度较大的基础梁加以连结,故首层层高应从基础面算起;
(2)若基础(承台)面标高与首层标高有一定距离而不设基础梁连结或其刚度过小,则地面标高处应设有刚性地面来作为结构嵌固端,首层层高可从地面层算起。若不设刚性地面,则上部结构无从形成嵌固端,也即结构计算简图不成立,设计上显然是不允许的。
以上列举的条件无非是说明要成为上部结构的嵌固端,其下部结构必须具有足够的刚度以保证柱根之间不产生相对位移,且能承受或平衡柱根弯矩。规范中规定“当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的二倍”正是基于这一考虑。
3与嵌固端相关的技术问题
结构嵌固端的形成或者说上部结构对嵌固端的要求,在工程设计中还可引伸出若干相关的技术问题及其正确的设计方法,以下将分别探讨。
(1)单层地下室
当高层建筑仅设单层地下室且底板采用天然地基筏板基础或桩一筏基础时,通常选择基础底板而非首层作为结构嵌固端,这有利于充分利用其基础的“无限”刚度,为首层楼面的灵活结构选型创造条件,即使是首层楼面留有大孔洞,或选用无梁楼盖结构,都不影响结构计算的准确性。此外,规范规定地下室负一层的抗震等级与上部结构必须一致,以基础底板作为嵌固端不会造成地下室结构造价的提高,反而可能取得较好的经济效益。即使单层地下室底板是以桩为基础的普通梁板结构,一般情况下仍然取底板处为结构嵌固端,唯一例外的是地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时,其顶板通常具有作为结构嵌固端的刚度,因此可取其作为上部结构的嵌固端。
(2)投影面积比例
高层塔楼在地下室顶板上的投影面积比例大小对首层作为嵌固端的结构有着不同的影响。当该比例*1时,若首层楼面符合作为嵌固端的其它条件,则该首层作为结构嵌固端就毫无疑问了,但当上述投影面积比例<<1时,说明地下室侧限远离塔楼,塔楼发生的侧向位移将波及首层楼面并使其发生变形,即使变形量很小,但严格说来首层作为嵌固端的刚度必然小于前一种情况,且变形又增大了上部结构侧移的计算值,同时首层骨架构件也会由于自身的变形而产生附加内力。作为有经验的结构工程师,在实际设计中都会根据工程实际情况予以鉴别并作出相应的结构处理。
(3)大底盘多塔楼
大底盘多塔楼大多为商住楼,而且由于商用及居住性质不同,对柱网的要求也不同,故通常需设置结构转换层。当大底盘的商用部分层数不多(如仅1—2层),且结构转换层设于大底盘的屋顶标高处时,塔楼的嵌固端就可考虑取在大底盘的屋顶处,至少在塔楼初算时可以如此假定,如图3所示。这一考虑基于以下两点:①既然属大底盘,其楼层面积肯定大于塔楼的投影面积,加上大底盘屋顶设置转换层,故大底盘的楼层平面刚度远大于塔楼的楼层刚度;②转换层之上通常为剪力墙、部分短肢剪力墙或异形柱一短肢剪力墙结构,为使转换层上下部的侧向刚度相近,大底盘部分肯定要将原位剪力墙增厚或增加新的剪力墙,从而使塔楼下的大底盘部分具有足够的侧向刚度。目前高层建筑结构计算软件的功能已较为完善,因此大底盘多塔楼建筑均以整体结构进行计算,其嵌固端也不像结构初算阶段选择在大底盘屋顶标高处。
(4)高层建筑的基础埋深
在研究探讨高层建筑的结构嵌固端时,必然牵涉到其基础埋深问题,高层建筑基础要具有一定的埋置深度,首先是为了保证结构的整体稳定(包括抗滑),其次有利于减弱地震反应。规范对高层建筑的基础埋深有一量化规定,即“天然地基或复合地基基础,可取阶15,桩基础可取阶18”,但这一规定仅与建筑物的总高月有关,而与其它因素无关。
但我们在认真思考后发现基础埋深除了与建筑物总高月有关外,还应与控制高层建筑体型重要指标的高宽比风心有关。如两栋建筑物的高度量相同,但其高宽比阶B分别为5,0和2,5,显然风/B值较小者整体稳定性更高,若采用相同的基础形式,则阶B值较大者其基础埋深应更大。换言之,基础埋深对月/B较大者应偏于严格,而对月/B较小者则可略为放松,不宜作相同处理甚至反其道而行之,否则就违背了基础需一定埋深的原则。除了高宽比风/6外,基础埋深还应与高层建筑的裙房底座宽度、地下室底盘宽度等因素有关,对地下室面积仅为塔楼投影面积者应偏于严格,相反对没有裙房或地下室面积大于塔楼投影面积者则可略为放松。
(5)首层楼面的活载作为结构嵌固端的首层楼面(地下室顶板),其正常使用时的活载一般不太大,即使作为商业用途,其活载也仅为3.5kN/m2,但设计中要考虑施工过程中可能产生的施工荷载,对于首层梁板构件取活载8.0—10.0kN/m2则往往是必要的。
当高层建筑主体结构建至2层楼面时,首层地面自然而然就成为理想的施工场所,或用于堆放材料(袋装水泥、砌块、搭架钢脚手架等),或用于钢筋加工,甚至作为载重汽车的行驶停放场等,即使是临时荷载,其楼面活载也就有必要取较高值(该活载值仅作用于该层梁板,并不需传给竖向构件的墙柱)。
此外,该层楼板配置通长面筋,不仅是出于增大刚度的考虑,而且是抵抗混凝土收缩和温度应力的需要,特别是由于开发商的原因可能导致地下室顶板完成后要一段时间(从几个月到几年不等),为了防止或减少由于暴晒或暴露时间过长而产生的裂缝,配置足够的楼板面筋尤为必要。首层楼面考虑较大的施工荷载,其梁板截面就需较大,有利于满足首层楼面作为结构嵌固端刚度要较大的要求。
关键词:农网网架结构优化
1农网高压配电网结构特点
相对于城区电网来说,农网的拓扑结构要简单、清晰,但由于负荷对电能可靠性要求等其他原因,一般都会有小型发电厂,且通常均为小容量机组,即系统除了通过若干220kV、110kV变电所接受区域大电网电力以外,往往包括多个110kV及以下并网发电的若干电源点,从而使得电网不是单纯的放射型单方向模型,需要通过建立数学模型来确立电源点的建设和系统接线方式。
2农网网架结构优化方法的选择
2.1网架结构优化的一般方法
负荷预测是电力系统规划工作的基础,在负荷预测的基础上一般应结合区域规划进行负荷分布分析,进而确定负荷平衡结果,即确定变电所的分布和容量规划,在负荷预测和变电所布点确定的基础上进行网络优化规划。一般来说,网络规划的目标是满足系统有功负荷的最优网架设计,有静态规划和动态规划之分。静态规划考虑的是针对某一负荷水平进行网架规划,一般从基准年开始按年度进行,需考虑现有的网架,同时后一年的网架结构规划需将前一年的网架设定为已有网架,因此,每规划目标年的网架规划既要瞻前也要顾后,做到从时间序列上的前后协调相互呼应,从而节约建设投资。但规划设计方案的评价指标一般考虑整个规划期的总的性能指标最优来评价方案,而且往往加入投资分析,甚至列入资金的时间价值,因而称为动态规划。网架规划优化方法常用的有两类,即启发式方法和数学优化方法。数学最优方法是通过将电网规划问题用数学化模型进行描述,然后采用一定的算法求解,从而获得满足系统要求的最优规划方案。该类方法从理论上将可以保障方案的最优性,但一般要求得最优解需要很大的计算量。启发式方法则是通过定义方案运行性能以及投资需求等综合指标,根据一定规则对线路进行逐步迭代选择直至得到满意的最优解。该类方法难以保证方法的最优性,但计算量较数学优化方法要小,计算较为方便且便于与规划设计人员的检验相结合,因而是一种更为经济而实用的方法。
2.1.1启发式网架优化方法
根据所确定的衡量安全性指标的不同,启发式方法分为基于支路性能的启发式方法和基于系统性能指标的启发式方法。基于支路性能指标的启发式分析方法中,线路的选择是根据系统运行时线路功率传输情况来实现的,常选用的有线路是否能满足负荷要求或者线路过负荷程度等指标;而基于系统性能指标的启发式方法中,线路的选择是根据线路对系统运行时整个系统的一个特定运行性能指标的影响程度来实现的,常选用的指标有系统缺负荷大小指标等对线路的逐步选择。
基于线路指标的启发式网架规划方法分为逐步倒退法和逐步扩展法两种。逐步倒退法是根据目标年数据构成一个虚拟网络,该网络除了已有线路以外,包括所有待选的线路,这样,构成的就是一个冗余度很高但不经济的网络,然后采用潮流模型对该网络进行分析,比较各待选线路在系统中的作用和有效性,逐步去掉有效性低的线路,直到网络没有冗余线路为止。而采用逐步扩展法是根据各待选线路对过负荷线路的过负荷量的消除的有效度,选择适当的线路到现状网络上,直至网络无过负荷为止。为计算各待选线路的有效度,需要进行变结构时的潮流计算。
基于支路性能指标的启发式方法有计算简单灵活等优点,但由于通常是独立地考虑各待选线路的作用,无法直接体现系统充裕的大小等性能指标,而基于系统性能指标的启发式方法则能体现系统性能指标,从而可以从整体上识别薄弱环节并充分考虑各待选线路对系统的整体影响来选择最佳扩建线路。
2.1.2网架结构的数学优化方法
网络优化的数学化方法可以分为确定性和不确定性两种优化方法。传统上采用的常常是确定的网络优化方法,即将规划问题表达成确定性的优化问题来进行求解。但随着规划的环境以及相关要求日益复杂,且负荷、设备费用、线路路径等因素均具有不确定性,这些不确定性对电网规划有较为显著的影响,因而在规划中考虑不确定性因素是必要的。按照考虑不确定性因素特征的不同,不确定网络优化有分为随机优化法和模糊优化法。随机优化法常常用于事件是否发生以及发生的时刻存在不确定性的情形,而模糊优化法则常常用来处理有关事情表达不清晰的这种不确定性的情况。在通常情况下,在满足对保障负荷电能供应的前提下,可能有多种架线方法和导线截面的选择,要对多个方案进行比较选择,则需要选择目标函数,在电网规划设计中常用到的目标函数有网架建设总投资、电能损失、维修运行费用为目标函数。由于电能的特殊性,需要考虑各种约束条件,如电压范围、线路的长期极限传输容量限制等。因此,网架优化过程实际上是目标函数与约束条件、状态参数之间的协调处理过程。
网络规划法是针对网络的拓扑特性所提出来的一种数学规划方法,也是在线形规划中专门处理网络问题的一种特殊算法。数学上把图看作节点和弧的集合,弧是连接在两个节点之间的有向线段。在电力系统中,节点就是接受电力或者发送功率的发电厂、变电所或者负荷点,弧就是线路。这种优化网架方法在电力系统网络优化中常用的数学模型有最少费用法、最短路径法、费用最小最大流法等方法。
2.2农网网架结构优化方法的选择
结合农网高压配电网结构特点,选用支路交换法来进行这种辐射式结构的高压配电网的优化计算较为适用。采用该方法是从一个既定的辐射式电网开始,增加一条闭合联络支路后使辐射型网络变成一个闭合回路,然后将某一条支路断开,恢复网络的辐射型结构,并按照给定的目标函数对新构成的辐射型网络进行计算。重复上述计算过程,直到目标函数值最好为止,对应的网络即为所选用网络接线。采用这种方法简单实用,但只能达到局部最优解,对于农网来说,一般规划年需要新建的高压(110kV及以上)线路是局部的,因而采用支路交换法可以满足其要求。一般地对于既定的系统接线,考虑到节约投资,其改建项目的实施相对于系统网损等指标来说往往是不经济的,且由于受电压、可靠性等电网分析计算的约束性条件的影响。在工程实际中,其高压配电网往往是通过对新增支路,以及由于负荷的增长需要改建的线路的多个建设方案的比较,来确定规划年内网络结构的优化方案。在分析中,我认为需引入动态经济比较的概念,而对于网络优化设计方案来说,结合个人设计方案比较的经验来看,最适用的经济方案比较以年费用比较法较为适合。
3计算框图设计
计算步骤一:目标函数的确定。
当新建或者改建线路对支路潮流仅是局部影响时,只需对所需考察的支路进行网损最小分析。采用最小网损作为目标函数,即函数为:
计算步骤二:先计算电网的潮流分布,再找出与本次计算相关的支路,即列出目标支路集合,交换支路前辐射型网络网损计算。
计算步骤三:第一次支路交换后,重新进行潮流计算后,在潮流计算结果的基础上进行支路交换后的辐射型网络网损计算。
重复以上支路交换计算,直至得出最优结论为止。
4经济比较方法引入网架结构优化
在电力系统规划设计的实际应用中,单纯采用以上支路交换法优化网络接线是不够的,应该结合经济比较,即在对方案进行投资分析计算的基础上进行比较,从而得出经济的方案。常用的方案比较方法有最小费用法、净现值法、内部收益率法、折返年限法,每种方法又可以演化成不同的表达式。最小费用法是电力系统规划中较为普遍的方法,适用于比较效益相同或者效益基本相同,但难以具体估算的方案。最小费用法通常有以下三种不同的方案:费用现值比较法、计算期不同的现值费用比较法和年费用比较法。费用现值比较法是将各个方案基本建设期和生产运行期的全部支出费用均折算到计算期的第一年,现值低的方案是可取方案。对于不同建设期的方案则一般按照方案中计算期最短的进行计算,及计算期不同的现值费用比较法。
年费用比较法是将参加比较的诸方案计算期的全部支出折算成年费用后进行比较,费用低的方案为经济上的优越方案。其表达式为:
在比较方案部分费用相同的情况下,可以采用只考虑有差别的费用的年费用比较法,即只考虑差别部分的费用的比较,这种方法将初始投资差额以及末期残值差额折合为年费用或者年值,再综合运行维护、改造等运行年需要投入的差别费用,比较即可以得出经济最优方案。对于农网电力建设项目,笔者推荐使用这种简化了的年费用比较法。
5总结
结合农网作为辐射型受端电网的特点,用支路交换法来进行这种辐射式结构的高压配电网的优化计算,虽只能达到局部最优解。对于农网来说,一般规划年需要新建的高压线路是局部的,因而采用支路交换法可以满足其要求。在工程实际中,其高压配电网往往是通过对新增支路,以及由于负荷的增长需要改建的线路的多个建设方案的比较,来确定规划年内网络结构的优化方案。在分析中,文中引入了动态经济比较,并提出对于农网采用有差别的年费用比较法最为适用。
参考文献:
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保险投资是保险业发展的重要基础,随着我国金融市场的不断完善,保险投资将得到快速的发展。这就需要建立一个有效的保险投资机制,以降低投资风险,提高资金的投资收益。本文中提出了保险投资的组织结构和风险控制机制。
一、保险投资客观上需要建立有效投资机制
所谓保险投资机制是指保险投资活动的运行机制和管理制度的总称,包括保险投资的内部组织结构、投资决策原则、风险控制方式等。保险投资机制建立的目的在于提高保险投资的收益,降低投资风险。
保险公司的承保业务与投资业务是现代保险业的两个重要特征,其中保险投资业务已经成为现代保险公司生存和发展的重要手段。一方面,保险投资业务的发展,将扩大保险公司的盈利,增加保险公司偿付能力和经营的稳定性。同时,保险公司收入的增加,将使保险公司有能力降低保险费率,减轻被保险人的负担,提高保险公司的竞争能力。我国保险业如果没有投资收益作为基础,加入WTO后,在承保业务上是很难与国外保险公司进行价格(费率)竞争的。另一方面,保险投资业务的发展和获利可以弥补业务上亏损,维持保险公司的生存和发展。如1987年英国两大保险公司保险业务亏损分别为0.64亿英镑和1.08亿英镑,而投资利润为2.04亿英镑和2.49亿英镑,盈亏相抵后,还有不小的综合盈利。从近期国际保险业的发展特点来看,保险公司的主要收益已经从传统的承保收益逐步转移为投资收益,如美国的产险业务自1978年以来连续21年出现承保亏损,主要收益来自于投资收益。
我国保险投资的资金使用率低、投资工具少,使保险投资的收益水平非常低,这限制了我国保险业的发展和竞争能力的提高。为了推进我国保险业的发展,我国政府和有关部门正致力于保险投资环境的改善,丰富和发展保险投资工具,降低保险投资的限制。从近几年来看,保险投资的建设步伐大大加快,1998年保险资金进入同业拆借市场,1999年10月同盛基金向保险公司实行走向配售,标志着我国的资本市场向保险公司开放。现在,有的保险公司允许购买基金的比例已从总资产的5%上升到15%。而投资连结保险可以100%进入资本市场购买投资基金。可以预见,随着经济环境的改变,资本市场将会不断向保险公司开放,我国的保险投资将得到较大的发展。
由于保险经营是一种负债经营,因而保险资金的运用除了考虑投资的收益外,还必须保证投资的安全性。因此,市场的开放,投资工具的增加和投资规模的不断扩大,客观上需要保险公司进一步加强投资机制的建设,提高化解风险的能力,保证保险资金实现安全性和投资收益的协调。
二、保险投资模式和组织结构分类
保险投资模式与保险投资组织结构是紧密联系的,也就是说,一定的保险投资模式必须建立与之相适应的投资组织结构。保险投资的模式主要有三种:集权投资模式、分散投资模式、分权投资模式。
1.集权投资模式。集权投资模式是与投资决策高度集中相对应的,即统一决策,集中交易。这种投资模式的特点在于投资主体单一,决策机制简单迅速,易于统一管理。但投资决策权的过度集中,使得决策风险增大。
集权投资模式适用于投资品种较少,投资规模不大的市场。但当投资品种较多,资金规模大时,这种模式就不可能进行协同配合、规模投资。
与集权投资模式相对应的组织结构是“直线式”的简单组织结构。我国现阶段保险投资一般都是采取这种组织结构。
2.分散投资模式。分散投资模式是集权投资模式相对立的一种模式,投资的决策权完全由各个职能部门负责行使,即各个职能部门根据市场的情况自行决定投资工具和投资数量。这种模式的优点在于能避免决策权过度集中所带来的决策风险。但是,过度分散的决策和投资增加了管理上的难度。与这种模式相对应的组织结构是扁平式的结构框架。
3.分权投资模式。这是一种介于集权投资模式和分散投资模式之间的一种投资方式。日常性的投资决策由各个职能部门行使。资金管理的总部负责在各个职能部门之间的协调管理,并仅对在一些重大项目进行投资决策。这种模式的投资主体是多元化的,即形成了总部与职能部门两个层次的投资决策主体。与这种模式对应的组织结构为事业部或超事业部制的组织结构。
三、我国保险投资模式的选择
投资模式的选择要综合考虑当前的状况和未来发展速度,采取适当超前的投资模式。从我国的实际情况来看,分权投资模式应是一种重要选择。主要是基于以下原因:
首先,我国保险业的发展决定了保险投资资金规模将会不断扩大。从我国保险的深度和密度来看,1998年我国保险深度为1.4%,密度为100元。而同期有的发达国家的保险深度为10%,密度超过5000美元。发展中国家如印度的保险深度为5%,密度为100美元。可见,我国保险业仍处于起步发展阶段。随着我国经济的快速发展,保险经济的不断壮大,我国保险业将会得到很大的发展,可以利用的资金将会越来越多。
其次,金融市场逐步完善,投资工具不断增加。我国证券市场、外汇市场、房地产市场正不断发展,如国债规模1997年为1898亿元,1998年为2993亿元,1999年为3817亿元,平均增长速度为43%。我国的证券投资基金虽说只有36只,但在国家政策的引导下,开放式基金即将推出,定向募集资金也有可能成为保险投资的又一选择。这些都为保险投资提供了多层次的投资工具。同时各种法律、法规不断完善,投资结构逐步趋于合理,使保险投资的外部环境得到不断改善。
另外,对保险投资的限制不断减少。WTO的加入,我国金融市场的建设速度大大加快,为保险投资的大规模进入提供了良好的条件。同时,也促进了我国保险投资模式尽快与国际运作模式的接轨。
因此,保险投资规模的扩大,投资工具的多样化客观上对保险投资的决策方式、专业分工上提出了更高的要求。但分散决策和专业分工必须建立在统一管理、相互协调的基础上。因而,采取分权投资模式是比较合理的选择。
四、对基金投资组织结构的的划分
事业制是保险投资的基本结构,事业部的划分主要是根据业务的特点来进行。如国债、外汇、实业投资等。由于保险资金进入资本市场较晚,对基金投资业务的划分上,国内保险公司存在一定的差异。现有的划分方式主要有两种,一种是集权投资模式,即成立专门的基金投资部门,负责统一对基金进行投资。在基金数量不断增加的情况下,这种模式最大的问题在于难以对基金进行深入的分析。另一种是分散投资模式,在基金投资部门设立多个小组,一般是36个投资小组,每组负责对一个基金进行投资。这种模式对基金虽能进行较深入的把握,但人员需要较多,而且划分过细还会增加管理和协调上的难度。为了避免这两种模式的缺点,可以根据基金的投资特征进行设计。
1.以基金管理公司来划分
我国的基金管理公司有10家,因此,可以划分为10个小组,每个小组负责对基金管理公司旗下的基金进行投资。这种划分方式有利于对基金管理公司的管理水平、经营思路、投资特点进行跟踪分析。
2.以基金的投资风格进行划分
按基金的投资风格进行划分,可以划分为6类。即积极成长型、稳健成长型、中小企业成长型、资产重组型、优化指数型、科技型。按基金投资风格进行划分,有利于投资风险把握,如中小企业成长型基金的风险相对就高,而稳健成长型基金的风险就相对较低。因此,可以根据基金的不同风险进行资金的分配。在市场热点切换较快时,也可根据市场上不同板块的热点变化,及时地选择相对应的基金进行投资。五、保险投资的风险控制
风险控制是现代金融企业管理的重要内容,保险投资的风险控制主要体现在事前风险控制、事中风险控制、事后风险控制。
1.事前风险控制就是避免事故或损失的发生,这种风险控制的主要内容一般有:建立防范风险的机制;建立风险预警机制。
(1)建立防范风险事故发生的机制主要包括:一是组织控制。就是要加强部门之间的合作与制衡。美国的组织控制一般设有:投资决策部门、交易执行部门、结算部门、风险控制委员会、内部审计部门、监察稽核部门。我国的保险投资要在决策部门、交易部门、清算部门相互分离相互制约的基础上,逐步建立和完善风险控制、监察稽核部门。同时,逐步建立分散决策、统一交易的投资体制。二是操作控制。包括投资限额控制、操作标准化控制、业分隔离控制。三是报告制度。临时或定期向风险控制部门及上级部门报告。四是违规行为的监察和控制。包括设立基金投资限制表、员工行为的监察等。五是建立投资的内部会计控制。这是保证交易正确记录、会计信息真实、完全、及时的系统与制度,主要是为了避免人为篡改或大意疏漏造成的记帐不实或定价不合理而导致的会计信息不准确。
(2)风险的预警机制是发达资本市场上广泛使用的一种定量分析方法,主要有VAR方法、SA方法等。我国由于资本市场还不完善,难以进行相应的价值判断,因此,进行定量分析存在一定的难度。但建立定量分析模型,这是保险投资的重要分析基础。
这类结构在水利工程设计中是难于避免的,有时,它在某些水工混凝土工程结构中处于制约设计的重要地位。从逻辑概念讲,只要允许素混凝土结构的存在,必定会有少筋混凝土结构的应用范围,因为它毕竟是素混凝土和适筋混凝土结构之间的中介产物。
凡经常或周期性地受环境水作用的水工建筑物所用的混凝土称水工混凝土,水工混凝土多数为大体积混凝土,水工混凝土对强度要求则往往不是很高。在一般水工建筑物中,如闸墩、闸底板、水电站厂房的挡水墙、尾水管、船坞闸室等,在外力作用下,一方面要满足抗滑、抗倾覆的稳定性要求,结构应有足够的自重;另一方面,还应满足强度、抗渗、抗冻等要求,不允许出现裂缝,因此结构的尺寸比较大。若按钢筋混凝土结构设计,常需配置较多的钢筋而造成浪费,若按素混凝土结构设计,则又因计算所需截面较大,需使用大量的混凝土。
对于这类结构,如在混凝土中配置少量钢筋,在满足稳定性的要求下,考虑此少量钢筋对结构强度安全方面所起的作用,就能减少混凝土用量,从而达到经济和安全的要求。因此,在大体积的水工建筑物中,采用少筋混凝土结构,有其特殊意义。
关于少筋混凝土结构的设计思想和原则,我国《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191—96)作了明确的规定。
二、规范对少筋混凝土结构的设计规定
对少筋混凝土结构的设计规定体现在最小配筋率规定上,这里将《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191—96)(下文简称规范)有关最小配筋率的规定,摘录并阐述如下:
1.一般构件的纵向钢筋最小配筋率
一般钢筋混凝土构件的纵向受力钢筋的配筋率不应小于规范表9.5.1规定的数值。温度、收缩等因素对结构产生的影响较大时,最小配筋率应适当增大。
2.大尺寸底板和墩墙的纵向钢筋最小配筋率
截面尺寸较大的底板和墩墙一类结构,其最小配筋率可由钢筋混凝土构件纵向受力钢筋基本最小配筋率所列的基本最小配筋率乘以截面极限内力值与截面极限承载力之比得出。即
1)对底板(受弯构件)或墩墙(大偏心受压构件)的受拉钢筋As的最小配筋率可取为:
ρmin=ρ0min()
也可按下列近似公式计算:
底板ρmin=(规范9.5.2-1)
墩墙ρmin=(规范9.5.2-2)
此时,底板与墩墙的受压钢筋可不受最小配筋率限制,但应配置适量的构造钢筋。
2)对墩墙(轴心受压或小偏心受压构件)的受压钢筋As’的最小配筋率可取为:
ρ'min=ρ′0min()
按上式计算最小配筋率时,由于截面实际配筋量未知,其截面实际的极限承载力Nu不能直接求出,需先假定一配筋量经2—3次试算得出。
上列诸式中M、N——截面弯矩设计值、轴力设计值;
e0——轴向力至截面重心的距离,eo=M/N;
Mu、Nu——截面实际能承受的极限受弯承载力、极限受压承载力;
b、ho——截面宽度及有效高度;
fy——钢筋受拉强度设计值;
γd——钢筋混凝土结构的结构系数,按规范表4.2.1取值。
采用本条计算方法,随尺寸增大时,用钢量仍保持在同一水平上。
3.特大截面的最小配筋用量
对于截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置等条件确定的厚度大于5m的结构构件,规范规定:如经论证,其纵向受拉钢筋可不受最小配筋率的限制,钢筋截面面积按承载力计算确定,但每米宽度内的钢筋截面面积不得小于2500mm2。
规范对最小配筋率作了三个层次的规定,即对一般尺寸的梁、柱构件必须遵循规范表9.5.1的规定;对于截面厚度较大的板、墙类结构,则可按规范9.5.2计算最小配筋率;对于截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置等条件确定的厚度大于5m的结构构件则可按规范9.5.3处理。设计时可根据具体情况分别对待。
为慎重计,目前仅建议对卧置于地基上的底板和墩墙可采用变化的最小配筋率,对于其他结构,则仍建议采用规范表9.5.1所列的基本最小配筋率计算,以避免因配筋过少,万一发生裂缝就无法抑制的情况。
经验算,按所建议的变化的最小配筋率配筋,其最大裂缝宽度基本上在容许范围内。对于处于恶劣环境的结构,为控制裂缝不过宽,宜将本规范表9.5.1所列受拉钢筋最小配筋率提高0.05%。大体积构件的受压钢筋按计算不需配筋时,则可仅配构造钢筋。
三、规范的应用举例
例1一水闸底板,板厚1.5m,采用C20级混凝土和Ⅱ级钢筋,每米板宽承受弯矩设计值M=220kN/m(已包含γ0、φ系数在内),试配置受拉钢筋As。
解:1)取1m板宽,按受弯构件承载力公式计算受拉钢筋截面面积As。
αs===0.012556
ξ=1-=1-=0.0126
As===591mm2
计算配筋率ρ===0.041%
2)如按一般梁、柱构件考虑,则必须满足ρ≥ρmin条件,查规范表9.5.1,得ρ0min=0.15%,
则As=ρ0bh0=0.15%×1000×1450=2175mm2
3)现因底板为大尺寸厚板,可按规范9.5.2计算ρmin
ρmin===0.0779%
As=ρminbh0=0.0779%×1000×1450=1130mm2
实际选配每米5Φ18(As=1272mm2)
讨论:1)对大截面尺寸构件,采用规范9.5.2计算的可变的ρmin比采用规范表9.5.1所列的固定的ρ0min可节省大量钢筋,本例为1:1130/2175=1:0.52。
2)若将此水闸底板的板厚h增大为2.5m,按规范9.5.2计算的ρmin变为:
ρmin===0.0461%
则As=ρminbh0=0.0461%×1000×2450=1130mm2
可见,采用规范9.5.2计算最小配筋率时,当承受的内力不变,则不论板厚再增大多少,配筋面积As将保持不变。
例2一轴心受压柱,承受轴向压力设计值N=9000kN;采用C20级混凝土和I级钢筋;柱计算高度l0=7m;试分别求柱截面尺寸为b×h=1.0m×1.0m及2.0m×2.0m时的受压钢筋面积。
解:1)b×h=1.0m×1.0m时,轴心受压柱承载力公式为:
N≤φ(fcA+fy′As′)
==7<8,属于短柱,稳定系数φ=1.0,
As′===3809mm2
ρ′===0.38%
由规范表9.5.1查得ρ0min′=0.4%,对一般构件,应按ρ0min′配筋
As′=ρ0min′A=0.4%×106=4000mm2
2)b×h=2.0m×2.0m时,若仍按一般构件配筋,则
As′=0.4%×2.0×2.0×106=16000mm2
现因构件尺寸已较大,可按规范9.5.3计算最小配筋率:
ρmin′=ρ0min′()
式中因实际配筋量As′尚不知,故需先假定As′计算Nu。
①假定As′=4000mm2。
Nu=fy′As′+fyAs
=210×4000+10×4.0×106=40.84×106N
ρmin′=ρ0min′()
=0.4%()=0.106%
As′=ρ0min′A=0.106%×4.0×106=4231mm2
②假定As′=4231mm2。
Nu=210×4231+10×4.0×106=40.89×106N
ρmin′=0.4%()=0.1056%
关键字:倍周期分岔;周期;混沌
中图分类号:TP301
一、前言
随着非线性科学理论研究和应用的不断发展,混沌理论正日益受到关注。前不久美国上映的新影片“蝴蝶效应”曾创北美票房纪录。影片的片头语称:“北非的蝴蝶扇一扇翅膀有可能使得半个世界以外的地方刮起台风。”(AbutterflyflappingitswingsinNorthAfricacancauseatyphoonhalfaworldaway.)。这段话是科学家对混沌特性的描述语言,即“蝴蝶效应”应属于混沌学(Chaos)。它反映了因果关系,意思是小小的扰动(原因变化)可能引起完全不同的结果。当然电影要谈的并不是混沌学,但它在一定程度上为混沌的普及起到一定的推波助澜的作用,使混沌从最初的科学家谈论的名词进入到社会的方方面面,为更多的人所认识。
现代的科学意义上的混沌是个难以精确定义的概念,不同领域的科学家往往对其有不同的理解,至今对混沌概念还没有公认的严格的定义。李-约克的定义是用三个方面的本质特征来对混沌进行刻画的,即“有界”、“非周期”和“敏感初条件”[1],而在有限性制约下的物理混沌仍具有这三个本质特征。所以,我们认为可以这样来界定混沌概念,“混沌是确定性非线性系统的有界的敏感初条件的非周期行为”,只要能确定系统处于混沌状态,那么行为(或状态)主体就是确定性的非线性系统,而且它一定具有“有界”、“敏感初条件”和“非周期”三个本质特征;反之,任何一个确定性的非线性系统,只要它表现出“有界”、“非周期”和“敏感初条件”的特征,那么就可以认为该系统处于混沌状态。
归纳起来,它具有如下的特征[2]:混沌具有内在的随机性;混沌具有分形的性质;混沌具有标度不变性,是一种无周期的有序;混沌现象还具有对初始条件的敏感依赖性。
目前,公认的通向混沌的主要道路有三条[3]:倍周期分岔,阵发混沌和准周期进入混沌。与之对应的是非线性方程中三种不同类型的分岔——倍周期分岔、切分岔和霍普夫分岔。本文对其中的倍周期分岔道路进行分析与研究,重点是从微观的角度在更深入的层面上揭示混沌图像的深层细节,以填补传统的混沌图像生成方法中看不到图形内部结构的空白。
二、倍周期分岔过程
系统运动变化的周期行为是一种有序状态,它在一定的条件下,系统经倍周期分岔,就会逐步丧失周期行为而进入混沌。这种周期加倍增加,最后进入混沌的过程称为倍周期分岔,它是通向混沌的主要道路之一。
下面以逻辑斯蒂模型[4]
为例来说明倍周期分岔,其中1<<4是人们感兴趣的参数的取值范围。一个看似简单的系统,随着参量的不同会表现出截然不同的行为周期区。
当0<<1时,在线段[0,1]内任选一个初值,迭代过程迅速趋向一个不动点
O(),下面不在发生变化。当时,从初值出发的迭代过程总是离开不稳定的不动点O趋进稳定的不动点A。即系统仍将有一个稳定的迭代结果。
当3<<=1+=时,O点仍是不稳定的。而A点由稳定变为不稳定。于是系统出现两个稳定的迭代结果和,这叫周期2解。=3是系统变化的第一个分岔点。当3.449<<3.545=时,周期2的两个值又不稳定,各自产生一对新的不动点,此时在四个值上跳动,这叫周期4解,=3.545是系统变化的第二个分岔点。依次类推,系统经过一系列分岔点,,等,直到=3.569945672,最后丧失周期行为,使系统进入混沌。由此可见,混沌否定有序的过程,是系统经过一系列分岔最后完成的。
系统进入了混沌状态(如图1所示)此时系统的状态不再具有规律性,而是发生随机的波动,使图1右侧的大部分区域被涂黑了,仔细观察发现,混沌区域并非一片涂斑,而是有粗粗细细的白色“竖线”,称为周期窗口,随着参量μ的增大(如)时,混沌突然消失,系统出现周期三的稳定状态,接着倍周期分岔以更快的速度进行,再次进入混沌状态。如果将周期窗口放大,发现其结构与分岔图的整体结构具有相似性,而且是一种无限嵌套的自相似结构。Fig.1Logisticbifurcationmap
可以看出,通过改变系统参量,使系统进入混沌的第一种模式是倍周期分岔,即由不动点周期二周期四…无限倍周期进入混沌状态。当然通向混沌的道路不只于此,第二种通向的道路是:从平衡态到周期运动,再到拟周期运动,直到进入混沌状态。第三种通向混沌的方式是阵发(或间歇)道路,即系统在近似周期运动的过程中,通过改变参量,系统会出现阵发性混沌过程,随着参量的调整,阵发性混沌越来越频繁,近似的周期运动越来越少,最后进入混沌。
三、图形展示分岔过程
对一维逻辑斯蒂映射的计算表明,随着参数的增长,一维逻辑斯蒂映射发生一系列的倍周期分岔,但倍周期分岔在一临界点时终止,此后,每次迭代得到的值是随机地出现的,说明系统已从周期运动进入到了非周期运动,或称混沌运动。
其参数在(0,)区间内为周期区。其内有一个正的周期分岔序列(如图2至图6)。从周期到,各分岔点之间的间隔比有一极限
计算间距比由此得到表1中的结果。
其参数在区间(,4)中为混沌区。其内有一个反的周期的混沌带序列。混沌带并非乱成一片,其实混沌区中也有不少的周期窗口。窗口区内还有混沌,窗口的混沌区内还有窗口。这种结构将无穷地重复,往往有无穷多的层次,而且每一层次都有上一个层次的重复,这是一种自相似的结构。
在混沌区内,从参数最大的开始,=4时,迭代后其的数值充满整个[0,1]区间,从0到1称为“单片”混沌。当从4逐渐减小时,开始混沌仍然是单片的,只是的数值分布的范围略小于从0到1之间的整个区间(如图7)。但当减小到小于时,由单片混沌变为两片混沌,即数值分布在两个区间内,且每次迭代时的数值从其中一个区间跳到另一个区间(如图8)。当值再减少到时,则两片混沌又分为四片混沌(如图9)。随着的继续减小,将依次继续发生4分为8,8分为16等等。这种倒分岔过程一直进行到为止。其分岔过程和间距比值如表2.2所示。
这里应指出,由于在参数区间存在一个周期的正周期分岔序列,而在区间存在一个反的周期为的混沌带序列,因此它们从两边收敛到同一个参数处。
虽然混沌系统具有复杂性和不可预测性,但期间也蕴涵着某种规律性[5],(一)混沌系统中普遍存在奇怪吸引子,无论系统的动态特性多么复杂以及初始状态如何不同,系统的状态最终会回到吸引子区;(二)系统状态的终态集具有精巧的几何结构,奇怪吸引子具有无限嵌套的自相似性;(三)在通往混沌的道路上,倍周期分岔点的收敛速率是一普适常数。上面讨论的logistic映射,费根鲍姆常数[6],而费根包姆普适常数又是一切倍周期分岔所共有的,它反映了倍周期分岔通向混沌的规律性。
四、研究意义
了解如何通向混沌是很有意义的。有时候我们需要人为地制造混沌,如保密通讯,但一些时候,我们又不允许系统出现混沌,这都要求我们对通向混沌的道路了如指掌。我们了解到,混沌学已经融入了整个科学体系中。从历史发展的角度看[7],在横向上,它将各个学科连接起来,抹平了由于社会分工而造成的行业鸿沟,使混沌理论具有更广泛的适用性;纵向上,它不仅进一步运用数学工具,开展深一层次的理论分析,而且,已经渐渐开始将一部分成果转化为生产力(如混沌的控制和同步等)。如今,摆在我们面前的是一幅有序和混沌交替出现又同时并存的世界。声学混沌,光学湍流,化学反应的混沌变化,太阳系中行星的混沌轨道,地震的混沌特征,长时期天气的“蝴蝶效应”,虫口数目的混沌更迭,电子线路中的噪音输出及电力网的复杂振荡等等都无不与这门新学科相联系。探索复杂性,揭示生命现象的奥妙,混沌行为的启发将使人类自身健康状况改善,经济学学者正试图应用混沌理论来寻求商业周期中隐藏的有序性,以改善经济数据的短期预报......可谓大千世界皆混沌;混沌即进一步细分了我们的研究客体,同时又统一了我们的研究方式,混沌理论的发展必将带来新的技术革命。在理论方面,混沌综合了很多数学分支,如测度论、泛函分析、拓扑、分形几何等等。在技术上,一方面实验物理学家们正在不断地扩大对混沌的研究领域,另一方面,他们正在试图驾驭混沌:他们用种种方法将系统稳定在混沌区的一个周期轨道上;他们还设法使两个混沌的系统同步化,从而实现利用混沌的保密通讯。
五、结论
倍周期分岔是许多非线性动力学过程中的常见的现象,也是进入混沌的一种重要方式。本文先以逻辑斯蒂模型为例,说明一个由单峰映射描述的动力学系统可以通过倍周期分岔,以费根鲍姆常数的收敛速度从周期运动走向混沌。本文着重讨论了倍周期分岔道路的全过程,从微观的角度在更深入的层面上揭示混沌图像的深层细节,以填补传统的混沌图像生成方法中看不到图形内部结构的空白。
参考文献:
[1]陈式刚.映象与混沌.北京:国防工业出版社,1992
[2]丁有瑚,对混沌学的基本认识,现代物理知识,1996增刊
[3]LuJinhuetal,BridgethegapbetweentheLorenzsystemandtheChensystem[J].Int.J.Bifurcat.Chaos,2002,12.
[4]胡瑞安.分形的计算机图象及其应用.铁道出版社,1993
[5]WangC,GeS.S.Adaptivebacksteppingcontrolofaclassofchaoticsystems[J].Int.J.Bifurcat.Chaos,2001,11
[6]H.舒斯特,混沌学引论,四川教育出版社,1994
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(ComputerDepartmentofCangzhouTeachers’College,Cangzhou061001,Heibei)