CN104183192B - 建筑结构受力光学演示模型 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种建筑结构受力光学演示模型，包括建筑物实体结构框架，所述建筑物实体结构框架包括设置在地面上的基础骨架、设置在基础骨架之上的至少四根立柱骨架，相邻立柱骨架之上设置有横梁骨架、横梁骨架之上通过立柱骨架设置有屋顶骨架，还包括设置在建筑物实体结构框架各个部分的多个演示灯、演示灯带，所述的演示灯、灯带经开关电路与电源电连接。所述的开关电路中设置有延时继电器。通过对各个演示灯、演示灯带的通电发光和逐次明灭，以直观方式演示建筑物结构力学知识点，直观展示基本受力情况、受力变形情况，实现理论与实际相结合的教学模式。

Description

建筑结构受力光学演示模型

技术领域

本发明涉及建筑专业教学实训系统，具体涉及一种建筑结构受力演示模型。

背景技术

高校建筑专业教学中涉及建筑物建筑力学课程，教学内容主要有：建筑物的不同部位基本受力情况，例如建筑物的柱、梁、屋顶、地面等部位受力情况；建筑物受到各种力时，力的传递路径和变形情况；具体而言涉及到：梁的集中荷载、梁的均布荷载、悬挑梁集中荷载、悬挑梁均布荷载、柱的轴心受压、柱的小偏心受压、框架结构体系传力、建筑物水平力应力情况等。

现有教学条件下，上述课程或教学内容均通过教师集中讲解，教学内容抽象，与实际建筑物联系不紧密，教学不够直观，理论与工程实际脱离，影响学生理解和掌握知识点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种建筑结构受力光学演示模型，能够以直观方式演示建筑物结构力学知识点，直观展示基本受力情况、受力变形情况，实现理论与实际相结合的教学模式。

为解决上述技术问题，本发明的建筑结构受力光学演示模型，包括建筑物实体结构框架，所述建筑物实体结构框架包括设置在地面上的基础骨架、设置在基础骨架之上的至少四根立柱骨架，相邻立柱骨架之上设置有横梁骨架、横梁骨架之上通过立柱骨架设置有屋顶骨架，还包括沿基础骨架布置的多个基础荷载演示灯，在所述的立柱骨架内自上而下设置有多组建筑内力荷载演示灯；还包括设置在立柱骨架内的至少一条立柱小偏心受压演示灯带；所述的横梁骨架设置有多个横梁均布荷载演示灯，还包括设置在横梁骨架之上的横梁集中荷载演示灯；所述的横梁骨架内沿其走向设置有横梁一级荷载变形曲线演示灯和至少一条横梁二级荷载变形曲线演示灯；所述立柱骨架与横梁骨架结合部位设置有弯矩受力演示灯；在屋顶骨架之上沿其走向设置有多个屋顶荷载演示灯；所述的演示灯、灯带经开关电路与电源电连接。

还包括设置在所述建筑物实体结构框架上的悬挑梁骨架，至少一个悬挑梁骨架上方沿其走向设置有多个悬挑梁均布荷载演示灯，悬挑梁骨架上方还设置有悬挑梁集中荷载演示灯，悬挑梁骨架上还设置有悬挑梁一级载荷变形演示灯，悬挑梁一级载荷变形演示灯下方设置有悬挑梁二级载荷变形演示灯。

还包括设置在建筑物实体结构框架一侧的多个水平外力演示灯，在水平外力演示灯对侧的建筑物实体结构框架内设置有多个水平反力演示灯。

所述的开关电路中设置有延时继电器。

本发明的建筑结构受力光学演示模型，通过开关电路控制各演示灯、灯带通电或断电，实现各演示灯、灯带逐次明灭，以光学模式直观展示基础、立柱、横梁、屋顶等部位的基本受力情况，实现理论与实物相结合，充分提高教学效果；还可直观展示建筑物在自重、外力等影响的受力变形情况。

附图说明

图1是本发明中建筑物实体结构框架部分的示意图(建筑结构北立面图)；

图2是图1的左视图(建筑结构东立面图)；

图3是图1的①-①线剖视图(建筑结构的①轴立面图)；

图4是图1的②-②线剖视图(建筑结构的②轴立面图)；

图5是图1的③-③线剖视图(建筑结构的③轴立面图)；

图6是图1的④-④线剖视图(建筑结构的④轴立面图)；

图7是图1的⑤-⑤线剖视图(建筑结构的⑤轴立面图)；

图8是本发明中建筑物结构框架部分的立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明通过在建筑物实体结构框架的不同部分设置演示灯、灯带，由开关电路对其进行控制，实现演示灯、灯带逐次明灭，从而直观的展示建筑物的受力状态、力的传递以及建筑物在荷载(自重及外力)影响下的受力情况与变形趋势。

为了满足教学需要，本发明中，按照1:1比例建立一座全框架钢筋骨架结构的建筑物模型，并严格按照建筑规范要求和G101图集要求施工、安装，展示建筑物内在结构特点；该建筑物模型内还可安装消防系统、给排水系统、建筑电气系统、应急照明系统、门禁系统、通风空调系统、智能建筑系统、监控系统等。

如图1至图7可见，所述建筑物实体结构框架模拟一座二层小楼，其包括设置在地面上的基础骨架1，具体包括独立基础、条形基础、筏形基础及桩基承台，沿基础骨架1的走向布置有多个基础荷载演示灯10。

如图8可见，基础骨架1之上设置有若干立柱骨架2，在立柱骨架2内自上而下设置的多组建筑内力荷载演示灯20，所述的立柱骨架2内还设置有立柱小偏心受压演示灯带21，必要的情况下，立柱小偏心受压演示灯带21可以设置多条，互相同心但弧度依次增大。

相邻立柱骨架2之上设置有横梁骨架3，所述横梁骨架3之上沿其走向设置有多个横梁均布荷载演示灯30、多个横梁均布荷载演示灯30上方设置横梁集中荷载演示灯31，立柱骨架2与横梁骨架3结合部位设置有弧形的弯矩受力演示灯230。

横梁骨架3之上通过立柱骨架2设置有屋顶骨架4。在屋顶骨架4之上沿其走向设置多个屋顶荷载演示灯40。

以上部分根据教学需要，安装包含基础、梁、板、柱、屋顶等建筑元素的建筑实体框架模型，为了保证强度，该建筑框架模型设置有内骨架。该模型是可扩展的，可根据教学需要增加楼梯、挑梁等结构，光学指示设备相应增加。

实施例1——梁的集中荷载演示模块

在全框架钢结构二层楼中，选一个横梁骨架3作为演示用梁，横梁骨架3上安装一个红色演示灯作为横梁集中荷载演示灯31、二个橙色演示灯作为弯矩受力演示灯230、一条黄色灯带作为一级荷载变形曲线演示灯32、一条红色灯带作为横梁二级荷载变形曲线演示灯33。

所述横梁集中荷载演示灯31包括上下两个光源，通过两套电路控制以实现横梁集中荷载演示灯31按照上半部分、下半部分各成一组演示。

所述的演示灯、灯带分别经开关电路与电源电连接。具体而言，横梁集中荷载演示灯31的上半部分、下半部分各通过一条电路控制，二个橙色演示灯作为弯矩受力演示灯230、一条一级荷载变形曲线演示灯32、一条横梁二级荷载变形曲线演示灯33各通过一条电路控制。

梁的集中荷载演示具体如下；

第一步：红色演示灯(横梁集中荷载演示灯31)亮下面1/2部分；

第二步：延时几秒，二个橙色演示灯(弯矩受力演示灯230)点亮；

第三步：延时几秒，黄色灯带(一级荷载变形曲线演示灯32)点亮；

第四步：延时几秒，红色演示灯(横梁集中荷载演示灯31)亮上面另外1/2部分，表示集中荷载受力增大，受到二级荷载；

第五步：延时几秒，红色灯带(横梁二级荷载变形曲线演示灯33)点亮，同时黄色灯带(一级荷载变形曲线演示灯32)关闭；

第六步：延时几秒，所有点亮的演示灯全部关闭。

通过以上步骤，来动态演示梁的集中荷载受力变形情况。

本发明中，各个演示灯、灯带分别通过开关电路进行控制，教师演示过程中，通过开关控制各演示灯的通电和断电，从而演示力的分布、传递等过程。

本发明中，所述的每个演示灯或演示灯带的电路中可以设置延时继电器，各个光源根据需要依次通电点亮、延时或断电熄灭，从而实现模拟自动化，并通过光源变化演示力的传递情况。

例如，横梁集中荷载演示灯31的下半部分、弯矩受力演示灯230、一级荷载变形曲线演示灯32、横梁集中荷载演示灯31上半部分、一级荷载变形曲线演示灯32、横梁二级荷载变形曲线演示灯33的对应电路内均设置延时继电器，通电时间、延时时间均按照上述顺序进行设置，即可达到先后顺序及通电时间的要求。

实施例2——梁的均布荷载演示模块

如图3至图8可见，在建筑物实体结构框架中，选一个梁作为演示用梁，梁上安装六个黄色演示灯作为横梁均布荷载演示灯30、二个橙色演示灯作为弯矩受力演示灯230、一条黄色灯带作为横梁一级荷载变形曲线演示灯32、一条红色灯带作为和横梁二级荷载变形曲线演示灯33。

所述的演示灯、灯带经开关电路与电源电连接。

所述横梁均布荷载演示灯30包括上下两个光源，相应的通过两条电路控制。

梁的均布荷载演示具体如下；

第一步：六个黄色演示灯(横梁均布荷载演示灯30)亮下面1/2部分；

第二步：延时几秒，二个橙色演示灯(弯矩受力演示灯230)通电发光；

第三步：延时几秒，黄色灯带(横梁一级荷载变形曲线演示灯32)通电发光；

第四步：延时几秒，六个黄色演示灯(横梁均布荷载演示灯30)亮上面另外1/2部分，表示均布荷载受力增大，受到二级荷载；

第五步：延时几秒，红色灯带(横梁二级荷载变形曲线演示灯33)通电发光，同时黄色灯带(横梁一级荷载变形曲线演示灯32)关闭；

第六步：延时几秒，所有通电发光的演示灯全部关闭。

通过以上步骤可动态演示梁的均布荷载受力变形情况。

所述开关电路中设置延时继电器，在所有电路全部总电源接通的前提下，各演示灯、演示灯带的通电时间、通电延续时间由多个延时继电器配合实现。

实施例3——悬挑梁集中荷载演示模块

如图5可见，选一个悬挑梁骨架作为演示用梁，悬挑梁骨架7上安装一个红色演示灯作为悬挑梁集中荷载演示灯71、一个橙色演示灯作为弯矩受力演示灯230、一条蓝色灯带作为悬挑梁一级载荷变形演示灯72、一条黄色灯带作为悬挑梁二级载荷变形演示灯73。

所述的演示灯、灯带经开关电路与电源电连接。

所述悬挑梁集中荷载演示灯71包括上下两个光源，相应的通过两条电路控制。

悬挑梁的集中荷载演示具体如下；

第一步：红色演示灯(悬挑梁集中荷载演示灯71)亮下面1/2部分；

第二步：延时几秒，橙色演示灯(弯矩受力演示灯230)亮起；

第三步：延时几秒，蓝色灯带(悬挑梁一级载荷变形演示灯72)亮起；

第四步：延时几秒，红色演示灯(悬挑梁集中荷载演示灯71)亮上面另外1/2部分，表示集中荷载受力增大，受到二级荷载；

第五步：延时几秒，黄色灯带(悬挑梁二级载荷变形演示灯73)亮起，同时蓝色灯带(悬挑梁一级载荷变形演示灯72)关闭；

第六步：延时几秒，所有亮起的演示灯全部关闭；

通过以上步骤，来动态演示悬挑梁的集中荷载受力变形情况。

实施例4——悬挑梁均布荷载演示模块

如图5可见，本实施例中悬挑梁骨架7上方沿其走向设置安装六个黄色演示灯作为悬挑梁均布荷载演示灯70、一个橙色演示灯作为弯矩受力演示灯230、一条蓝色灯带作为悬挑梁一级载荷变形演示灯72、一条黄色灯带作为悬挑梁二级载荷变形演示灯73。

悬挑梁均布荷载演示灯70设置上下两个光源，可以分别通电发光，相应的通过两条电路控制。

悬挑梁的均布荷载演示具体如下；

第一步：黄色演示灯(悬挑梁均布荷载演示灯70)亮下面1/2部分；

第二步：延时几秒，橙色演示灯(弯矩受力演示灯230)通电发光；

第三步：延时几秒，蓝色灯带(悬挑梁一级载荷变形演示灯72)通电发光；

第四步：延时几秒，黄色演示灯(悬挑梁均布荷载演示灯70)亮上面另外1/2部分，表示均布荷载受力增大，受到二级荷载；

第五步：延时几秒，黄色灯带(悬挑梁二级载荷变形演示灯73)通电发光，同时蓝色灯带(悬挑梁一级载荷变形演示灯72)关闭；

第六步：延时几秒，所有通电发光的演示灯全部关闭；

通过以上步骤，来动态演示悬挑梁的均布荷载受力变形情况。

实施例5——柱的轴心受压演示模块

如图3至图8可见，在全框架结构二层楼中，选一个立柱骨架2作为演示用柱，立柱骨架2上沿轴心从上向下按顺序安装四组高亮度白色演示灯作为建筑内力荷载演示灯20。

柱的轴心受压演示具体如下：

第一步：立柱骨架2的最上面一组白色演示灯通电发光，表示立柱受到轴心受压。

第二步：延时几秒，立柱骨架2上面第二组白色演示灯通电发光，表示柱的轴心受压向下传递。

第三步：延时几秒，立柱骨架2上面第三组白色演示灯通电发光，表示柱的轴心受压继续向下传递。

第四步：延时几秒，立柱骨架2上面第四组白色演示灯通电发光，表示柱的轴心受压继续向下传递。

第五步：延时几秒，立柱骨架2上四组演示灯全部关闭。

本发明中，各演示灯、灯带延时时长3至5秒为宜。

实施例6——柱的小偏心受压演示模块

如图6、图7可见，在全框架钢结构二层楼中，选一个立柱骨架2作为演示用柱，立柱骨架2上沿轴心向下顺序安装七组高亮度白色演示灯作为建筑内力荷载演示灯20，立柱骨架2与横梁骨架3结合部位设置一个弧形的橙色演示灯作为弯矩受力演示灯230，立柱骨架2上设置一条红色灯带作为立柱小偏心受压演示灯带21。

柱的小偏心受压演示具体如下：

第一步：立柱骨架2的最上面一组白色演示灯通电发光，表示立柱受到小偏心受压。

第二步：延时几秒，立柱骨架2上面第二组白色演示灯通电发光，表示立柱的小偏心受压向下传递。

第三步：延时几秒，立柱骨架2上面第三组白色演示灯通电发光，表示立柱的小偏心受压继续向下传递。

第四步：延时几秒，二层楼上的橙色演示灯(弯矩受力演示灯230)通电发光，表示柱的小偏心受压传递到二层楼时，产生弯矩力。

第五步：延时几秒，立柱骨架2上面第四组白色演示灯通电发光，表示柱的小偏心受压继续向下传递。

第六步：延时几秒，柱上面第五组白色演示灯通电发光，表示柱的小偏心受压继续向下传递。

第七步：延时几秒，柱上面第六组白色演示灯通电发光，表示柱的小偏心受压继续向下传递。

第八步:延时几秒，柱上面第七组白色演示灯通电发光，表示柱的小偏心受压继续向下传递。

第九步：延时几秒，红色灯带(立柱小偏心受压演示灯带21)通电发光，表示立柱受压弯曲变形。

第十步：延时几秒，所有演示灯全部关闭。

通过以上步骤，来动态演示柱的小偏心受压传递、变形情况。

实施例7——框架结构体系传力的演示模块

如图3至图8可见，建筑物结构框架设计为全框架钢筋骨架结构二层楼，沿着二层楼屋顶骨架四周安装46个高亮度黄色演示灯作为屋顶荷载演示灯40、二层楼所有立柱骨架从上到下按顺序安装七组高亮度白色演示灯作为建筑内力荷载演示灯20、二层楼外围梁的四周安装36个高亮度黄色演示灯作为横梁均布荷载演示灯30、桩基地面上沿四周安装48个高亮度蓝色演示灯作为基础荷载演示灯10。

框架结构体系传力的具体演示如下：

第一步：屋顶骨架四周46个高亮度黄色演示灯(屋顶荷载演示灯40)通电发光；

第二步：延时几秒，二层楼所有立柱骨架上最上面一组高亮度白色演示灯(建筑内力荷载演示灯20)通电发光；

第三步：延时几秒，二层楼所有立柱骨架上第二组高亮度白色演示灯(建筑内力荷载演示灯20)通电发光；

第四步：延时几秒，二层楼所有立柱骨架上第三组高亮度白色演示灯(建筑内力荷载演示灯20)通电发光；

第五步：延时几秒，二层楼外围梁的四周安装的36个高亮度黄色演示灯(横梁均布荷载演示灯30)通电发光；

第六步：延时几秒，二层楼所有立柱骨架上第四组高亮度白色演示灯(建筑内力荷载演示灯20)通电发光；

第七步：延时几秒，二层楼所有立柱骨架上第五组高亮度白色演示灯(建筑内力荷载演示灯20)通电发光；

第八步：延时几秒，二层楼所有立柱骨架上第六组高亮度白色演示灯(建筑内力荷载演示灯20)通电发光；

第九步：延时几秒，二层楼所有立柱骨架上第七组高亮度白色演示灯(建筑内力荷载演示灯20)通电发光；

第十步：延时几秒，桩基地面上沿四周安装的48个高亮度蓝色演示灯基础荷载演示灯10通电发光。

第十一步：延时几秒，所有演示灯全部关闭。

通过以上步骤，来动态演示框架结构体系传力情况。

实施例8——水平外力受力演示模块

如图7可见，还包括设置在建筑物实体结构框架一侧的若干个水平外力演示灯8，在水平外力演示灯8对侧的建筑物实体结构框架内设置有多个水平反力演示灯80。

建筑全框架钢筋骨架结构取最外面2A柱、3A柱、3A柱三柱作为演示柱，在三柱最上面从上到下按顺序安装五组15个不同长度的高亮度绿色演示灯(表示水平外力演示灯8)，在二层楼结构13个柱子下部，每个柱子各安装一个高亮度绿色演示灯(表示水平反力演示灯80)。

建筑物水平力的具体演示如下：

第一步：第一组表示水平外力的15个高亮度绿色演示灯点亮；

第二步:延时几秒，第二组表示水平反力的13个高亮度绿色演示灯点亮；

第三步：延时几秒，所有点亮的演示灯关闭；

第四步：延时几秒，再次循环(按照从第一步--第三步循环)

通过以上步骤，来动态演示建筑物水平力的情况。

本发明包括但不限于上述实施方式，可以根据教学需要来对电源连接进行改装，以实现不同部分同时通电点亮，演示建筑物的受力情况。

Claims (4)

1.一种建筑结构受力光学演示模型，包括建筑物实体结构框架，所述建筑物实体结构框架包括设置在地面上的基础骨架（1）、设置在基础骨架（1）之上的至少四根立柱骨架（2），相邻立柱骨架（2）之上设置有横梁骨架（3）、横梁骨架（3）之上通过立柱骨架（2）设置有屋顶骨架（4），其特征在于：还包括沿基础骨架（1）布置的多个基础荷载演示灯（10），在所述的立柱骨架（2）内自上而下设置有多组建筑内力荷载演示灯（20）；还包括设置在立柱骨架（2）内的至少一条立柱小偏心受压演示灯带（21）；所述的横梁骨架（3）设置有多个横梁均布荷载演示灯（30），还包括设置在横梁骨架（3）之上的横梁集中荷载演示灯（31）；所述的横梁骨架（3）内沿其走向设置有横梁一级荷载变形曲线演示灯（32）和至少一条横梁二级荷载变形曲线演示灯（33）；所述立柱骨架（2）与横梁骨架（3）结合部位设置有弯矩受力演示灯（230）；在屋顶骨架（4）之上沿其走向设置有多个屋顶荷载演示灯（40）；所述的演示灯、灯带经开关电路与电源电连接。

2.如权利要求1所述的建筑结构受力光学演示模型，其特征在于：还包括设置在所述建筑物实体结构框架上的悬挑梁骨架（7），至少一个悬挑梁骨架（7）上方沿其走向设置有多个悬挑梁均布荷载演示灯（70），所述悬挑梁骨架（7）上方还设置有悬挑梁集中荷载演示灯（71），悬挑梁骨架（7）上还设置有悬挑梁一级荷载变形演示灯（72），悬挑梁一级荷载变形演示灯（72）下方设置有悬挑梁二级荷载变形演示灯（73）。

3.如权利要求1或2所述的建筑结构受力光学演示模型，其特征在于：还包括设置在建筑物实体结构框架一侧的多个水平外力演示灯（8），在水平外力演示灯（8）对侧的建筑物实体结构框架内设置有多个水平反力演示灯（80）。

4.如权利要求1或2所述的建筑结构受力光学演示模型，其特征在于：所述的开关电路中设置有延时继电器。