一种多功能刚架实验模型及实验方法技术

本发明专利技术提供一种多功能刚架实验模型及实验方法，该装置包括刚架结构、加载装置、支撑及约束装置和测量设备。刚架结构由不同组合方式的杆件和结点连接而成；加载装置包括蜗轮蜗杆加载装置、电动伺服加载装置和转角施加装置，实现对刚架结构的加载；支承及约束装置包括刚架结构的约束支承和反力框架，刚架结构的约束支撑包括固定铰支座、可动铰支座和可施加转角的固定支座；测量设备包括力传感器、应变片、转角传感器、百分表。该装置集结构力学实验模型、加载装置和测量装置于一体，根据实验内容需要可组装出不同的实验模型，用于进行不同的结构力学刚架实验，以验证结构力学相关理论。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于土木工程专业结构力学实验教学领域，涉及一种结构力学教学实验的装置，特别涉及多功能刚架实验模型。
技术介绍
结构力学是高等院校土木工程专业必修的学科，其研究对象主要是杆系结构，其具体任务包括研究结构在荷载等因素作用下的内力和位移的计算以及结构的组成规则和合理形式等问题。刚架结构在结构力学教学中占据着举足轻重的地位，利用刚架结构可以实现多种结构力学分析及求解方法的验证，使结构力学中的相关理论更具象与直观化的体现。虽然理论教学一直以来是高等院校结构力学的主要教学方法，但随着高等教育对实验教学的重视，开展结构力学实验也成为一种势在必行的趋势。实验验证能加深学生对理论知识的理解，在进行实验装置设计时，其设计原则是能充分验证结构力学中相关原理，但若一种实验装置兼具验证多种实验原理的功能，则将大大提升实验装置的创造性和实用性。本专利技术提供了多功能刚架实验模型，通过相同杆件和结点不同方式的组合连接和荷载布置，实现多种结构力学原理的验证，灵活转换，连接方便。本专利技术教学实验装置中的支撑及约束装置、加载装置与本课题组已经公开的中国专利(2015107123346一种将力法直观化的教学实验装置；2015107079593一种将位移法直观化的教学实验装置)中的内容相似，公开的内容在在整个装置中的仅起到加载和支撑的作用，不为本专利技术的创新结构，本专利技术的刚架结构包括两种结构，与之前专利公开的内容完全不同；刚架结构可根据需要自主设计，不同数量、不同形式的杆件和结点组成不同形式的模型，用于进行不同的结构力学刚架实验，以验证结构力学相关理论，杆件和结点可重复使用。可验证的结构力学相关理论包括：1)刚架几何组成分析；2)结构内力分布；3)刚架主从结构判定；4)功的互等定理；5)探究柔度系数之间的关系；6)非荷载因素对结构的影响。
技术实现思路
针对现有技术的不足，改变目前结构力学教学中缺少相关实验内容的现状，专利技术一种可实现多种结构力学原理的多功能刚架实验模型，该教学实验装置能够实现结构力学教学内容的实验化，使学生在亲身实践和分析中，更深入地理解结构力学相关理论知识。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种多功能刚架实验模型包括刚架结构、刚架结构的约束支撑、支撑及约束装置、加载装置和测量设备。所述的刚架结构由杆件和结点连接而成，刚架结构分为两类，分别用于I类基本结构和II类基本结构。所述的杆件根据使用功能及制作工艺的不同分为柱式杆件和梁式杆件。所述的柱式杆件包括固接柱式杆件3d和铰接柱式杆件3a、3b、3c。所述的固接柱式杆件3d的杆身24的一侧与带有斜撑的圆形刚结点盘25焊接，保证固接柱式杆件3d与支座连接的刚度；固接柱式杆件3d的杆身24的另一侧自由端不作任何处理，根据刚度不同分为空心方杆、实心方杆和实心矩形杆。所述的铰接柱式杆件3a、3b、3c一端有一个通孔，另一端为自由端不作任何处理，根据刚度不同分为空心方杆、实心方杆和实心矩形杆。所述的梁式杆件4a、4b、4c、4d的杆身26一端与带有斜撑的L型刚结点夹具I 27焊接；L型刚结点夹具I 27通过螺栓与另一块形状相同的L型刚结点夹具II 5a、5b、5c、5d连接；梁式杆件4a、4b、4c、4d另一端为圆形接头，可与结点通过螺栓直接相连。所述的结点分为L型刚结点、铰结点、组合结点和一字型刚结点。L型刚结点由梁式杆件与柱式杆件连接处组合而成，具体实施方式为梁式杆件4a、4b、4c、4d上的焊接L型刚结点夹具I 27与L型刚结点夹具II 5通过螺栓与柱式杆件3a、3b、3c、3d进行夹持连接，通过这种方式可以保证柱式杆件刚度发生变化时L型刚结点的刚度随之改变，确保结点连接的合理性；铰结点由一对扇形铰结点片6a通过螺栓连接梁式杆件4a、4b而成，两扇形铰结点片可绕轴灵活转动；组合结点由一个扇形铰结点片6b与铰接柱式杆件3b通过螺栓组合而成，可根据需要与不同数量的杆件组合成不同类型的组合结点；一字型刚结点在刚架结构上的位置与铰结点一致，用于实施例中替换铰结点的位置形成约束更强的刚架结构，提高结构的灵活性；一字型刚结点由一个刚结点片6c通过螺栓连接梁式杆件4a、4b而成，具有和梁式杆件4a、4b相同的刚度。所述的用于I类基本结构的刚架结构具体为：所述的梁式杆件4a、4b的圆形接头一端通过铰结点的一对扇形铰结点片6a连接，梁式杆件4a、4b的另一端分别通过L型刚结点夹具5a、5b安装在铰接柱式杆件3a、3b上，安装时梁式杆件4a、4b、扇形铰结点片6a和L型刚结点夹具5a、5b组成的整体可沿铰接柱式杆件3a、3b的轴线方向上下调整高度，便于根据使用需要形成不同高度的刚架结构；梁式杆件4c一端通过组合结点的扇形铰结点片6b与铰接柱式杆件3b铰接连接，另一端通过L型刚结点夹具5c固接在铰接柱式杆件3c上。所述的用于II类基本结构的刚架结构具体为：所述的梁式杆件4d的一端通过L型刚结点夹具5d安装在铰接柱式杆件3d上，另一端与安装在牛腿22上的活动铰支座上，安装时梁式杆件4d和L型刚结点夹具5d组成的整体可通过牛腿22的移动沿固接柱式杆件3d的轴线方向上下调整高度，便于形成不同高度的刚架结构。所述的固接柱式杆件3d能够根据需要与方形垫块18a、18b、铰支座水平导轨19或者转动支座20连接。所述的铰接柱式杆件3a、3b、3c钻有通孔的一端能够与铰支座盘17a、17b、17c连接，铰支座盘17a、17b、17c能够根据需要与方形垫块18a、18b或铰支座水平导轨19连接。所述的梁式杆件4a与梁式杆件4b能够根据需要通过一对扇形铰结点片6a或刚结点片6c相连。模型可根据需要自主设计，不同数量、不同形式的杆件和结点组装成不同形式的刚架结构，杆件和结点可重复使用。所述的刚架结构的约束支承包括固定铰支座、活动铰支座和能够施加转角的固定支座；所述的固定铰支座和活动铰支座用于I类基本结构，所述的活动铰支座和能够施加转角的固定支座用于II类基本结构。所述的固定铰支座具体为：铰接柱式杆件3a、3b的一侧与铰支座盘17a、17b相连，铰支座盘17a、17b通过螺栓与方形垫块18a、18b连接，方形垫块18a、18b通过螺栓与小车平台21b、21c相连，形成固定铰支座，所述的小车平台21b、21c安装在反力架1的下横梁上。所述的活动铰支座具体为：所述的铰接柱式杆件3c或梁式杆件4d与铰支座盘17c相连，铰支座盘17c通过螺栓与铰支座水平导轨19相连，铰支座水平导轨19通过螺栓与小车平台21d或牛腿22相连，形成活动铰支座；所述的小车平台21d安装在反力架1的下横梁上，所述的牛腿22通过小车平台21h安装在反力架1的一侧立柱上。所述的能够施加转角的固定支座具体为：所述的固接柱式杆件3d通过螺栓与转动支座20相连，转动支座20通过螺栓与矩形垫板16相连，矩形垫板16通过螺栓与小车平台21f相连，小车平台21f安装在反力架1的下横梁上，形成能够施加转角的固定支座；所述的转动支座20能够在平行于刚架结构的平面上施加一定的转角。所述的加载装置包括蜗轮蜗杆加载装置、电动伺服加载装置和转角施加装置，根据需要选取其中一种或两种加载装置进行刚架结构的加载和卸载。蜗轮蜗杆加载装置和电动伺服加载装置功能相同，可替换使用，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能刚架实验模型，其特征在于，所述的多功能刚架实验模型包括刚架结构、刚架结构的约束支承、支撑及约束装置、加载装置和测量设备；所述的刚架结构由杆件和结点连接而成，不同数量、不同形式的杆件和结点组装成不同形式的刚架结构；所述的刚架结构分为两类，分别用于I类基本结构和II类基本结构；所述的杆件分为柱式杆件和梁式杆件；所述的柱式杆件包括固接柱式杆件(3d)和铰接柱式杆件(3a、3b、3c)；所述的结点分为L型刚结点、铰结点、组合结点和一字型刚结点；所述的用于I类基本结构的刚架结构具体为：所述的梁式杆件(4a、4b)的圆形接头一端通过铰结点的一对扇形铰结点片(6a)连接，另一端分别通过L型刚结点夹具(5a、5b)安装在铰接柱式杆件(3a、3b)上；梁式杆件(4a、4b)、扇形铰结点片(6a)和L型刚结点夹具(5a、5b)组成的整体能够沿铰接柱式杆件(3a、3b)的轴线方向上下调整高度，用于形成不同高度的刚架结构；梁式杆件(4c)一端通过组合结点的扇形铰结点片(6b)与铰接柱式杆件(3b)铰接连接，另一端通过L型刚结点夹具(5c)固接在铰接柱式杆件(3c)上；所述的用于II类基本结构的刚架结构具体为：所述的梁式杆件(4d)的一端通过L型刚结点夹具(5d)安装在铰接柱式杆件(3d)上，另一端安装在牛腿(22)的活动铰支座上，安装时梁式杆件(4d)和L型刚结点夹具(5d)组成的整体通过牛腿(22)的移动，沿固接柱式杆件(3d)的轴线方向上下调整高度，用于形成不同高度的刚架结构；所述的固接柱式杆件(3d)根据需要与方形垫块(18a、18b)、铰支座水平导轨(19)或者转动支座(20)连接；所述的铰接柱式杆件(3a、3b、3c)钻有通孔的一端与铰支座盘(17a、17b、17c)连接，铰支座盘(17a、17b、17c)根据需要与方形垫块(18a、18b)或铰支座水平导轨(19)连接；所述的梁式杆件(4a)与梁式杆件(4b)根据需要通过一对扇形铰结点片(6a)或刚结点片(6c)相连；所述的刚架结构的约束支承包括固定铰支座、活动铰支座和能够施加转角的固定支座；所述的固定铰支座和活动铰支座用于I类基本结构，所述的活动铰支座和能够施加转角的固定支座用于II类基本结构；所述的固定铰支座为：铰接柱式杆件(3a、3b)的一侧与铰支座盘(17a、17b)相连，铰支座盘(17a、17b)与方形垫块(18a、18b)连接，方形垫块(18a、18b)与小车平台(21b、21c)相连，形成固定铰支座，所述的小车平台(21b、21c)安装在反力架(1)的下横梁上；所述的活动铰支座为：所述的铰接柱式杆件(3c)或梁式杆件(4d)与铰支座盘(17c)相连，铰支座盘(17c)与铰支座水平导轨(19)相连，铰支座水平导轨(19)与小车平台(21d)或牛腿(22)相连，形成活动铰支座；所述的小车平台(21d)安装在反力架(1)的下横梁上，所述的牛腿(22)通过小车平台(21h)安装在反力架(1)的一侧立柱上；所述的能够施加转角的固定支座为：所述的固接柱式杆件(3d)与转动支座(20)相连，转动支座(20)与矩形垫板(16)相连，矩形垫板(16)与小车平台(21f)相连，小车平台(21f)安装在反力架(1)的下横梁上，形成能够施加转角的固定支座；所述的转动支座(20)在平行于刚架结构的平面上施加转角；所述的加载装置包括蜗轮蜗杆加载装置、电动伺服加载装置或转角施加装置；所述的蜗轮蜗杆加载装置和电动伺服加载装置功能相同，能够替换使用，用于I类、II类基本结构；所述的转角施加装置用于II类基本结构；所述的支承及约束装置包括反力框架和刚架结构的约束支承；所述的反力框架中的反力架(1)由内置导轨的上下两个横梁和内置导轨的左右两个立柱组成，每个横梁和立柱上能够固定小车平台及牛腿(22)；所述的测量设备包括力传感器(8a、8b)、应变片、转角传感器(28)和百分表(32a、32b、32c)；所述的力传感器(8a、8b)用于测得蜗轮蜗杆升降机(7)或电动缸(12)对刚架结构所施加的荷载值；应变片粘贴在杆件两侧不同位置；转角传感器(28)测得转角施加装置施加在支座处的转角；百分表(32a、32b、32c)测得刚架结构某点的水平或竖向位移；所述的测量设备均通过数据采集分析系统与计算机连接，通过计算机对各项数据进行实时监测。...

【技术特征摘要】
1.一种多功能刚架实验模型，其特征在于，所述的多功能刚架实验模型包括刚架结构、刚架结构的约束支承、支撑及约束装置、加载装置和测量设备；所述的刚架结构由杆件和结点连接而成，不同数量、不同形式的杆件和结点组装成不同形式的刚架结构；所述的刚架结构分为两类，分别用于I类基本结构和II类基本结构；所述的杆件分为柱式杆件和梁式杆件；所述的柱式杆件包括固接柱式杆件(3d)和铰接柱式杆件(3a、3b、3c)；所述的结点分为L型刚结点、铰结点、组合结点和一字型刚结点；所述的用于I类基本结构的刚架结构具体为：所述的梁式杆件(4a、4b)的圆形接头一端通过铰结点的一对扇形铰结点片(6a)连接，另一端分别通过L型刚结点夹具(5a、5b)安装在铰接柱式杆件(3a、3b)上；梁式杆件(4a、4b)、扇形铰结点片(6a)和L型刚结点夹具(5a、5b)组成的整体能够沿铰接柱式杆件(3a、3b)的轴线方向上下调整高度，用于形成不同高度的刚架结构；梁式杆件(4c)一端通过组合结点的扇形铰结点片(6b)与铰接柱式杆件(3b)铰接连接，另一端通过L型刚结点夹具(5c)固接在铰接柱式杆件(3c)上；所述的用于II类基本结构的刚架结构具体为：所述的梁式杆件(4d)的一端通过L型刚结点夹具(5d)安装在铰接柱式杆件(3d)上，另一端安装在牛腿(22)的活动铰支座上，安装时梁式杆件(4d)和L型刚结点夹具(5d)组成的整体通过牛腿(22)的移动，沿固接柱式杆件(3d)的轴线方向上下调整高度，用于形成不同高度的刚架结构；所述的固接柱式杆件(3d)根据需要与方形垫块(18a、18b)、铰支座水平导轨(19)或者转动支座(20)连接；所述的铰接柱式杆件(3a、3b、3c)钻有通孔的一端与铰支座盘(17a、17b、17c)连接，铰支座盘(17a、17b、17c)根据需要与方形垫块(18a、18b)或铰支座水平导轨(19)连接；所述的梁式杆件(4a)与梁式杆件(4b)根据需要通过一对扇形铰结点片(6a)或刚结点片(6c)相连；所述的刚架结构的约束支承包括固定铰支座、活动铰支座和能够施加转角的固定支座；所述的固定铰支座和活动铰支座用于I类基本结构，所述的活动铰支座和能够施加转角的固定支座用于II类基本结构；所述的固定铰支座为：铰接柱式杆件(3a、3b)的一侧与铰支座盘(17a、17b)相连，铰支座盘(17a、17b)与方形垫块(18a、18b)连接，方形垫块(18a、18b)与小车平台(21b、21c)相连，形成固定铰支座，所述的小车平台(21b、21c)安装在反力架(1)的下横梁上；所述的活动铰支座为：所述的铰接柱式杆件(3c)或梁式杆件(4d)与铰支座盘(17c)相连，铰支座盘(17c)与铰支座水平导轨(19)相连，铰支座水平导轨(19)与小车平台(21d)或牛腿(22)相连，形成活动铰支座；所述的小车平台(21d)安装在反力架(1)的下横梁上，所述的牛腿(22)通过小车平台(21h)安装在反力架(1)的一侧立柱上；所述的能够施加转角的固定支座为：所述的固接柱式杆件(3d)与转动支座(20)相连，转动支座(20)与矩形垫板(16)相连，矩形垫板(16)与小车平台(21f)相连，小车平台(21f)安装在反力架(1)的下横梁上，形成能够施加转角的固定支座；所述的转动支座(20)在平行于刚架结构的平面上施加转角；所述的加载装置包括蜗轮蜗杆加载装置、电动伺服加载装置或转角施加装置；所述的蜗轮蜗杆加载装置和电动伺服加载装置功能相同，能够替换使用，用于I类、II类基本结构；所述的转角施加装置用于II类基本结构；所述的支承及约束装置包括反力框架和刚架结构的约束支承；所述的反力框架中的反力架(1)由内置导轨的上下两个横梁和内置导轨的左右两个立柱组成，每个横梁和立柱上能够固定小车平台及牛腿(22)；所述的测量设备包括力传感器(8a、8b)、应变片、转角传感器(28)和百分表(32a、32b、32c)；所述的力传感器(8a、8b)用于测得蜗轮蜗杆升降机(7)或电动缸(12)对刚架结构所施加的荷载值；应变片粘贴在杆件两侧不同位置；转角传感器(28)测得转角施加装置施加在支座处的转角；百分表(32a、32b、32c)测得刚架结构某点的水平或竖向位移；所述的测量设备均通过数据采集分析系统与计算机连接，通过计算机对各项数据进行实时监测。2.根据权利要求1所述的一种多功能刚架实验模型，其特征在于，所述的固接柱式杆件(3d)的杆身(24)的一侧与带有斜撑的圆形刚结点盘(25)焊接，保证固接柱式杆件(3d)与支座连接的刚度；固接柱式杆件(3d)的杆身(24)的另一侧自由端不作任何处理，根据刚度不同分为空心方杆、实心方杆和实心矩形杆；所述的铰接柱式杆件(3a、3b、3c)一端有一个通孔，另一端为自由端不作任何处理，根据刚度不同分为空心方杆、实心方杆和实心矩形杆；所述的梁式杆件(4a、4b、4c、4d)的杆身(26)一端与带有斜撑的L型刚结点夹具I(27)焊接；L型刚结点夹具I(27)通过螺栓与另一块形状相同的L型刚结点夹具II(5a、5b、5c、5d)连接；梁式杆件(4a、4b、4c、4d)另一端为圆形接头，与结点直接相连。3.根据权利要求1或2所述的一种多功能刚架实验模型，其特征在于，所述的L型刚结点由梁式杆件与柱式杆件连接处组合而成；所述的梁式杆件(4a、4b、4c、4d)上的焊接L型刚结点夹具I(27)与L型刚结点夹具II(5)与柱式杆件(3a、3b、3c、3d)进行夹持连接，保证柱式杆件刚度发生变化时L型刚结点的刚度随之改变；所述的铰结点由一对扇形铰结点片(6a)通过螺栓连接梁式杆件(4a、4b)而成，两扇形铰结点片能够绕轴灵活转动；组合结点由一个扇形铰结点片(6b)与铰接柱式杆件(3b)通过螺栓组合而成，能够根据需要与不同数量的杆件组合成不同类型的组合结点；一字型刚结点在刚架结构上的位置与铰结点一致，具有和梁式杆件(4a、4b)相同的刚度，用于替换铰结点的位置形成约束更强的刚架结构。4.将权利要求1或2或3所述的一种多功能刚架实验模型用于刚架几何组成分析实验其特征在于以下步骤：第一步，进行几何不变体系实验；1.1)组装单跨刚架结构，即在I类基本结构的基础上去除右侧铰接柱式杆件和梁式杆件，保留左侧两根铰接柱式杆件，再分别通过L型刚结点与两根梁式杆件相连，梁式杆件之间通过一对铰结点片相连；测量铰接柱式杆件和梁式杆件的长度和L型刚结点到蜗轮蜗杆加载位置及应变片贴片位置的间距，对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡力传感器和所有应变片测点，并记录百分表初始读数；所述的铰接柱式杆件为空心方杆；1.2)在蜗轮蜗杆加载位置处通过加载装置施加分级位移，待数据稳定后，记录百分表读数、力传感器读数和各测点应变值；加载装置加载到最高级位移后，对多功能刚架实验模型进行卸载；1.3)重复步骤1.2)至少三次；1.4)实验结束，拆卸...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈廷国，胡乔元，谢鹏，勾国勇，李映雪，任珵娇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21