生命保障仓 ——抗震安全桌设计说明书

12引言最近几年，地震频频发生。地震已成为影响人们正常生活的严重的自然灾害之一。人们几乎谈震色变。然而地震预报是世界公认的科学难题，在国内外都处于探索阶段。实践表明，目前所观测到的各种可能与地震有关的现象，都呈现出极大的不确定性；所做出的预报，特别是短临预报，主要是经验性的。因此平时做好防震避难工作是十分重要的。针对“震时是跑还是躲？”这个问题，中国地震局给出了回答：震时就近躲避，震后迅速撤离到安全的地方，是应急避震较好的办法。这是因为，震时预警时间很短，人又往往无法自主行动，再加之门窗变形等，从室内跑出十分困难；如果是在高楼里，跑出来更是不太可能的。所以当发生地震时，你正处于室内，就应蹲下，寻找掩护，利用写字台、书桌或者其他坚固家具下的空间，或者身子紧贴内部承重墙作为掩护，然后双手抓牢固定物体。一般地震发生后，被埋压者首先要进行自救，在寻找食物和水保持生存条件的同时发出求救信号。所以我们急需一种东西能够在发生地震的过程中给与我们保护，并在地震发生后，为被埋压者提供良好的生存条件，并且能让受难者尽快能被搜救到。3但由于一般的家具抗震能力有限，无法为人们提供有效的保护。而地震过后，被埋在东西下面的幸存者，又常常由于没有发出明显的求救信号而无法得到及时救援，因长时间缺水、缺食物或伤口得不到及时护理而生存机会渺茫。目前世界上也有设计了具有一定抗震能力的桌子。但是这些抗震桌结构比较简单，功能单一，只能抵抗从上而下的冲击。而在地震发生时，东西倒塌并没有什么规律可循，即使人们躲在具有防震能力的桌子底下，仍然有可能被四周的东西给割伤或砸伤。被埋压后，仍然会出现缺食物、缺水的情况，没有任何的求救系统，生存的几率并没有增加多少。所以急需开发一种具有抗震能力、在恶劣的地震环境中具有保护功能，同时具有求救系统的写字台、书桌。生命保障仓——抗震安全桌的设计理念正源于此生命保障仓——抗震安全桌的设计1设计理念与工作原理4图11.1设计理念1.1.1建立多道抗震防线。一般建筑结构的抗震能力依赖于结构各部分的吸能和耗能作用，在抗震结构体系中，吸收和消耗地震输入能量的各个部分称为抗震防线。如果抗震结构体系中，部分结构出现破坏降低或丧失抗震能力，而其余部分结构（或部件）能继续抵抗地震作用，称之多道抗震防线。抗震安全桌的设计正是吸取了这种理念。1.1.2优化空间避免受伤。通过结构的优化，空间的变化，让桌腹拥有较大的空间，让避难人员进入桌内可以斜卧在桌内，增大生存空间。1.1.3“仓”的理念。通过变形，让抗震安全桌变为一个相对密封的生命保障仓，尽量把人体与外界的危险环境隔开。1.1.4帮助脱险。设置声、光两种求救方式，能让受难者的尽快获救。1.1.5保证生存条件。桌内储存有食物、水、口罩、急救箱、密封袋等生存必需品，延长受难者的生存时间。1.2工作原理抗震安全桌是一种新型的拥有抗震避难功能的桌子，可用做书桌、办公桌和写字台，广泛运用于宿舍、办公室、家庭。5外观造型和基本功能与普通的书桌和办公桌相同，当地震发生时人可迅速躲入桌腹中，通过一个“关门”动作实现整个桌子的封闭，同时启动生命保障系统，形成一个“生命保障仓”，保护人体不受外界伤害。生命保障系统由封闭抗震系统、生存呼救系统组成。当地震发生时，人躲入桌腹中后，整个桌子可以迅速地封闭成密闭的空间，从而不仅增强了桌体的承重力，又能有效隔绝粉尘以免避险人员窒息,还能阻挡砖头、钢筋及其它硬物对人体的伤害。整个桌子多处利用三角钢架结构和缓冲结构为抗震桌提供了良好的抗震能力；内衬海绵，能减轻碰撞中人体受到的冲击。桌内的应急灯可在桌子闭合后自动亮起，位置合理的安全抽屉中常备有水、干粮、急救箱、收音机、口罩、密封袋、高频哨子，可延长避险人员的生存时间。尤为重要的是声光呼救器的设置，可以让避难者获救的几率大大增加。2主要结构尺寸国家标准GB10000——88《中国成人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国成人人体尺寸的基本数据。95%的男性坐高958mm，坐姿眼高847mm，95%的女性坐高901mm，坐姿眼高783mm。桌面长度1360mm，桌面宽度70mm，桌面离地高度80mm。拉板离地高度70mm。63封闭抗震系统的设计3.1联动封闭设计3.1.1拉板（键盘抽屉）下面有突起物可以挡住左侧板而不让左侧板落下。抽屉拉到作为键盘抽屉的长度（21cm）侧板不会落下，继续拉出抽屉拉时需较大的力，来克服这一位置滑槽的摩擦阻力。之后，抽屉不再挡住侧板，侧板受弹簧的弹力作用而打下封住桌子底面，并被锁住，不能反向翻起。同时键盘抽屉板封住桌子前侧（增强了桌子抵抗左右挤压和前后挤压的能力），并被锁住。这一设计避免避难人员受到从桌子底面与正面而来的伤害。图23.1.2在拉键盘抽屉的同时带动连杆滑块机构使两片由铰链链接7的桌面向中凸起在形成三角结构。这是多道抗震防线中的第一道。图33.1.3左侧板落下的同时，左边柜子的中间隔板也可以落下成为斜面，在增大桌内空间的同时，也能让避难者可以舒适地斜靠在斜板上。图483.2抗震结构设计3.2.1桌腿的套筒设计可以吸收重物冲击桌子的能量。当桌子受到从上落下的重物冲击时，套筒结构会首先被破坏，吸收一部分能量，从而保证桌子其余结构能继续抵抗地震作用。这是多道抗震防线中的第二道。图5现有国家标准中，居室净高不应低于2.5m。桌子受到从上到下的重物冲击时，所受的载荷为动载荷。设居室的屋顶居桌子的距离为h,重物从上到下的下落过程可以看成自由下落，于是冲击的动荷因数为stdhK211。EAFlstdA214其中F=7350N，l=0.75,E=210GPa,d=36㎜,h=2.5-0.8=1.7m9代入数据求得，85.17KdFFs41AFsst22052A㎜²代入数据，求得Mpast183.2.2桌面受从上落下的重物冲击的分析图6图7这种设计主要应对的是桌子受到从上而下的重物的冲击的情况。如图（3）中所示，冲击载荷作用于斜面，被分解为垂直于斜面的力和沿斜面的力。弹簧也起到的缓冲作用，吸收一部分能量。最后的力主要作用于三角形的底边上，即作用于抗拉杆上。这使得桌面能够承受更大的冲击。103.2.3当完成整个桌子的封闭后，两侧与后面的米字型形结构（如图7）可以加强桌子的多面抗震能力。拉板盖住桌子前面后也起到加固桌子的作用，增强桌子的抗压能力。图83.2.4承重桌腿内移。靠内的四条承重桌腿为高强度的圆管钢件，使载荷分布更加合理。桌面可以简化为图9所示均布载荷作用下的简支梁，11图9若将两端支座各向里移动0.2l，则最大弯矩减小为llMqq22max025.040只及前者的51。也就是说按图5布置支座，载荷即可提高4倍。3.2.5前后增加了四条斜支撑杆使桌子的中间能够承受更大的从上方而来的压力。如图8图104设计计算4.1桌子底部受力分析由于底板主要作用是用于封住而避免人体受到锐物、破碎混凝土突起的伤害，所以选用高强度、高韧性的尼龙板。4.2桌子受上下压力分析12建筑结构何在规范GB50009-2001中第52规定钢筋混凝土自重24～25KN/M3，约2551Kg/m3.我们假设桌子在地震总需承重3000kg。为了保证桌子的安全，留出一定的承重余力，我们计算由四条承重腿承重3000kg。45钢，σs=350MPa，σp=280MPa,E=210GPa,L=775mm,求截面压杆稳定校核钢的稳定安全系数10~8nst，nFstcrFn在上式的稳定条件中取等号，则桌子腿的临界压力是NNFnFstcr73500735010（a）把桌腿看成一端固定，另一端自由的约束模型由欧拉公式求得临界压力为)75.02(10)(24922264)210(dlFPaEIcr(b)由（a）和(b)两式解出d=36㎜用确定的d计算桌腿的柔度137.1664367502il一般的钢1001由于1，所以前面用欧拉公式进行的计算是正确的。22Ecr代入数据，求得Mpacr5.74crst（这里的应力都是在静载荷的情况下求出来的，动应力等于静应力乘以动荷因数，因为它们的动荷因数一样，所以只需比较它们的静应力就可以了）所以破坏时，是剪切力先引起破坏。5生存呼救系统的设计5.1作用原理在桌子的四面装有信号灯（红色LED灯），在关闭仓门的同时，能自动亮起，不断地闪烁，从而增加受难人员在夜间的获救几率。桌内的四角也装有照明灯，在人员拉动拉板后可自动亮起，方便人在保障仓内找到所需物品（图）。电源为锂电池。桌子两侧装有声音呼救器可以不间断发出求救声音。左底层抽屉内常备有易于保存的压缩干粮、水、口罩、密封袋、药品和收音机，高频哨子。桌面底下，四面的侧板内侧都垫有海绵，以减轻撞击中对人体的伤害。145.2声音呼救器与灯光呼救器的选用只需将本闪光器，串联在供电电源的回路中，其闪烁频率约每分钟80-120次。并带有小型压敏讯响器，可发出蜂鸣声响声。价格：3元电压：12v5.3可充电锂电池的选用所选用的锂电池具有内阻小,容量大,循环次数多,无记忆效应等优点;内部电路为多重保护设计,能防止过充,过放,过流。价格：65元15输入电压：12.6VDC输出电压：12.6-10.8VDC电池容量：1800mAh尺寸：98mmx60mmx23mm5.4桌内照明灯的选用草帽头LED发光二极管价格：1元型号：LX-503XUC规格：4.8MM颜色：红电流：20mA电压：1.8-2.2选用4个这种LED足以照亮桌内。6成本分析及应用前景16尼龙面板100元钢材的价格100元其他材料与加工150元桌子单价350，批量生产后成本可大大下降。“5.12”给我们的记忆是惨痛的，据不完全统计，接近七万人在汶川地震中罹难，况且现在地震发生的频率越来越高，破坏程度越来越严重。正所谓“宁可千日不震，不可一日不防”，耳闻目睹多次大地震后，相信很多人现在都树立起防震意识。如果一般的办公用具具有一定的抗震能力，对于地震保护人身安全问题将是一个很好的解决方案。这一款的抗震桌，在具备良好的抗震避难功能的同时，还拥有美观大方的外形，并且在价格上与普通的书桌相差不多，是人们选择书桌、写字台、办公桌的首选。7慧鱼模型作品介绍变形前总体结构17变形后总体结构拉出键盘抽屉侧板落下封住地面中间隔板落下成为斜面18照明灯亮起求救灯亮起声音呼救器食物及药品19三角结构抗震米字型结构参考文献1.《理论力学》哈尔滨工业大学理论力学教研室高等教育出版社2．《材料力学》刘鸿文高等教育出版社3.《产品造型设计原理与方法》陈士俊等编天津大学出版社4.《机械原理》孙桓陈作模葛文杰西北工业大学机械原理及机械零件教研室高等教育出版社5.《机械设计》濮良贵纪名刚西北工业大学机械原理及机械零件教研室高等教育出版社6.《工程结构抗震设计》阎兴华韩淼中国计量出版社