高硫焦煤大分子结构模型的计算机辅助设计1102剖析
高硫焦煤大分子结构模型的构建
杨彦成1，陶秀祥1,2，许宁1
(1.中国矿业大学化工学院，江苏徐州221116; 2.中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室，江苏徐州
221116)
摘要：为了解和掌握煤炭微波脱硫过程中硫的化学形态变化及其迁移机理，需要对所用高硫煤进行大分子结构建模。本文以一种高硫焦煤为研究对象，通过元素分析，初步了解煤中各种元素的相对含量，并计算氢碳比；通过对傅立叶红外光谱的分段拟合，初步定量分析部分影响煤炭大分子结构的官能团，并依此计算芳氢率、芳碳率等煤炭大分子结构参数；通过X射线光电子能谱分析，确定煤中硫元素的存在形式及相对含量。最后利用计算机辅助分子设计（CAMD）技术构建高硫焦煤的大分子结构模型，并对其进行初步的构型优化及设计评价。
关键词：高硫焦煤FTIR XPS 大分子结构模型计算机辅助分子设计
中图分类号：TQ530 文献标识码：A
Model construction of the Macromolecular structure of
high-sulfur coke coal
YANGYan-cheng1，TAO Xiuxiang1,2，XU Ning1
( School of Chemistry Engineering & Technology, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China 2. China University of Mining & Technology, Key Laboratory of Coal Processing & Efficient Utilization,Ministry of Education, Xuzhou 221116, China)
Abstract:It is important for studying into the change of chemical forms and transmission mechanism of sulfur in coal during microwave desulfurization to perform the model construction of macro-molecular structure of high-sulfur coke coal. The relative contents of elements in coal and H/C was obtained via ultimate analyses of the coal. Appropriate quantitative analysis of the function groups that decided the macro-molecular structure of the coal was performed by FTIR analysis, and part of structural parameters was figured out. Based on the analyses of XPS, the existing forms and relative contents of sulfur in the coal were illustrated. According to above analysis and calculation, the model construction of macro-molecular structure of high-sulfur coking coal was carried out by computer-aided molecular design technology, simultaneously, the model was optimized based on energy minimized criterion and the appraisal followed up.
Key words: high-sulfur coking coal; FTIR; XPS; macro-molecular structure model; computer-aided molecular design
由于煤炭组成的复杂性与非均匀性，对于煤炭的研究长期停留在煤的表观性质及煤与其他物质作用的宏观现象上。为了进一步解释煤炭的特性，必须对煤炭的结构进行深入的研究，这也使得煤炭结构的研究成为煤化学研究的核心问题[1,2]。可以肯定，从分子水平认识煤的组成和结构，从微观机理探究煤炭大分子在不同条件下的化学变化与化学行为将成为煤化学研究的发展方向[3-6]。而随着计算机技术的发展，特别是计算机辅助设计技术及量子化学计算理论的发展，煤结构的研究也全面进入了
分子结构模拟计算的时代[7-9]。
近年来，国内外学者利用已有的煤炭结构信息，结合煤的化学分析、现代仪器分析结果，以计算机辅助分子设计技术去构建煤炭的大分子结构模型，并成功地解释和预测了煤的部分性质[10-14]。煤炭的脱硫是洁净煤技术中的关键环节，其中，微波脱硫是近年来关注度比较高的新型脱硫技术[15]。但至今为止，微波脱硫过程中含硫基团对微波的响应以及脱硫过程中硫的迁移机理等都未从分子水平上得到解释与验证。鉴于此，明确高硫煤大分子中硫的赋存形态，构建煤的含硫大分子结构模型，对于从微观角度解释微波脱硫机理具有重要意义。
本文以一种高硫焦煤为研究对象，基于煤的元素分析、傅立叶红外光谱（FTIR）拟合分析以及X 射线光电子能谱(XPS)拟合分析，运用分子结构设计软件ChemOffice Ultra 2008构建煤的大分子结构，并采用软件自带模块对大分子构型进行初步优化。
1、煤样及其分析方法
实验用煤样采自山西焦煤集团，属中高硫焦煤。空气干燥，破碎至0.074mm以下备用。由于煤样为洗选精煤，灰分较低，故不对煤样进行酸洗脱灰，以减少煤样的氧化。
煤样的元素分析由中国科学技术大学理化科学实验中心完成，C,H,N元素的分析采用Vario EL cube 型元素分析仪，燃烧管炉温950℃，还原管炉温550℃。S元素的分析采用Vario EL III型元素分析仪，分解温度1150℃，还原罐温度850℃，标准偏差≤0.1%绝对误差,O元素含量用差减法求得。
煤样的FTIR分析采用Nicolet 380傅里叶变换红外光谱仪。制备煤样经真空干燥后以KBr压片，扫描范围为4000-400cm-1，分辨率设置为4cm-1，扫描32次。得到的傅里叶红外谱图经初步数据处理后，以Peakfit 4.12软件进行分段分峰拟合，对相应的官能团及化学结构进行初步定量，为后续结构参数的计算提供依据。
煤样的XPS测试由中国矿业大学分析与计算中心完成，测试仪器为ESCALAB250Xi型光电子能谱仪。测试参数为Al Kα (1486.6 eV) 作为阳极激发线，宽扫通过能量100 eV，步长1 eV，窄扫通过能量20 eV，步长0.05 eV。选用C1s(284.6eV)为内标进行校正，对煤中硫的化学形态进行分辨并对不同含硫结构进行相对定量，为煤的大分子结构设计提供含硫基团的参考，谱图的分峰拟合采用XPS peakfit 4.1专用软件，分峰方法参考文献[16]各含硫基团的峰位结合能参考文献[17-20]。
2、煤样分析结果
2、1 元素分析结果
煤的元素分析结果列于表1。
表1 煤样的元素分析
Table 1 Ultimate analysis of coal sample
项目C, % H, % O, % N, % S, %
2、2 傅立叶红外光谱分析结果
采用Peakfit对原始谱图进行分峰拟合，先根据原始谱图的二阶导数谱初步确定峰的数目及各峰的大体位置，启动拟合软件，对各峰的位置、峰高、峰宽进行手动微调优化。煤样的原始傅立叶红外谱图及其全谱拟合如图1所示。
吸光度
波数 cm
-1
图1 煤样的FTIR 谱图 Fig.1 FTIR spectrum of the coal
为了使结构参数的计算更准确，本文采取了分段拟合的方式。波数930-660 cm -1范围内的红外拟合谱图见图2，对应官能团归属，拟合峰参数列于表2。
吸光度
波数 cm
-1
图2 煤样的拟合FTIR 谱图(930-660cm -1) Fig.2 Fitting FTIR spectrum of the coal(930-660cm -1)
表2 煤样的拟合FTIR 谱图参数(930-660cm -1)
Table 2 Dates of Fitting FTIR spectrum of the coal(930-660cm -1)
芳环是煤炭中大分子结构基本组成单位的核心，它在红外光谱中主要表现为3100-3000 cm -1附近的=C-H 伸缩振动，1610-1370 cm -1左右的C=C 伸缩振动和1300-900 cm -1附近的=C-H 面内弯曲振动。其中苯环上的=C-H 伸缩振动产生的吸收谱带强度较弱，吸收峰的数目、位置和强度与芳环上取代基的数目、位置和性质直接相关；苯环上的C=C 伸缩振动在1600 cm -1和1500-1450 cm -1位置的吸收带对芳香烃是高度特征的，但一般煤的大分子结构中芳环上连有烷基取代基，会使吸收强度明显减弱；而对于苯环上的=C-H 面内弯曲振动谱带，主要表现为拉曼活性，红外吸收强度较弱[21]。由以上930-660cm -1范围内的红外归属表可以看出，该波段的吸收峰主要是取代芳烃中苯环上的=C-H 面外弯曲振动吸收，这些吸收带的位置由苯环上取代基的位置决定。
吸光度
波数 cm
-1
图3 煤样的拟合FTIR 谱图(1800-950cm -1) Fig.3 Fitting FTIR spectrum of the coal(1800-950cm -1)
表3 煤样的拟合FTIR 谱图参数(1800-950cm -1)
Table 3 Dates of Fitting FTIR spectrum of the coal(1800-950cm -1)
Peak Amplitude Center FWHM Area Attribution
1 0.0415 696.1214 34.8364 1.8239 单取代芳烃苯环上的=C-H 面外弯曲
2 0.2846 747.4726 29.1506 10.8316 邻（间）位二取代芳烃苯环上的=C-H 面外弯曲
3 0.1460 804.6191 35.5900 7.530
4 对（间）位二取代或1,2,4-三取代芳烃苯环上的=C-H
面外弯曲
4 0.1392 869.9023 27.3061 5.3456 1,3,5-三取代或1,2,3,5四取代芳烃苯环上的=C-H 面外
弯曲
5
0.0403
914.6197
13.5729
0.5792
烯烃CH 2面外摇摆
煤中的碳氧官能团一般在1800-950cm -1有吸收带，对该段红外原始谱图进行分峰拟合得到14个拟合峰（如图3），拟合曲线的相关系数达到0.9971，标准误差0.0147。各拟合峰的归属见表3，1100-1000cm -1范围内的碳氧官能团主要表现脂肪酸酯及其它脂肪族结构中的C-O 的伸缩振动吸收及少量的醇类结构的C-OH 伸缩振动吸收，但芳环=C-H 的面内弯曲振动吸收在极性取代基的作用下显著增强，而且中等吸收强度的C=S 伸缩振动吸收也落在该谱段，导致该段C-O 结构吸收峰归属不是很明确。1300-1100cm -1附近主要是C-O-C 结构的反对称伸缩振动吸收带，大部分为醚类结构。1800-1660cm -1段主要是是C=O 结构伸缩振动吸收带，但在煤炭的红外附图中，均表现为弱吸收峰，说明煤中C=O 结构少。而芳环的C=C 伸缩振动吸收，与苯环共轭伸缩振动的脂肪环C=C 以及CH 2剪式变角振动和CH 3反对称弯曲振动分别在1600cm -1，1632cm -1及1438cm -1附近表现出强吸收峰。
以上分析说明在实验用煤的大分子结构中，碳主要以碳氧单键类基团（醚键和羟基）存在，少量以碳氧双键类基团（醛、酮）存在，若杂原子（N 、P 、S 等）含量高，会出现杂原子与氧相连的有机结构，如脂肪族硝基O-N=O ，磷酸酯(ArO)3P=O,磺酸盐R-SO 2-O -M +或者砜结构。即煤中的氧，特别是有机氧的存在形式很大程度上依赖于碳的存在形式，同时氧与杂原子相连的基团结构是杂原子在煤炭大分子中存在的主要形式。
Peak Amplitude Center FWHM Area Attribution
1 0.8000 1023.7225 58.7648 49.9571 芳环的振动，脂肪酸酯C-O-C 对称伸缩
2 0.3575 1086.6301 94.0965 25.7955 醇类C-OH 反对称伸缩，脂肪族C-O 伸缩
3 0.0775 1168.1978 32.343
4 2.6691 苯羟基，醚类C-O-C 反对称伸缩 4 0.1893 1220.0058 174.7049 35.2001 苯氧基，醚类C-O-C 反对称伸缩
5 0.1639 1347.078
6 71.8818 12.5440 烷烃CC-H 面内弯曲
6 0.223
7 1376.0262 22.5096 5.3605 Ar-CH 3中-CH 3对称弯曲，脂肪族NO 2对称伸缩
7 0.4400 1399.8312 23.9425 11.2140 醇类C-OH 面内弯曲
8 0.5483 1438.4432 53.9625 31.4925 CH 2剪式变角振动，CH 3反对称弯曲
9 0.7373 1599.8803 76.4481 60.0007 芳环的C=C 伸缩 10 0.2841 1632.3934 130.9026 39.5377 脂肪环C=C 与苯环共轭伸缩 11 0.1724 1656.7439 18.7769 3.4456 烯烃C=C 伸缩振动，芳
香醛C=O 伸缩 12 0.0375 1679.3699 14.9352 0.5968 13 0.0691 1708.0164 39.3652 2.8972 饱和脂肪酮C=O 伸缩 14
0.0480
1745.6291
14.6915
0.7506
饱和脂肪酯C=O 伸缩
吸光度
波数 cm -1
图4 煤样的拟合FTIR 谱图(2980-2800cm -1) Fig.4 Fitting FTIR spectrum of the coal(2980-2800cm -1)
表4 煤样的拟合FTIR 谱图参数(2980-2800cm -1)
Table 4 Dates of Fitting FTIR spectrum of the coal(2980-2800cm -1)
2980-2800cm-1波数段主要是烷烃甲基与亚甲基的伸缩振动吸收带，而甲基与亚甲基是煤炭大分子结构中脂肪侧链的主要结构。该段的红外拟合分峰结果见图4，拟合谱线的相关系数达到0.9987，标准误差仅0.0057，各拟合峰的归属如表4所列。由此可知煤中脂肪侧链基团以亚甲基为主，甲基含量略低。
Peak Amplitude Center FWHM Area Attribution 1 0.3196 2855.8719 44.5063 14.7186 烷烃R 2CH 2对称伸缩 2 0.1351 2891.0904 23.3803 5.3634 烷烃RCH 3对称伸缩 3 0.5275 2920.1325 37.5312 19.0704 烷烃R 2CH 2反对称伸缩 4
0.1627
2955.2049
23.5600
4.4504
烷烃RCH 3反对称伸缩
吸光度
波数 cm -1
图5 煤样的拟合FTIR 谱图(3730-2980cm -1) Fig.5 Fitting FTIR spectrum of the coal(3730-2980cm -1)
表5 煤样的拟合FTIR 谱图参数(3730-2980cm -1)
Table 5 Dates of Fitting FTIR spectrum of the coal(3730-2980cm -1)
Peak Amplitude Center FWHM Area Attribution 1 0.0991 3031.6585 51.6105 5.3838 芳烃=CH 伸缩 2 0.0452 3121.0685 47.0995 2.2671 肟类C=N-OH 的OH 伸缩 3 0.2956 3208.3970 202.1281 63.3466 醇羟基R-OH 的OH 伸缩 4 0.7051 3430.5417 206.8266 155.1731 酚羟基Ar-OH 的OH 伸缩
5 0.1233 3543.6559 85.6202 11.2374 结晶水的OH 伸缩
6 0.0816 3572.2912 13.684
7 1.1888
气态H 2O 振-转光谱，弱氢键（H-O···H ）或无氢键的O-H 伸缩
7 0.1084 3593.9038 17.8321 2.0572 8 0.2279 3623.4356 30.5704 7.4159 9 0.2095 3654.3438 13.1421 2.9315 10 0.2130 3685.9161 24.9093 5.6478 11
0.0541
3716.2195
10.3041
0.5923
图5所示为煤中OH 结构吸收峰的拟合结果，OH 伸缩振动谱带基本可以分为三类：较尖锐的吸收峰、
宽化了的吸收带和非常宽的弥散的吸收带。根据文献分析各拟合峰的归属，所得结果列于表5。由此可见，实验用煤中的OH 结构主要存在于醇羟基与酚羟基中，其中酚羟基为主，它们的吸收谱带就是宽化了的吸收带。非常宽的弥散了的OH 伸缩振动吸收谱带与分子中或分子间的OH 基团形成的氢键有直接关系，其弥散的原因是分子的不停运动导致氢键OH ···O 的距离在不断变化，这一距离是在一定范围内变化的，变化范围越大，谱带越弥散[22]。 2、3 X 射线光电子能谱分析结果
本研究采用的煤样为洗选过的精煤，黄铁矿含量低，在分峰拟合过程中不予考虑。另外，由于煤炭的大分子结构中不会含有无机硫酸盐，故此处将煤样中的硫元素分为硫醚、硫醇及低价有机硫化物类，噻吩类，砜、亚砜及有机磺酸盐，无机硫酸盐等4类进行拟合，对应的峰位结合能范围分别为
162.20-164.00eV ，164.00-165.00eV ，165.20-168.00eV 和>168.90eV 。煤中硫元素的XPS 分峰拟合结果见图6及表6。
I n t e n s i t y /(a .u .)
Binding energy E /(eV)
图6 煤中硫的拟合XPS 谱图 Fig.6 Fitting XPS S2p spectrum of the coal
表6 煤中硫的XPS 谱图拟合结果 Table 6 Fitting results of S2p XPS spectrum
Binding energy /eV
FWHM /eV Area L-G % Relative content w /%
Attribution 163.700 0.960 35.459 0 24.062 mercaptan ，sulfoethe ）
164.880 0.960 17.885 0 164.170 0.928 107.346 0 72.842 thiophene
165.350 0.928 51.117 0
165.240 0.881 4.563 0 3.096 Sulfoxide ，sulfone
166.420
0.881
2.173
从以上图表可以看出，实验用煤中的有机硫主要以硫醇、硫醚以及噻吩硫的形式存在，其总量占到了全硫的96.904%，此外还有少量的砜、亚砜及有机硫氧化物。整体来看，实验所用煤样的大分子结构中，硫主要以硫醇、硫醚以及噻吩硫的形式存在。
3、结构参数计算
根据前文所列元素分析数据及红外分峰结果，计算芳碳率、氢碳比、芳氢率、脂肪烃侧链长度等
结构参数，以便在进行分子构型时进一步调整结构，优化模型。
（１）芳氢率（H
ar f ），即煤的大分子结构中芳香化合物中的氢原子数与总氢原子数的比。在进
行此参数的计算时，通常假定煤中主要的氢只存在芳香氢和脂肪氢两种。其中，芳香族氢的相对含量以
红外谱图中频率660-900cm -1范围内的吸收峰面积来表示，脂肪族中的氢用频率2980-2800cm -1范围内的吸收峰面积来表示[23]。则芳氢率的计算公式可表示为：
)2800cm I(2980)660cm I(900)660cm I(900H H -1-1-1ar H ar
f
-+--==------------------------------------------------------------------（1）
由此算得煤的芳氢率为0.3415。
（２）氢碳比，即煤的分子结构中氢原子与碳原子的数量比，根据元素分析结果，按下式可求的。 12C ΗC Ηad ad =
------------------------------------------------------------------------------------------------------（2）
由此求得煤的碳氢原子比为0.7165。
（３）芳碳率（ar f ），指煤的大分子结构中芳香化合物中的碳原子数与大分子结构中总碳原子数的比。在对中高阶煤大分子结构参数进行红外光谱计算时，由于芳香结构缩合度较高，羧基碳较少，通常认为煤中碳原子只以芳碳原子和脂碳原子形式存在。
al al H
ar al al ar al al al ar ar C H C H f 1H H C H )H H (11C H C H H H 1C C 1f ÷?-=÷?--=÷?-=-
=--------------（3）
其中 C
H al al 为脂肪族有机物中的氢碳原子比，取经验值1.8，由以上公式可求的煤的芳碳率为0.8641。
（４）脂肪链烃长度，一般在进行低阶煤的大分子模型构建时，支链长度是一项重要的结构参数。因为在低阶煤的大分子结构中，往往存在较长的脂肪链烃，它们或直接与缩聚芳香结构相连，或者是芳环上的边基，或者作为连接基本单元结构的桥键，它们对煤的粘结性及其它物理化学性质有着决定性的影响[24]。低煤化程度的褐煤，烷基侧链长达五个碳原子，高煤化程度褐煤和低煤化程度烟煤烷基侧链碳原子数平均在2左右，至无烟煤则减少到1。比式CH 3/CH 2可用来估计脂肪链和支链的长度，其计算表示式：
)I(2920cm )I(2855cm )
I(2955cm )I(2890cm CH CH -1
-1-1
-123++=------------------------------------------------------------------------------（4）
根据上式计算得出煤的脂肪链长度为0.2251。
（５）芳香层片环数，即大分子基本单元结构的核的缩合环数，文献[25]研究表明，煤中碳含量为83%～90%时，芳香层片平均环数为3～5个,而当碳含量接近90%时，平均环数急剧增加，碳含量高于95%时，平均环数可达40以上。
4、煤炭大分子结构模型的构建
目前，对于对于煤炭大分子模型的构建方法主要有以下几种：(1)首先假定碳原子数，再根据元素分析结果、碳氢原子比及其它结构参数推测结构模型，如秦匡宗利用固体13C-NMR 技术构建一种低阶褐煤的大分子结构模型时，就预先将碳原子数固定为100[10]。(2)首先固定大分子模型的分子量，再根据分子碎片结构及元素信息构建大分子结构模型，这种方法的使用一般是基于相近煤化程度煤的大分
子结构已知的情况，王三跃根据前人的研究经验，假设褐煤大分子模型的分子量在3000左右，假定褐煤真实分子在这一足够大的分子量范围内分子结构会近似重复，构建出霍林河褐煤的分子式为C 185H 157O 43N 3S[9]，Shinn 模型的提出也是以分子量10000为基础进行的。(3)以经典的化学结构模型为基础，结合实验用煤的特点，对传统结构模型进行补充与调整，构建更为合理的结构模型。Given 模型突出了芳香核上的含氧官能团；本田模型考虑到了低分子化合物的存在，确没有考虑氮和硫的结构；Wiser 模型既考虑了不同环数的芳香结构，少量醇羟基、羧基等不稳定结构，同时也考虑了含O 、N 、S 的杂环以及硫醇、噻吩等含硫基团，可合理的解释煤的液化和其它化学反应性质。事实上，多数学者在构建煤的大分子结构时都不会单独使用某种方法，而是综合两种或多种方法来进行模型的构建与结构的调整。
本文以Wiser 模型及Shinn 模型为基础，参考前文分析结果及结构参数计算结果，初步构建高硫焦煤的大分子结构模型。综合红外谱图分析结果，推测煤的大分子结构中主要基团：苯环上的取代芳烃主要以二取代和三取代为主，二取代中以间位和对位取代为主，三取代以1,3,5和1,2,4取代为主，此外还有一定数量的单取代及可能出现的1,2,4,5四取代。含氧基团主要以羟基及醚基形式存在，羟基又以酚羟基及少量醇羟基为主，醚结构又多存在于苯氧基，苯羟基和甲氧基中，羰基较少，部分会以芳香醛或饱和脂肪酮形式出现，此外杂原子亦会与氧直接相连形成杂原子基团。侧链以脂肪链烃为主，平均碳原子数1-2。从XPS 分析结果来看，高硫焦煤大分子结构中的硫主要以硫醇硫醚类和噻吩硫的形式存在，二者相对含量接近1:3，即要想在煤的大分子结构中基本完整地表示出硫的结构，至少需要4个硫原子。再参考元素分析结果，可求的煤炭大分子的分子量应该在5400左右。
依据上述分析，利用软件ChemOffice 2008 进行大分子结构的绘制，使用软件自带的结构优化功能进行初步结构整理。将软件预测的红外谱图与煤样的原始红外谱图进行对比，对构建的大分子结构进行调整，最终得煤的大分子结构如图6，其分子简式为C 392H 279N 5O 14S 4，采用Chem3D 自带的MM2分子力学优化模块对构建的大分子模型进行初步的能量最小化构型优化，得到其立体构型如图8。
H 2C
H 2C
H 2C
S
C
CH 3
O H 2C H 2C
O
CH 2CH 2
N
O
H 2C
H 2C
H 2C H 2C H 2C
N
S
O CH 2
O
CH 2
HO
O H 2C
S
OH
OH
O
HO
OH
HO
CH 2
H 2C
CH 2
CH 2
N
H 2C H 2C
CH 2
OH
CH 2
N
H 2C
H 2N
CH 3
C 2H 5CH 2CH 2
3
S
CH 3
H 2C
C H 2
H 2C
H 2C
CH 3
H 2C
C H 2
CH 2
H 2C
CH 3
H 2C
H 2C
H 2C
CH 3
H 2C
C 2H 5
C 392H 279N 5O 14S 4
Exact Mass: 5407.02 Mol. Wt.: 5411.69
图7 实验煤样的大分子结构平面模型
Fig.7 Two-dimensional model of macro-molecular structure of the coal
图8实验煤样大分子结构立体优化模型
Fig.8 Optimized spacial model of macro-molecular structure of the coal
5、煤大分子结构模型的评价
对于已经构建出的大分子结构模型，其结构已经固定，元素组成，官能团种类、数目以及芳香度、芳碳率，支链长度等结构参数都很容易就可以从分子式中计算出来。将以上确定模型的结构参数与模型构建之前所测试和计算的结构参数相比较（表7），以此来评价模型构建的好坏。
表7实验用煤大分子的结构模型参数与构建前测试计算参数比较
Table 7 The macro-molecular structural parameter comparison between test dates and model dates
参数测试计算结果模型构建结果
元素分析C daf, % 86.92 87.00 H daf , % 5.19 5.20 O daf , % 4.23 4.14 N daf , % 1.29 1.29 S daf , % 2.37 2.37
结构参数
f ar H0.3745 0.3040 H/C 0.7165 0.7117
f ar0.8509 0.8798 CH3/CH20.2251 0.2368
经比较，构建的大分子模型的各元素含量，芳碳率、支链长度等都与原煤的测试计算结果相近，且都符合一般焦煤的特性参数。从构型优化的立体模型来看，出现了芳香层片的平行排列，说明随着变质程度的增加，碳含量的升高，焦煤大分子结构的芳构化显著增强，各芳香结构单元间的π-π相互作用极具强化，分子内键与键间的扭转能显著下降，出现分子结构“石墨化”趋向。
6、结论
对高硫煤的傅立叶红光外光谱图进行分段分峰拟合，对煤中的部分官能团进行分辨与相对定量，结合煤的元素分析结果，计算表征煤的大分子结构特征的部分参数。根据这些参数，初步构建煤结构的芳香结构单元组成以及侧链脂肪结构。根据XPS谱图拟合结果，高硫煤中的有机硫多以硫醇、硫醚及噻吩的形式存在，少量存在于砜或亚砜中。
根据结构参数及部分官能团信息，结合元素分析结果，基于计算机辅助分子结构设计技术，利用ChemOffice软件构建了高硫煤的大分子结构，通过调整其中官能团位置以及桥键连接位置，最后确定其分子式为C392H279N5O14S4。通过比较元素组成，部分特征官能团及表征大分子结构的参数，证实构建的模型基本上能代表煤的大分子结构。
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★作业(全模型3)：结构方程模型和路径分析的区别
★作业(全模型3)：结构方 程模型和路径分析的区别-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
★数据分析的类型 1、以变量为中心的分析（R研究）：探索性因子分析、验证性因子分析、回归分析、结构方程模型分析等 2、以人为中心的分析（S研究）：聚类分析、判别分析等 ★因子载荷 因子载荷a（ij）的统计意义就是第i个变量与第j个公共因子的相关系数，即表示X（i）依赖F（j）的份量（比重）。统计学术语称作权，心理学家将它叫做载荷，即表示第i个变量在第j个公共因子上的负荷，它反映了第i个变量在第j个公共因子上的相对重要性。 在因子分析中，通常只选其中m个(m 建筑结构模型设计中的选型与设计 高层建筑的结构体系是高层结构是否合理、经济的关键，随着建筑高度和功能的发展需要而不断发展变化。论文总结了各种高层建筑结构体系、特别是近年来出现的复杂、新颖的结构体系的受力特征，进而对高层建筑结构选型要点进行了探讨。 标签：建筑结构；模型设计；选型与设计 一、结构选型 （一）框架结构体系 框架结构体系采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同时承受水平荷载，适用于多层或高度不大的高层建筑。框架结构的布置要注意对称均匀和传力途径直接。传统的结构布置采用主次梁的作法为主，逐步向扁梁或无盖梁发展。框架柱是框架结构的主要竖向承重和抗侧力构件，以受压应力为主。 （二）剪力墙结构体系 剪力墙结构体系是利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构体系。剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为3～8米。因而剪力墙结构适用于要求小房间的住宅、旅馆等建筑。 （三）框架一剪力墙结构体系 框架一剪力墙结构是将框架和剪力墙结合在一起而形成的结构形式。它既有框架结构平面布局灵活、适用性强的优点，又有较好的承受水平荷载的能力，是高层建筑中应用比较广泛的一种结构形式。合理的结构设计，将能使框架、剪力墙两种不同变形性能的抗侧力结构很好地协同工作，共同发挥作用。 （四）筒体结构 随着建筑物高度的增加，传统的框架结构体系、框架一剪力墙结构体系已不能很好地满足结构在水平荷载作用下强度和刚度的要求。筒体体系因其在抵抗水平力方面具有良好的刚度，并能形成较大的使用空间，而成为六十年代以后常用于超高层建筑中的一种新的结构体系。根据筒体布置、组成、数量的不同，又可分为框架筒体、筒中筒、组合筒三种体系。 二、结构设计 （一）地基与基础设计 “制作DNA分子双螺旋结构模型”教学设计 【活动目的与意义】 1制作模型的过程是一个知识内化的过程，通过亲手制作，可以促进学生对DNA分子“双螺旋结构”和“反向平行”特点的理解和认识。 2通过讨论、交流与撰写活动报告，培养学生观察问题、分析和归纳问题的能力以及语言表达和书面表达能力。 3通过制作DNA分子双螺旋结构模型，培养学生互助合作的精神和严谨的科学态度，并使他们在具体的制作过程中体验到成功的喜悦。 4通过分析DNA分子结构模型，将抽象知识形象化，有利于学生准确把握DNA分子结构的知识，为后续学习遗传部分的知识奠定良好的基础。 【活动程序】 1制定活动方案 1.1课前进行相应的知识储备 课前学生学习了DNA分子结构的基础知识，以及通过图书馆、网络等途径收集和掌握了一些有关DNA结构发现的科学史的材料，为课上进行相互讨论、交流与模型的顺利制作提供了必要的知识准备。 1.2活动材料用具的准备 硬塑料方框、不同颜色的硬纸板、金属细丝、订书机、订书钉、剪刀、粗铁丝。 1.3提供模型制作的参考数据 1.4设计活动方案流程 2实施活动方案 2.1分组并发放活动材料 每班分若干个小组，每小组4人。各组都配发硬塑料方框2个（5cm×10?M）、六种不同颜色的硬纸板各1张（20?M ×20?M）、细铁丝2根（长0.5m）、粗铁丝2根（长约10?M）订书机1个、订书钉若干、剪刀1把、活动报告（每人一份）。 2.2分组讨论制作模型的步骤和注意事项 在学生讨论之前，教师先展示预设的问题和制作模型的参考数据，为学生讨论模型的制作提供帮助。设计的问题如下： （1）分别用何材料表示磷酸基团、脱氧核糖、各种含氮碱基？这几种物质在什么部位相连接？ （2）如何表示磷酸二酯键、氢键以及氢键的数目？ （3）如何体现DNA分子两条链之间的反向平行关系？ （4）怎样才能使DNA分子的平面模型改变成立体模型？ 以实验小组为单位，观察并分析教材上的DNA分子结构的立体图和平面图，然后根据实验桌上所提供的材料，以 A M O S结构方程模型分 析 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT- Amos模型设定操作 在使用AMOS进行模型设定之前，建议事先在纸上绘制出基本理论模型和变量影响关系路径图，并确定潜变量与可测变量的名称，以避免不必要的返工。 1.绘制潜变量 使用建模区域绘制模型中的潜变量，在潜变量上点击右键选择Object Properties，为潜变量命名。 2.为潜变量设置可测变量及相应的残差变量 使用绘制。在可测变量上点击右键选择Object Properties为可测变量命名。其中Variable Name对应的是数据的变量名，在残差变量上右键选择Object Properties为残差变量命名。 3.配置数据文件，读入数据 File——Data Files——File Name——OK。 4.模型拟合 View——Analysis Properties——Estimation——Maximum Likelihood。 5.标准化系数 Analysis Properties——Output——Standardized Estimates——因子载荷标准化系数。 6.参数估计结果 Analyze——Calculate Estimates。红色框架部分是模型运算基本结果信息，点击View the Output Path Diagram查看参数估计结果图。 7.模型评价 点击查看AMOS路径系数或载荷系数以及拟合指标评价。 路径系数/载荷系数的显着性 模型评价首先需要对路径系数或载荷系数进行统计显着性检验。 模型拟合指数 模型拟合指数是考察理论结构模型对数据拟合程度的统计指标。拟合指数的作用是考察理论模型与数据的适配程度，并不能作为判断模型是否成立的唯一依据。拟合优度高的模型只能作为参考，还需要根据所研究问题的背景知识进行模型合理性讨论。 指数名称评价标准1 绝对拟合指2 (卡方)越小越好 结构创新课程设计 设计题目高层建筑结构模型设计 作品名称鼎立 学生姓名张++ 王++ 端++ 江+ 谢++ 学号 201321··· 201321··· 201321··· 201321··· 201321··· 专业班级土木工程13-4班 指导教师王辉、赵春风等老师 2015 年 07 月 20 日 目录 一、设计说明书....................................... - 3 - 1.设计背景........................................ - 3 - 2.设计构思........................................ - 3 - 2.1.结构选型...................................... - 3 - 2.2.构件制作...................................... - 4 - 2.3.连接方式...................................... - 4 - 二、方案图........................................... - 5 - 1.结构整体布置图.................................. - 5 - 2.主要构件详图.................................... - 5 - 3.方案效果图...................................... - 6 - 三．计算书........................................... - 7 - 1.模型方案及制作.................................. - 7 - 1.1.模型方案介绍............................... - 7 - 1.2.模型加工图................................. - 8 - 2.计算模型........................................ - 8 - 3.荷载分析........................................ - 9 - 4.承载能力分析.................................... - 9 - 4.1.加载分析................................... - 9 - 4.2.位移分析.................................. - 10 - 4.3.承载能力估算.............................. - 10 - 5.结论：......................................... - 10 - 结构设计竞赛模型制作的方法与技巧 介绍了结构设计竞赛概况和竞赛用材料与工具。从结构选型、构件设计、模型节点处理三方面，介绍了结构设计竞赛中模型制作的方法与技巧。并针对竞赛中常见问题进行了解析。 标签：结构设计竞赛;结构模型;模型制作;土木工程 1 结构设计竞赛概况 土木工程有着悠久的历史，其专业综合性强，涉及学科面广，基础要求高。学科竞赛是培养专业人才创新能力的重要平台。竞赛旨在培养大学生的学习能力、沟通能力、组织能力、团队协作能力、创新能力和实践能力，提升大学生的综合素质，从而进一步提高本科生培养和教学质量。 目前赛事主要有全国大学生结构设计竞赛及各省市大学生建筑结构设计竞赛。对于培养大学生的创新意识、合作精神，提高大学生的创新设计能力、动手实践能力和综合素质，加强高校间的交流与合作起到重要作用。 结构设计竞赛的内容通常为给定某种材料，要求在规定时间内设计并制作出一个结构，通过加载试验，综合考虑各项因素决出获奖等级。模型材料一般为以竹皮或白卡纸居多，并辅以胶水、线绳等。制作的结构形式有建筑、桥梁等。评分内容一般包含方案设计、理论分析、模型制作、作品介绍与答辩以及模型加载实验等方面。结构加载类比赛，一般在相同加载条件下，结构模型质量轻者获胜或模型加载位移与模型质量综合评判。 2 材料与工具 结构设计竞赛用材料有竹材或白卡纸。本文仅讨论竹材。2018年全国大学生结构设计竞赛竹材规格及用量见表1。竹材参考力学指标见表2。 表2 竹材参考力学指标 制作工具有：502胶水、砂纸、切割刀、直尺、三角尺、量角器、铅笔、橡皮擦、镊子、橡胶手套等。砂纸打磨杆件端部，获得所需要的杆件精确尺寸，打磨杆件节点处接触面以增加接触，打磨时需谨慎打磨，勿露出竹皮丝状物。铅笔、直尺在竹皮上绘制杆件平面设计图。切割刀切割修剪竹皮。为防止胶水粘手，可用镊子夹持细小构件，使用橡胶手套防护双手，也可以用胶布缠绕指尖。 3 模型设计与制作 模型选型原则为“大胆假设，小心求证”。假设时，须防止赛题示意图的模型束缚思路，也不得被常见模型约束，应勇于借鉴创造。求证时，须运用相关力学 三维设计软件在钢构深化设计中的应用 1.钢结构详图设计 钢结构工程目前在国内各类建筑工程中得到广泛运用，建筑钢结构进入了一个全新的发展时期。任何一个钢结构工程设计出图分施工设计图和施工详图两个阶段，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制。把设计单位提供的设计图转化为满足工厂制作加工和现场安装而进一步深化的过程就是钢结构施工详图。它按照设计要求，通过图形、线条、尺寸和说明等，用技术语言向制造者表达制造各种类型钢结构构件所必须的数据和说明，详细的指出切割、打孔的方式，及怎样用螺栓、焊缝将构件连接，并考虑运输和安装能力确定构件的分段和拼装节点。施工详图深度须能满足车间直接制造加工，不完全相同的构件须单独绘制，并应有详细的材料表。每个钢结构工程有众多构件在现场组装而成，每个构件必须正确的安装在指定的位置上，简洁高效的详图构件编号标识系统，可以有序地指导制作、运输、安装，因此钢结构详图已成为钢结构设计、生产活动的中心，它展示了工程技术的发展水平。 2.Tekla Structures简介 2008年为了保证工程质量以及设计进度能按时完成，我们引进三维深化设计软件Tekla Structures，Tekla Structures是一款功能十分强大的三维真实模拟软件，除了被广泛的高效率使用在外形或杆件截面较规则的厂房、民用高层、框架等项目外，还可以充分利用Tekla Structures直观、作为数字化真实模拟进行不规则外形结构的深化设计。Tekla Structures是芬兰Tekla 公司开发的钢结构详图设计软件，它是通过首先创建三维模型以后自动生成钢结构详图和各种报表。由于图纸与报表均以模型为准，而在三维模型中操纵者很容易发现构件之间连接有无错误，所以它保证了钢结构详图深化设计中构件之间的正确性。同时Tekla Structures 自动生成的各种报表和接口文件（数控切割文件），可以服务（或在设备直接使用）于整个工程。它创建了新方式的信息管理和实时协作。Tekla 公司在提供革新性和创造性的软件解决方案处于世界领先的地位。Tekla产品行销60多个国家和地区，在全世界拥有成千上万个用户。Tekla Structures是世界通用的钢结构详图设计软件，使用了它就奠定了与国际接轨的基础。事实上已经有相当数量的用户提出必须用Tekla Structures建模出图，尽快掌握和使Tekla Structures 已是我们首要任务。 3.建模和出图 Tekla Structures是一个三维智能钢结构模拟、详图的软件包。用户可以在一个虚拟的空间中搭建一个完整的钢结构模型，模型中不仅包括零部件的几何尺寸也包括了材料规格、横截面、节点类型、材质、用户批注语等在内的所有信息。而且可以用不同的颜色表示各个零部件，它有用鼠标连续旋转功能，用户可以从不同方向连续旋转的观看模型中任意零部位。这样观看起来更加直观，检查人员很方便的发现模型中各杆件空间的逻辑关系有无错误。在创建模型时操作者可以 Amos模型设定操作 在使用AMOS进行模型设定之前，建议事先在纸上绘制出基本理论模型和变量影响关系路径图, 并确定潜变量与可测变量的名称，以避免不必要的返工。 1. 绘制潜变量 使用*■建模区域绘制模型中的潜变量，在潜变量上点击右键选择Object Properties为潜变量命名。 2. 为潜变量设置可测变量及相应的残差变量 使用绘制。在可测变量上点击右键选择Object Properties为可测变量命名。对应的 是数据的变量名，在残差变量上右键选择Object Properties为残差变量命 名。 ￡炭Object Properties Test Par：iJTL 已七已工乞 | Colors | For mat ] Visibility | Set Default Undo 实施影 响 其中Variable Name Font size Font style Text | Parameters | Colors | Forniat | Visibility | Set Default 3. 配置数据文件，读入数据 File ----- Data Files ---- File Name ----- OK Edit View Diagram Analyze Tools Plugins Help ^ew New 空ith Template... Open... Retrieve Backup... 4. 模型拟合 View --- An alysis Properties ------ E stimation ----- M aximum Likelihood View Di 曰Analyze Tools Plugins Helf =3S Interface Properties,,, Ctrl+I 彳 &盟 ,3也齊 ________________ ￡trl^A ____ | u 〔口 d ；色严*。严尽六旨甘;日亡 厂丄c Est ijnation Numerical Bias | Output | Bootstrap | Permut at ions | Randan # | Tit le Discrepancy 厂 Estimate means intercepts C Generalized least squares 5. 标准化系数 An alysis Properties --- Output ------ S ta ndardized Estimate —因子载荷标准化系数。 0切Ed Properties T 辭dt |Paiajietei ：E | Colors | Fornat | Visibility | Font style Font size Variable nanne | Regular Variable label Save Save As... Save As Templat?... Ctrl+S Files.. Ctd + D |J * Maximujii lxkElihuucl arid n n Hr Analysis Pro 卩亡门咯 路径分析和结构方程模型 结构方程模型(Structural·Equation·Modeling,SEM)结构方程模型是 社会科学研究中的一个非常好的方法。该方法在20世纪80年代就已经成熟，可惜国内了解的人并不多。"在社会科学以及经济、市场、管理等研究领域，有时需处理多个原因、多个结果的关系，或者会碰到不可直接观测的变量(即潜变量)，这些都是传统的统计方法不能很好解决的问题。20世纪80年代以来，结构方程模型迅速发展，弥补了传统统计方法的不足，成为多元数据分析的重要工具。 三种分析方法对比 线性相关分析：线性相关分析指出两个随机变量之间的统计联系。两个 变量地位平等，没有因变量和自变量之分。因此相关系数不能反映单指标与总体之间的因果关系。线性回归分析：线性回归是比线性相关更复杂的方法，它在模型中定义了因变量和自变量。但它只能提供变量间的直接效应而不能显示可能存在的间接效应。而且会因为共线性的原因，导致出现单项指标与总体出现负相关等无法解释的数据分析结果。结构方程模型分析：结构方程模型是一种建立、估计和检验因果关系模型的方法。模型中既包含有可观测的显在变量，也可能包含无法直接观测的潜在变量。结构方程模型可以替代多重回归、通径分析、因子分析、协方差分析等方法，清晰分析单项指标对总体的作用和单项指标间的相互关系。简单而言，与传统的回归分析不同，结构方程分析能同时处理多个因变量，并可比较及评价不同的理论模型。与传统的探索性因子分析不同，在结构方程模型中，我们可以提出一个特定的因子结构，并检验它是否吻合数据。通过结构方程多组分析，我们可以了解不同组别内各变量的关系是否保持不变，各因子的均值是否有显著差异。"目前，已经有多种软件可以处理SEM，包括：LISREL，AMOS,EQS,Mplus.结构方程模型假设条件合理的 样本量(James Stevens的Applied Multivariate Statistics for the Social Sciences一书中说平均一个自变量大约需要15个case；Bentler and Chou(1987)说平均一个估计参数需要5个case就差不多了，但前提是数据质量非常好；这两种说法基本上是等价的；而Loehlin(1992)在进行蒙特卡罗模拟之后发现对于包含2~4个因子的模型，至少需要100个case，当然200更好；小样本量容易导致模型计算时收敛的失败进而影响到参数估计；特别要注意的是当数据质量不好比如不服从正态分布或者受到污染时，更需要大的样本量)连续的正态内生变量(注意一种表面不连续的特例：underlying continuous；对于内生变量的分布，理想情况是联合多元正态分布即JMVN)模 结构设计大赛之桥梁模型设计 戴洁 (广东交通职业技术学院，广东广州510650) 摘要：文中从结构设计大赛的模型要求及比赛加载方式分析入手，提出桥梁模型的设计方案构思，选择结 构方案．并进一步对模型进行了强度、刚度和稳定性受力分析。试验证明本次设计制作的桥梁模型非常坚固， 承受极限荷载接近于封顶值50 kg。 1桥梁模型设计 1．1模型要求及加载方式分析 结构设计大赛拟设计桥梁结构模型。桥梁结构模型设计尺寸要求为：桥面总长l 000 mln；桥面高不低于120 toni：桥面总宽160～180rnITl；桥面净空高度不小于200 toni：最大跨径不小于400 mm。尺寸要求体现了桥梁设计的桥下净空和桥面净空等功能要求。比赛加载方式为动静载结合方式，初赛要求徒手将一辆l5 kg的小车从桥头拉至最大跨的跨中位置．并在该位置停留不少于5 S 然后拉到桥部。模型不至于失效方可进入决赛。决赛采用跨中集中力加载方式，初始荷载为20 ，荷载增加梯度为5 k 次，封项荷载为50 。每次加载后停留5 S。模型不失效即加载成功。模型不失效的标准：模型强度足够、不失去整体承载力：模型跨中挠度不超过l5 mm。小小桥模型须承受l5～50 kg的重量，由此带来的跨中弯矩较大，承载亦不易。但更难控制的还是弯曲变形，挠度不超出15 mln即要求模型具有足够的抗弯刚度。 1．2材料分析 参赛的结构模型要求采用组委会统一提供的绘图纸、棉线和乳胶。主体材料为绘图纸．辅助材料为棉线和乳胶。单张的绘图纸只能承受少量拉力，不能作为受弯、受压构件，即使多张绘图纸叠放具有抗弯强度．也不能提供足够的抗弯刚度。要使纸构件提供足够的强度和刚度．一种方法将纸卷成圆柱形．作成圆形梁和圆形柱：另一种方法将纸张切片叠成一定厚度并粘在一起．作成一定高度的薄梁．可以用作桥面的抗弯构件。但从整体结构上必须布置成纵、横梁网格系。棉线抗拉能力强，不能受压．只能用来做受拉构件，吊(拉)桥面或捆绑节点，增强节点强度。白乳胶主要起粘结作用。 1．3结构选型与方案构思 鉴于比赛的加载重量大。且挠度变形量控制严格，桥型结构不能采用单一的梁桥、拱桥、悬索桥，而必须采用组合体系桥梁。为使桥面平整，便于行车，主体结构采用梁式桥型。为了增强模型的整体抗弯强度和抗弯刚度．布置斜拉杆(索)或垂直吊杆(索)。用卷成圆柱形的纸杆作为刚性斜拉杆或吊杆．节点用棉线捆绑牢固，做成类似斜拉桥的板拉桥刚性拉杆。桥面下可用拱形结构支撑桥面．也可以采用桥墩加斜撑辅助支撑桥面。拱形结构受力合理．但制作困难。下部结构主要采用实心的圆柱形纸杆作桥墩．由于直径有限(直径大时耗材多)，难以保证桥墩的稳定性，而空心纸卷制作起来有困难．也不能提供足够的抗压强度，所以桥墩结构上必须加强各杆件的横向联系．以增强桥梁的整体稳定性。主孔纵向设计为梁式桥结合“A” 型塔斜拉桥。主梁5片，横梁10根，等间距地布置主梁、横梁，形成网格式梁式结构。“A” 型塔斜拉结构设计为双塔，两侧各一个．中间设一撑杆加强两边“A”型塔的横 1、STS软件的研制目的 近年来,我国钢产量跃居世界第一位,建筑钢结构的优点也越来越突出。CAD技术的发展和成功推广表明,借助计算机辅助设计软件来完成钢结构的计算机分析、优化设计和绘图工作,一方面可以给工程设计提供精确的计算和绘图工具,提高设计效率,使设计更加安全经济,另一方面也必将对钢结构的进一步发展起到很大的促进作用。 PKPM系列软件是国内应用最广的一套一体化CAD软件,曾获国家科技进步奖,是国内唯一自主平台的计算机辅助设计系统,现在已经成为了一个包括建筑设计、结构设计、设备设计,在结构设计中又包括多层和高层、工业厂房和民用建筑、上部结构和各类基础在内的综合CAD 系统,并正在向集成化和智能化的方向发展。在这种情况下,中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部从1995年5月开始组织力量,研究开发自主版权的钢结构CAD软件STS,该软件的研制以PKPMCAD工程部自主开发的CFG中文图形支撑系统为平台,以PKPM系列软件的PMCAD、PK为基础。STS的功能要求为:是一体化的CAD软件,功能包括从钢结构建筑的模型输入、截面优化、结构分析、构件强度和稳定性验算、节点设计、直到施工详图绘制;软件可适用于多、高层框架,平面框架,连续梁,轻钢门式刚架,排架,框排架,钢桁架等多种结构形式;软件要求操作简单,自动化程度高,界面友好,易学易用;施工图详图以标准图为准,并提供方便快捷的编辑工具;是PKPM系列软件的一个模块,可以与其他模块接口;先使STS成为国内主流的钢结构CAD软件,再扩充国外规范版本,走向国际软件市场。 2、STS软件技术条件 作为专业的钢结构工程设计软件,必须符合国家现行的规范、规程和标准。STS软件的研制主要依据有:《钢结构设计规范》(GBJ17-88);《冷弯薄壁型钢结构设计规范》(GBJ18-87);《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98);《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:98);《轻型钢结构设计规程》(DBJ08-68-97);另外,STS软件遵循常用钢结构设计手册、标准图的规定。 3、STS软件功能简介 模型输入 STS的模型输入可以采用三维方法和二维方法。 三维建模采用人机交互方式,引导用户逐层地布置各层平面和各层楼面,再输入层高就建立起一套描述建筑物整体结构的数据,三维建模程序具有较强的荷载统计和传导计算功能,除计算自重外,还自动完成从楼板到次梁,从次梁到主梁,从主梁到承重的柱、墙,再从上部结构传到基础的全部计算,加上局部的外加荷载,可方便地建立起整栋建筑的荷载数据。三维建模提供的截面类型有中国和世界各国的标准型钢及其组合截面,焊接H型钢(包括楔形截面)、圆管、箱形、Z形、槽形等自定义截面,钢管混凝土、钢骨混凝土截面等丰富的截面形式,适用于各种结构形式的需要。二维建模数据可以由三维建模的数据生成的平面框架、连续梁的数据文件自动生成,也可以用人机交互方式生成,能方便地建立起平面杆系结构的模型。 二维人机交互建模可以建立各种类型平面杆系的框架、门式刚架、排架、框排架、桁架、支架、连续梁等多种结构形式的模型,对于门式刚架、框架、桁架、弧形轴线还提供了快速输入向导来快速输入,可以输入各种作用形式的恒载、活载、风荷载(可以自动布置)、吊车荷载(包括抽柱吊车荷载)和地震计算参数。二维建模提供的截面类型除了三维建模的截面类型外,还包括冷弯薄壁型钢及其组合截面,实腹式组合截面,格构式组合截面,组合梁,任意截面等类型。 截面优化 截面优化就是在满足规范要求的前提下,寻找用钢量最小的截面尺寸。STS软件可以对轻钢门式刚架和钢桁架进行截面优化。门式刚架中常采用变截面构件,所以优化的约束变量有大端、小端高度,上、下翼缘宽、厚,腹板厚度7个因素,STS软件能在自动或人工定义的变化范 塔吊结构模型的设计与制作 摘要：本文中的塔吊结构模型是浙江大学第九届大学生结构设计竞赛的参赛作品。文中详尽地论述了该塔吊结构模型的设计制作要求，实际的设计和制作的全过程。最后，文中还以一些合理的假设为前提，根据相关理论知识估计了模型的承载能力。本文对于一些其他的结构模型设计制作过程也有一定的参考价值。关键字：塔吊模型；设计；制作；支撑柱；横梁；杆件；牛皮纸；载荷 1.背景 塔吊在现代的社会生产中有着广泛的应用，它实现了笨重货物较大的水平和垂直位移，而且可重复性强，效率高，对社会经济的发展起到了很好的促进作用。塔吊其实在现实生活中随处可见，尤其在建筑施工基地和大型的装载、卸载基地，它可谓是必备的工业设备，是基地整个物料调运的核心装置。所以一个塔吊的结构的承载能力、安全性以及运动的灵敏性就显得非常重要。 本文所阐述的塔吊结构模型是以“浙江大学第九届大学生结构设计竞赛”这一赛事为依托，由本人协同刘晓杰、汪荣荣两位同学，共同设计并制作完成的。 2.模型设计制作要求 此模型的设计制作要求即为“浙江大学第九届大学生结构设计竞赛”提交的参赛作品的一些要求，现整理归纳成如下几点： 1、模型制作材料为牛皮纸、卡发丝线、白胶，固定模型的底板为木工板。材料统一由组委会提供和购买，不得使用非组委会提供的其它任何材料。 2、模型结构形式和总高度不限，模型的主要受力构件应合理布置，整体结构应体现“新颖、轻巧、美观、实用”的原则。 3、模型悬臂上分别设置3个作用点A、B、C，其中配重作用点A距模型底板中心线xx 轴水平距离为250±5 mm，距模型底板上表面高度为1000±5 mm，并要求设置竖向力的拉线环1个；加载作用点B、C分别距模型底板中心线xx轴水平距离为600±5 mm、900±5 mm，距模型底板上表面高度为1000±5 mm，要求在B、C点设置可以施加竖向力的拉线环各1个，并过C点垂直于BC连线上设置可以施加前后水平力的拉线环各1个，详见图1。 4、在B点一侧的模型固定边界以外、BC连线以下必须保持净空，详见图1。 5、固定模型的底板尺寸为400 mm×400 mm。模型制作材料固定在底板的范围不得超出250 mm×250 mm，详见图2。 6、模型作用点的拉线环须满足承载要求，拉线环受力拉直后离作用点的距离为50 mm。 结构设计大赛之桥梁模型设计戴洁 (广东交通职业技术学院，广东广州510650) 摘要：文中从结构设计大赛的模型要求及比赛加载方式分析入手，提出桥梁模型的设计方案构思，选择结 构方案．并进一步对模型进行了强度、刚度和稳定性受力分析。试验证明本次设计制作的桥梁模型非常坚固， 承受极限荷载接近于封顶值50 kg。 1桥梁模型设计 1．1模型要求及加载方式分析 结构设计大赛拟设计桥梁结构模型。桥梁结构模型设计尺寸要求为：桥面总长l 000 mln；桥面高不低于120 toni：桥面总宽160～180rnITl；桥面净空高度不小于200 toni：最大跨径不小于400 mm。尺寸要求体现了桥梁设计的桥下净空和桥面净空等功能要求。比赛加载方式为动静载结合方式，初赛要求徒手将一辆l5 kg的小车从桥头拉至最大跨的跨中位置．并在该位置停留不少于5 S 然后拉到桥部。模型不至于失效方可进入决赛。决赛采用跨中集中力加载方式，初始荷载为20 ，荷载增加梯度为5 k 次，封项荷载为50 。每次加载后停留5 S。模型不失效即加载成功。模型不失效的标准：模型强度足够、不失去整体承载力：模型跨中挠度不超过l5 mm。小小桥模型须承受l5～50 kg的重量，由此带来的跨中弯矩较大，承载亦不易。但更 难控制的还是弯曲变形，挠度不超出15 mln即要求模型具有足够的抗弯刚度。 1．2材料分析 参赛的结构模型要求采用组委会统一提供的绘图纸、棉线和乳胶。主体材料为绘图纸．辅助材料为棉线和乳胶。单张的绘图纸只能承受少量拉力，不能作为受弯、受压构件，即使多张绘图纸叠放具有抗弯强度．也不能提供足够的抗弯刚度。要使纸构件提供足够的强度和刚度．一种方法将纸卷成圆柱形．作成圆形梁和圆形柱：另一种方法将纸张切片叠成一定厚度并粘在一起．作成一定高度的薄梁．可以用作桥面的抗弯构件。但从整体结构上必须布置成纵、横梁网格系。棉线抗拉能力强，不能受压．只能用来做受拉构件，吊(拉)桥面或捆绑节点，增强节点强度。白乳胶主要起粘结作用。 1．3结构选型与方案构思 鉴于比赛的加载重量大。且挠度变形量控制严格，桥型结构不能采用单一的梁桥、拱桥、悬索桥，而必须采用组合体系桥梁。为使桥面平整，便于行车，主体结构采用梁式桥型。为了增强模型的整体抗弯强度和抗弯刚度．布置斜拉杆(索)或垂直吊杆(索)。用卷成圆柱形的纸杆作为刚性斜拉杆或吊杆．节点用棉线捆绑牢固，做成类似斜拉桥的板拉桥刚性拉杆。桥面下可用拱形结构支撑桥面．也可以采用桥墩加斜撑辅助支撑桥面。拱形结构受力合理．但制作困难。下部结构主要采用实心的圆柱形纸杆作桥墩．由于直径有限(直径大时耗材多)，难以保证桥墩的稳定性，而空心纸卷制作起来有困难．也不能提供足够的抗压强度，所以桥墩结构上必须加强各杆件的横向联系．以增强桥梁的整体稳定性。主孔纵向设计为梁式桥结合“A” 型塔斜拉桥。主 第四届湖南省结构设计竞赛名称： 学校： 参赛队员： 竞赛时间： 目录 一、设计说明书 1、对方案的构思 2、对制作模型材料的分析 3、主要制作过程 二、方案图（详见后面照片） 1、结构整体布置图 2、主要构件详图 三、计算书 1、荷载分析 2、内力分析 3、承载能力估算 一、设计说明书 1、对方案的构思及框架设计 多层竹质房屋结构模型设计思路：考虑到本次的作品赛题是房屋类的构造，考虑到在现实生活中有很多类似的框架结构。而且这次竞赛的材料都是竹条，要把这些竹条搭建成房屋结构，我组觉得采用镶嵌式框架结构是最稳妥的方法。只是竹条的厚度不是很高，制作的难度会比较大。 2、对制作模型材料的分析 由于本次竞赛使用的材料是竹制的，且主要是竹条。竹条的韧性很好，抗弯曲能力比较强。但由于我们选择的是镶嵌结构，因此需要破坏竹条的内部结构，这样对竹条的韧性会有很大影响。但只要细心、谨慎操作，可把这种影响降到最低。 3、主要制作过程 首先将5mm厚15mm高600mm长的竹条作为梁结构，并在竹条上开槽。将2mm 厚的竹条置于槽内，制成楼板。柱子采用3层5mm厚的竹条粘贴而成，在一定的高度上开孔，便于梁及楼板的放置和固定。底板采用镶嵌式，使柱子与板间的结构更稳定。 二、方案图 1、结构整体布置图 作品实图 2、主要构件详图 三、计算书 1、荷载分析 材料参数：竹材的弹性模量E=1.0﹡104MPa.抗拉强度ft=60MPa。由于结构为框架结构，砝码尺寸不可忽略，假定梁上局部承受均匀分布载荷作用。题目要求每层加载20kg砝码，总共三层，共计60kg。四根柱子平均每根受力15*10=150N。每层楼板由两根长60cm的梁承受荷载。即每根梁上承重600/（3*2）=100N。 q=100/0.15=667N/m。 2、内力分析 沿梁的长度方向为x轴，可得梁的剪应力方程 :FQ=667*x*(0.15- x/2) (0 钢结构STS设计软件应用实例详解班 报名简章开班时间： 2009年11月16日至18日（3天），11月15报到2010年1月25日至27日（3天），1月24报到适应学员： 基本掌握钢结构设计软件STS的使用方法，接触过，或将应用钢结构设计软件STS从事钢结构工程设计的相关人员。 培训目标： 为基本掌握钢结构设计软件STS的使用方法的设计人员，在接触或进入应用钢结构设计软件STS从事钢结构工程设计时，能具备典型钢结构工程设计的初步技能，举一反三，进而较快投入实际钢结构的工程设计。 培训方式： 采用对具普遍性的典型钢结构工程实例，应用钢结构设计软件实施设计过程的详细讲解、答疑，并辅以适当的上机操作实践。提供详解讲义。 授课老师：郭丽云 授课大纲： 第一章门式刚架设计 【例题1】：多跨门式刚架例题，主要说明普通多跨门式刚架三维设计的方法。 1．1、模型输入 带抗风柱的门式刚架的模型如何建立? 三维模型中如何通过不同途径完成支撑的输入? 如何合理确定门式刚梁的单坡分段数与分段比? 如何确定门式刚架的计算长度? 如何正确设置单拉杆件? 两种类型抗风柱的设计方法？ 如何正确确定风荷载标准值及各荷载方向? 如何应用“互斥活荷”? 如何确定“参数输入”中的各项参数？ 参数输入中的“验算规范”与“构件修改”中的验算规范有何区别？ 新版加劲肋如何设置，及对计算结果的影响？ 如何确定附加重量？ 独立基础的设计 1．2、优化与计算 如何通过优化设计带来经济效益？ “结构计算”及结果查看 门式刚架变截面杆件高厚比如何控制，如何解决其超限问题？ “绝对挠度”与“相对挠度”有何区别，如何判断计算结果的合理性？ 柱顶位移如何控制？ 1．3、屋面、墙面设计 屋面、墙面构件的布置 檩条、墙梁、隅撑等的计算与绘图 1．4、施工图 如何合理选择节点的连接形式及设计参数？ 自动生成各榀刚架施工图 如何设计抗剪键？ 材料统计与报价 1．5、三维效果图 【例题2】：带吊车的门式刚架例题，主要说明在门式刚架的三维设计中如何进行吊车的布置与计算。 吊车的平面布置及注意事项？ 湖南省“路桥杯”大学生结构模型创作竞赛 中南大学 参赛设计方案说明书 作品名称剑桥 学校名称中南大学 学生姓名专业班级 学生姓名专业班级 学生姓名专业班级 指导教师 联系电话 二○○六年七月十四日 目录 摘要 (2) 1 设计说明书 (3) 1.1 概述 (3) 1.2 方案简介 (3) 1.3 结构模型及方案特点 (4) 1.4 应用前景 (5) 1.5 施工流程: (5) 1.6 施工要点: (5) 2 结构方案图 (6) 2.1结构效果图 (6) 2.2结构俯视图 (6) 3 设计计算书 (7) 3.1结构计算模型 (7) 3.2结构强度计算 (8) 3.2.1 拱肋强度计算 (8) 3.2.2 拉杆强度计算 (9) 3.3 结构稳定分析 (9) 参考文献 (10) 摘要 本文根据湖南省“路桥杯”土木建筑类大学生结构模型创作竞赛规程和使用材料的特点要求，结合现代桥梁结构的特点，借鉴细杆拱桥结构设计概念构思了本结构模型。 在造型上，空间上主要采用三角形、梯形等几何元素，注重结构的整体性。 在结构设计方面，充分根据木材的力学性能，主要受力构件采用格构式组合构件，利用斜向支撑增加结构空间作用，提高抗侧能力。并通过采用ANSYS有限元软件的空间分析，根据构件的受力情况沿杆件变化，采用了变截面的杆件，充分的利用材料，经过ANSYS 的计算表明，结构在设计荷载作用下，均能满足强度、刚度、稳定性要求。 关键词：结构模型、设计大赛、模型制作 1 设计说明书 1.1 概述 对于结构模型，稳定性起着控制作用，包括整体稳定性和局部稳定性，选择合理有效的结构受力体系对结构模型设计有着重要意义。 模型设计中，主要应考虑充分利用木材薄片受力性能特点。就本次竞赛而言，关键在于充分利用木材薄片受拉性能好，受压则需要组合成柱的特点，选择优化的结构模型，使结构模型能够接近竞赛规定的最大加载荷载，同时尽可能降低结构的自身重量。 本结构模型根据以上思想，进行结构的构思与设计。 1.2 方案简介 本结构整体外型为一个上承式桁架。其造型融入三角形和梯形等美学元素，整体造型简单、受力形式较好，符合本次竞赛的设计理念。 结构根据竞赛规程的要求，确定合理跨度和高度以后，以四根斜杆为主要受力构件向下传力，顶部做成一个加载平台。根据各个面内的抗弯刚度要求，灵活选用杆的形式，通过计算得出合理拱轴线的位置，合理布置杆拱的空间角度；再合理布置支撑杆件，用于抵抗荷载传来的水平力分力并减小侧移；并通过ANSYS软件模拟多种荷载情况下的破坏情况，找出结构构件的薄弱环节进行局部加强，使得结构的破坏向强度破坏靠近，从而使本结构模型具有足够的承 AMOS结构方程模型修正经典案例 第一节模型设定结构方程模型分析过程可以分为模型构建、模型运算、模型修正以及模型解 释四个步骤。下面以一个研究实例作为说明，使用 Amos7 软件1进行计算，阐述在实际应用中结构方程模型的构建、运算、修正与模型解释过程。 一、模型构建的思路 本案例在著名的美国顾客满意度指数模型(ASCI)的基础上，提出了一个新的模型，并以此构建潜变量并建立模型结构。根据构建的理论模型，通过设计问卷对某超市顾客购物服务满意度调查得到实际数据，然后利用对缺失值进行处理后的数据2进行分析，并对文中提出的模型进行拟合、修正和解释。 二、潜变量和可测变量的设定 本文在继承 ASCI 模型核心概念的基础上，对模型作了一些改进，在模型中 增加超市形象。它包括顾客对超市总体形象及与其他超市相比的知名度。它与顾客期望，感知价格和顾客满意有关，设计的模型见表7-1。 模型中共包含七个因素 (潜变量 )：超市形象、质量期望、质量感知、感知价值、顾客满意、顾客抱怨、顾客忠诚，其中前四个要素是前提变量，后三个因素 是结果变量，前提变量综合决定并影响着结果变量(Eugene W. Anderson & Claes Fornell，2000;殷荣伍， 2000)。 表 7-1设计的结构路径图和基本路径假设 设计的结构路径图基本路径假设 超市形象 顾客抱怨质量期望 感知价值 顾客满意 质量感知 顾客忠诚超市形象对质量期望有路径影响 质量期望对质量感知有路径影响 质量感知对感知价格有路径影响 质量期望对感知价格有路径影响 感知价格对顾客满意有路径影响 顾客满意对顾客忠诚有路径影响 超市形象对顾客满意有路径影响 超市形象对顾客忠诚有路径影响 2.1 、顾客满意模型中各因素的具体范畴 1本案例是在Amos7 中完成的。 2见 spss数据文件“处理后的数据 .sav”。建筑结构模型设计中的选型与设计
“制作DNA分子双螺旋结构模型”教学设计
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