CN106251745A - 一种多功能刚架实验模型及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种多功能刚架实验模型及实验方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。本发明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。

本发明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，不为本发明的创新结构，本发明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。

发明内容

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，发明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，本发明的技术方案如下：

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，用于I类、II类基本结构，转角施加装置用于II类基本结构。

所述的蜗轮蜗杆加载装置包括蜗轮蜗杆升降机7、加载杆10a、球铰9和杆件夹具11a；所述的蜗轮蜗杆升降机7的一端通过螺栓与小车平台21a固定连接，小车平台21a通过滑块安装到反力架1导轨上，蜗轮蜗杆升降机7的另一端通过螺纹与力传感器8a连接，蜗轮蜗杆升降7通过旋转手轮对刚架结构施加荷载；所述的力传感器8a通过螺纹与球铰9连接，球铰9通过螺纹与加载杆10a连接，加载杆10a通过螺纹与杆件夹具11a连接，球铰9通过其自身的自由转动避免加载装置对刚架结构产生弯矩的影响；杆件夹具11a包括销钉30、加载杆连接件29和两块不同大小的杆件夹片31，大的杆件夹片31和加载杆连接件29的一侧有销孔，二者通过销钉连接；杆件垂直穿过两块杆件夹片31形成的凹槽，每块杆件夹片31上有四个螺栓孔，通过螺栓将矩形薄壁杆件和杆件夹片连接；杆件夹具11a可以实现加载装置与梁式杆件或柱式杆件连接，同时通过杆件夹具11a销结构避免弯矩传递。通过蜗轮蜗杆加载装置，实现对刚架结构的加载与卸载，蜗轮蜗杆加载装置可手动控制施加拉力和压力，通过力传感器8a在计算机上显示所加荷载，实现刚架结构的加载与卸载。

所述的电动伺服加载装置包括电动缸12、加载杆10b和杆件夹具11b。所述的电动缸12底座配有连接板，通过螺栓与小车平台21g固定连接，电动缸12顶部通过螺纹与力传感器8b连接，力传感器8b通过螺纹与加载杆10b连接，加载杆10b通过螺纹与杆件夹具11b连接，杆件夹具11b能够实现加载装置与杆件的连接。电动缸12通过控制台自动施加荷载，灵活方便，实现对刚架结构的加载和卸载。

所述的转角施加装置包括丝杠减速机13、扭矩传感器14和垫板16。所述的扭矩传感器14一端通过螺栓与转动支座20相连，另一端插入丝杠减速机13内；丝杠减速机13通过螺栓安装到矩形垫板16上；矩形垫板16通过螺栓与转动支座20下部相连，保证转角施加装置与转动支座20在相同高度处运行。所述的转角施加装置通过对刚架结构固接柱式杆件3d上的圆形刚结点盘25施加扭矩，使刚架结构在结点处产生角位移，通过转角传感器28可测出角位移数值；转角施加装置还可用于约束刚架结构在固接柱式杆件的转动，通过扭矩传感器14可测出刚架结构在结点处产生的扭矩。

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。

所述的反力框架为“L”形刚架、门形刚架等多种形式，包括反力架1、底座2和活动立柱23；所述的底座2固定于反力架1的下横梁下部，用于支撑整个装置；所述的活动立柱23通过螺栓与小车平台21e连接，小车平台21e滑块与反力架1下横梁连接，活动立柱23能够沿着反力架1下横梁导轨左右滑动；所述的反力架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，通过所测应变值计算杆件内力大小；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；以上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。

上述多功能刚架实验模型能够根据需要自主设计，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。

上述多功能刚架实验模型能够用于刚架几何组成分析实验、结构内力分布实验、刚架主从结构判定实验、功的互等定理实验、探究柔度系数之间的关系实验、非荷载因素对结构的影响实验、力法实验，具体实施步骤如下：

当上述多功能刚架实验模型用于刚架几何组成分析实验时，具体步骤如下：

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，只保留左侧两根铰接柱式杆件(空心方杆)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。

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，拆卸模型，统计分析数据，得出结论。

第二步，进行几何可变体系实验。

按照步骤1.1组装实验模型，并将模型右侧垫块换成铰支座水平导轨，其余步骤与步骤1.1～步骤1.4一致。

第三步，进行有多余约束的几何不变体系实验。

按照步骤1.1组装实验模型，并将模型一对铰结点片换成刚结点片，其余步骤与步骤1.1～步骤1.4一致。

第四步，将三种体系的试验结果进行对比分析，得出几何可变体系与几何不变体系的区别。

当上述多功能刚架实验模型用于结构内力分布实验时，具体步骤如下：

第一步，进行静定结构内力分布实验。

2.1)与步骤1.1一致。

2.2)在蜗轮蜗杆加载位置处通过加载装置施加分级荷载，待数据稳定后，记录力传感器读数和各测点应变值。加载装置加载到最高级荷载后，对模型进行卸载。

2.3)重复步骤2.2至少三次。

2.4)将模型最左侧的铰接柱式杆件(空心方杆)换成铰接柱式杆件(实心方杆)，重复步骤2.2～步骤2.3。

2.5)将模型最左侧的铰接柱式杆件(空心方杆)换成铰接柱式杆件(实心矩形杆)，重复步骤2.2～步骤2.3。

2.6)实验结束，统计分析数据，将实验结果进行对比，得出结论。

第二步，进行一次超静定结构内力分布实验。

3.1)按照步骤1.1组装实验模型，并将模型最左侧的铰接柱式杆件换成固接柱式杆件(空心方杆)，重复步骤2.2～步骤2.3。

3.2)将固接柱式杆件(空心方杆)换成固接柱式杆件(实心方杆)，重复步骤2.2～步骤2.3。

3.3)将固接柱式杆件(空心方杆)换成固接柱式杆件(实心矩形杆)，重复步骤2.2～步骤2.3。

3.4)与步骤2.6一致。

第三步，将两种结构的实验结果进行对比分析，得出杆件刚度的改变对静定结构与超静定结构内力分布的影响。

当上述多功能刚架实验模型用于刚架主从结构判定实验时，具体步骤如下：

第一步，组装双跨主从刚架结构，即按照I类基本结构形式组装实验模型，蜗轮蜗杆加载装置与最左侧铰接柱式杆件连接。测量铰接柱式杆件和梁式杆件的长度、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。

第二步，重复步骤2.2～步骤2.3。

第三步，拆卸蜗轮蜗杆加载装置，转移至右侧安装在反力架右立柱上，并将蜗轮蜗杆加载装置与最右侧铰接柱式杆件连接。测量L型刚结点到蜗轮蜗杆加载位置的间距，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。

第四步，重复步骤2.2～步骤2.3。

第五步，统计分析数据，得出静定主从刚架中基本部分和附属部分的内力传力区别。

当上述多功能刚架实验模型用于功的互等定理实验时，具体步骤如下：

第一步，按照II类基本结构形式组装实验模型。测量固接柱式杆件和梁式杆件的长度、L型刚结点到蜗轮蜗杆加载位置及电动伺服系统加载位置的间距、L型刚结点到各应变片贴片位置的间距，通过蜗轮蜗杆、电动伺服加载装置对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡力传感器、转角传感器和所有应变片测点。

第二步，在蜗轮蜗杆加载位置处通过加载装置对模型施加荷载F₁，在电动伺服系统加载位置处通过加载装置对模型施加荷载F₂。同时通过转角施加装置调整转动支座，使安装在转动支座上的转角传感器示数为零，通过扭矩传感器测出转动支座承受的扭矩，并记录各测点应变值。

第三步，拆卸蜗轮蜗杆加载装置和电动伺服加载装置，通过转角施加装置对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡转角传感器和所有应变片测点，记录百分表读数。

第四步，转动转角施加装置，使转角传感器读数为α，并记录此时安装在蜗轮蜗杆加载位置及电动伺服系统加载位置处的百分表读数S₁及S₂。

第五步，基于第四步的位移状态，利用功的互等定理计算出加载装置对模型施加荷载F₁和F₂时转动支座处的扭矩，并与第二步实验测得的扭矩值进行对比，验证功的互等定理。

当上述多功能刚架实验模型用于柔度系数相关性质实验时，具体步骤如下：

第一步，组装一次超静定模型，即在II类基本结构基础上去除转动支座，使固接柱式杆件直接固定在小车平台上。测量固接柱式杆件和梁式杆件的长度、L型刚结点到蜗轮蜗杆加载位置及电动伺服系统加载位置的间距、L型刚结点到各应变片贴片位置的间距。

第二步，拆卸蜗轮蜗杆加载装置，通过电动伺服加载装置对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡力传感器，记录蜗轮蜗杆加载装置加载点处百分表的读数。

第三步，对实验模型施加分级荷载，待数据稳定后，记录力传感器读数和百分表读数。加载装置加载到最高级荷载后，对模型进行卸载。

第四步，重新安装蜗轮蜗杆加载装置，拆卸电动伺服加载装置，对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡力传感器，记录电动伺服加载装置加载点处百分表的读数。

第五步，重复第三步的实验内容。

第六步，统计分析数据，得出柔度系数之间的关系。

当上述多功能刚架实验模型用于非荷载因素下结构内力分布实验时，具体步骤如下：

第一步，组装一次超静定模型，即在II类基本结构基础上去除蜗轮蜗杆加载装置和电动伺服加载装置，测量固接柱式杆件和梁式杆件的长度以及L型刚结点到各应变片贴片位置的间距，通过转角施加装置对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡转角传感器和所有应变片测点。

第二步，通过转角施加装置对多功能刚架实验模型施加支座分级角位移，待数据稳定后，记录转角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，对模型进行卸载。

第三步，重复第二步的实验内容至少三次。

第四步，实验结束，统计分析数据，得出非荷载因素下超静定结构的内力分布。

当上述多功能刚架实验模型用于力法实验时，具体步骤如下：

第一步，组装一次超静定模型，即在II类基本结构基础上去除电动伺服加载装置和转动支座，调整牛腿位置使固接柱式杆件固定在小车平台上。测量固接柱式杆件和梁式杆件的长度以及L型刚结点到各应变片贴片位置的间距、L型刚结点到蜗轮蜗杆加载位置的间距。

第二步，在蜗轮蜗杆加载位置处通过加载装置施加分级荷载，待数据稳定后，记录力传感器读数和各测点应变值。加载装置加载到最高级荷载后，对模型进行卸载。

第三步，拆卸模型的可动铰支座，将百分表置于原可动铰支座位置处，重复第二步的实验内容，并记录百分表读数。

第四步，将蜗轮蜗杆加载装置与杆件的连接位置转移至原可动铰支座位置处，通过加载装置施加分级位移，待数据稳定后，记录力传感器读数、百分表读数和各测点应变值。加载装置加载到最高级位移后，对模型进行卸载。

第五步，通过第三步和第四步静定结构得出的应变值绘制弯矩图，根据位移协调条件进行弯矩图叠加，并与第二步得出的结果进行对比，通过力法原理求解超静定结构内力。

本发明的有益效果是：多功能刚架实验模型集结构力学实验模型、加载装置、支承及约束装置、测量设备于一体，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。模型杆件、结点及支承装置可重复利用，且可在杆件的不同位置粘贴应变片，在杆件的不同位置加载，根据实验原理的要求可选择不同测量设备，灵活可变；通过实验验证，本装置所得实验结果与结构力学计算所得理论值相比误差很小，适合各高校进行相关教学实验及进一步的研究拓展。

附图说明

图1是I类基本结构内部详图。

图2是II类基本结构内部详图。

图3是固接柱式杆件详图。

图4是铰接柱式杆件详图。

图5是梁式杆件详图。

图6是转角施加装置详图。

图7是蜗轮蜗杆加载装置详图。

图8是电动伺服加载装置详图。

图9是杆件连接装置详图。

图10是铰支座盘详图。

图11是刚结点片详图。

图中：1反力架；2底座；3a、3b、3c铰接柱式杆件；3d固接柱式杆件；4a、4b、4c、4d梁式杆件；5a、5b、5c、5dL型刚结点夹具II；6a一对铰结点片；6b一个铰结点片；6c刚结点片；7蜗轮蜗杆升降机；8a、8b力传感器；9球铰；10a、10b加载杆；11a、11b杆件夹具；12电动缸；13丝杠减速机；14扭矩传感器；16垫板；17a、17b、17c铰支座盘；18a、18b方形垫块；19铰支座水平导轨；20转动支座；21a、21b、21c、21d、21e、21f、21g、21h小车平台；22牛腿；23活动立柱；24固接柱式杆件杆身；25圆形刚结点盘；26梁式杆件杆身；27L型刚结点夹具I；28转角传感器；29加载杆连接件；30销钉；31杆件夹片；32a、32b、32c百分表。

具体实施方式

本发明能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，下面结合附图和实施实例对本发明的实施方式做进一步说明。

多功能刚架实验模型由刚架结构、加载装置、支承及约束装置、测量设备组成，刚架结构由杆件和结点组成，该实验装置可以通过不同类型及数量的杆件、结点、加载装置、支承及约束装置、测量设备之间的灵活组合，进行多种结构力学原理的验证，将结构力学分析与求解方法用实验的方式进行体现。该实验装置可组装成两种基本结构图如图1、图2所示，在图1、图2的基础上进行相关变换可以实现不同原理的实验验证。

图1实验装置的具体安装方式如下：

反力架1和底座2组成反力框架；

刚架结构由三根铰接柱式杆件和三根梁式杆件通过三个L型刚结点夹具和三个铰结点片连接而成。铰接柱式杆件3a、3b、3c和梁式杆件4a、4b、4c相互垂直，梁式杆件4a与L型刚结点夹具5a通过螺栓将铰接柱式杆件3a夹持连接，梁式杆件4b与L型刚结点夹具5b通过螺栓将铰接柱式杆件3b夹持连接，梁式杆件4c与L型刚结点夹具5c通过螺栓将铰接柱式杆件3c夹持连接。百分表32a测头通过磁性表座固定在夹具5b表面中点处，方向与梁式杆件4b轴线方向一致。梁式杆件4a和梁式杆件4b分别通过螺栓与铰结点的左右两个铰结点片6a相连。铰接柱式杆件3b在与组合结点的铰结点片6b连接处打有孔洞，杆件通过直杆与组合结点的铰结点片6b相连，铰结点片6b通过螺栓与梁式杆件4c相连。铰接柱式杆件3a通过直杆与铰支座盘17a相连，铰支座盘17a通过螺栓与垫块18a相连，垫块18a通过螺栓与小车平台21b相连。铰接柱式杆件3b通过直杆与铰支座盘17b相连，铰支座盘17b通过螺栓与垫块18b相连，垫块18b通过螺栓与小车平台21c相连。铰接柱式杆件3c通过直杆与铰支座盘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相通过螺栓与小车平台21d相连。L型刚结点夹具和铰结点片均采用与所连杆件相同的刚度，通过螺栓连接形成等刚度模型。每根杆件上均粘贴有相同数量的应变片。

蜗轮蜗杆加载装置一端蜗轮蜗杆升降机7通过螺栓与小车平台21a固定连接，另一端通过杆件夹具11a与固接柱式杆件3a相连，对刚架结构施加荷载。

图2实验装置的具体安装方式如下：

反力架1和底座2组成反力框架；

刚架结构由一根固接柱式杆件和一根梁式杆件通过一个L型刚结点夹具连接而成。固接柱式杆件3d和梁式杆件4d相互垂直，梁式杆件4d上焊接的L型刚结点夹具与L型刚结点夹具5d通过螺栓相连以充分保证结点的刚度。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。梁式杆件4d通过直杆与铰支座盘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相通过螺栓固定在牛腿22上，牛腿22侧面通过螺栓与小车平台21h相连。每根杆件上均粘贴有相同数量的应变片。

蜗轮蜗杆加载装置一端蜗轮蜗杆升降机7通过螺栓与小车平台21a固定连接，另一端通过杆件夹具11a与固接柱式杆件3d相连，对刚架结构施加荷载。百分表32b测头通过磁性表座固定在夹具11a表面中点处，方向与固接柱式杆件3d轴线方向垂直。电动伺服加载装置一端电动缸12通过螺栓与小车平台21g固定连接，另一端通过杆件夹具11b与梁式杆件4d相连，对刚架结构施加荷载。百分表32c测头通过磁性表座固定在夹具11b表面中点处，方向与梁式杆件4d轴线方向垂直。转角传感器28固定在转动支座20一侧，转动支座20发生转动时转角传感器28随之转动。

图1实验装置可验证的结构力学原理有：

几何组成分析，见实施例1。通过改变刚架结构的部分结点和支座，进行不同体系的几何构造分析，分析不同体系间的区别。

结构内力分布，见实施例2。通过改变刚架结构的部分结点和支座，构成静定结构和不同多余约束个数的超静定结构，同时通过改变柱式杆件的刚度，分析不同结构内力与刚度的关系。

刚架主从结构性质，见实施例3。通过改变加载装置在刚架结构上荷载的施加位置，分析刚架结构的基本部分与附属部分的内力传递区别。

图2实验装置可验证的结构力学原理有：

功的互等定理，见实施例4。通过施加支座位移，利用功的互等定理求解结构内力；通过施加荷载，验证功的互等定理的正确性。

柔度系数相关性质，见实施例5。通过施加荷载，分析柔度系数之间的关系。

非荷载因素下结构内力分布，见实施例6。通过施加支座位移，分析支座位移对结构内力的影响。

力法，见实施例7。通过将超静定结构去除多余约束转化成静定结构，把多余约束转化成未知力作为基本未知量；基于位移连续条件，通过在静定结构上施加原荷载，以及在基本未知量方向上施加反向位移，建立力法方程，求解超静定结构。

实施例1：几何组成分析实验

在图1结构的基础上，去除梁式杆件4c、夹具5c、铰接柱式杆件3c，构成无多余约束的几何不变体系实验装置。百分表32a测头通过磁性表座固定在L型刚结点夹具5b表面中点处，方向与梁式杆件4b轴线方向一致。通过上述蜗轮蜗杆加载装置对刚架施加荷载，同时百分表32a测得相应位移值，应变片测得相应位置应变值。

在图1结构的基础上，去除梁式杆件4c、夹具5c、铰接柱式杆件3c，同时将与铰支座盘17b相连的垫块18b换成铰支座水平导轨19,构成几何可变体系实验装置。通过上述蜗轮蜗杆加载装置对刚架施加荷载，同时百分表32a测得相应位移值，应变片测得相应位置应变值。

在图1结构的基础上，去除梁式杆件4c、夹具5c、铰接柱式杆件3c，同时将一对铰结点片6a换成刚结点片6c，构成有多余约束的几何不变体系实验装置。通过上述蜗轮蜗杆加载装置对刚架施加荷载，同时百分表32a测得相应位移值，应变片测得相应位置应变值。

实施例2：结构内力分布实验

在图1结构的基础上，去除梁式杆件4c、夹具5c、铰接柱式杆件3c，构成静定结构内力分布实验装置。将铰接柱式杆件3a换成空心方杆、实心方杆和实心矩形杆，通过上述蜗轮蜗杆加载装置对刚架施加荷载，同时应变片测得不同杆件情况下的相应位置应变值。

在图1结构的基础上，去除梁式杆件4c、夹具5c、铰接柱式杆件3c、铰支座盘17a，同时将铰接柱式杆件3a换成固接柱式杆件3d，构成一次超静定结构内力分布实验装置。将固接柱式杆件3d换成空心方杆、实心方杆和实心矩形杆，通过上述蜗轮蜗杆加载装置对刚架施加荷载，同时应变片测得不同杆件情况下的相应位置应变值。

实施例3：刚架主从结构判定实验

按图1组装结构。步骤1，将上述蜗轮蜗杆加载装置与铰接柱式杆件3a中点处相连，对刚架施加荷载，同时应变片测得相应位置应变值；步骤2，将蜗轮蜗杆加载装置及小车平台21a从反力架1左立柱处拆开，转移到右立柱位置，小车平台21a与反力架1右立柱相连，夹具11a与铰接柱式杆件3c中点处相连，对刚架施加荷载，同时应变片测得相应位置应变值。

实施例4：功的互等定理实验

按图2组装结构。步骤1，用蜗轮蜗杆加载装置和电动伺服加载装置同时对刚架结构施加荷载，通过转角施加装置控制刚架结构在转角传感器28处转角为零，同时测得转角施加装置所承受的扭矩。步骤2，旋开杆件夹具11a螺栓使蜗轮蜗杆加载装置和固接柱式杆件3d分离，旋开杆件夹具11b螺栓使电动伺服加载装置和梁式杆件4d分离，通过转角施加装置对转动支座20处施加转角，转角通过安装于转动支座20上的转角传感器28测得；分别在杆件夹具11a和11b中点处架上百分表32b和32c，用于测量施加转角时杆件夹具11a中点处的水平位移和杆件夹具11b中点处的竖向位移，根据功的互等定理求出能够施加转角的固定支座处的扭矩，与步骤1测得的扭矩进行对比。

实施例5：柔度系数相关性质实验

在图2结构的基础上，去除转动支座20，调整牛腿22位置，并将固接柱式杆件3d直接固定在小车平台21f上。在电动伺服加载装置杆件夹具11b中点处安装百分表32c测量竖向位移，在蜗轮蜗杆加载装置杆件夹具11a中点处安装百分表32b测量水平位移。首先，去除蜗轮蜗杆加载装置，只用电动伺服加载装置进行加载，通过百分表32b测量蜗轮蜗杆加载装置加载点处的水平位移；其次，去除电动伺服加载装置，只用蜗轮蜗杆加载装置进行加载，通过百分表32c测量电动伺服加载装置加载点处的竖向位移。

实施例6：非荷载因素下结构内力分布实验

在图2结构的基础上，去除蜗轮蜗杆加载装置和电动伺服加载装置。通过转角施加装置对刚架结构施加分级角位移，同时应变片测得相应位置应变值。

实施例7：力法实验

在图2结构的基础上，去除电动伺服加载装置、转动支座20，调整牛腿22位置，并将固接柱式杆件3d固接在小车平台21f上。步骤1，通过蜗轮蜗杆加载装置对刚架结构施加分级荷载，同时应变片测得相应位置应变值；步骤2，去除铰支座水平导轨19和铰支座盘17c，将百分表32c置于铰支座盘17c与梁式杆件4d连接位置处，通过蜗轮蜗杆加载装置对刚架结构施加分级荷载，通过百分表32c测量竖向位移，同时应变片测得相应位置应变值；步骤3，将蜗轮蜗杆加载装置转移至铰支座盘17c与梁式杆件4d连接位置处，通过蜗轮蜗杆加载装置对刚架结构施加分级位移，通过力传感器8a测量竖向力，同时应变片测得相应位置应变值；步骤4，通过步骤2和步骤3静定结构得出的应变值绘制弯矩图，根据位移协调条件进行弯矩图叠加，并与步骤1得出的结果进行对比。

Claims (10)

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，拆卸多功能刚架实验模型，统计分析数据，得出结论；

第二步，进行几何可变体系实验；

按照步骤1.1)组装多功能刚架实验模型，并将实验模型右侧垫块换成铰支座水平导轨，其余步骤与步骤1.1)～步骤1.4)一致；

第三步，进行有多余约束的几何不变体系实验；

按照步骤1.1组装实验模型，并将模型一对铰结点片换成刚结点片，其余步骤与步骤1.1)～步骤1.4)一致；

第四步，将三种体系的试验结果进行对比分析，得出几何可变体系与几何不变体系的区别。

5.将权利要求1或2或3所述的多功能刚架实验模型用于结构内力分布实验，其特征在于以下步骤：

第一步，进行静定结构内力分布实验；

2.1)与步骤1.1)一致；

2.2)在蜗轮蜗杆加载位置处施加分级荷载，待数据稳定后，记录力传感器读数和各测点应变值；加载装置加载到最高级荷载后，对多功能刚架实验模型进行卸载；

2.3)重复步骤2.2)至少三次；

2.4)将多功能刚架实验模型最左侧的空心方杆的铰接柱式杆件换成实心方杆的铰接柱式杆件，重复步骤2.2)～步骤2.3)；

2.5)将多功能刚架实验模型最左侧的空心方杆的铰接柱式杆件换成实心矩形杆的铰接柱式杆件，重复步骤2.2)～步骤2.3)；

2.6)实验结束，统计分析数据，将实验结果进行对比，得出结论；

第二步，进行一次超静定结构内力分布实验；

3.1)按照步骤1.1)组装多功能刚架实验模型，并将其最左侧的铰接柱式杆件换成固接柱式杆件，重复步骤2.2)～步骤2.3)；所述的固接柱式杆件为空心方杆；

3.2)将空心方杆的固接柱式杆件换成实心方杆的固接柱式杆件，重复步骤2.2)～步骤2.3)；

3.3)将空心方杆的固接柱式杆件换成实心矩形杆的固接柱式杆件，重复步骤2.2)～步骤2.3)；

3.4)与步骤2.6)一致；

第三步，将第一步和第二步两种结构的实验结果进行对比分析，得出杆件刚度的改变对静定结构与超静定结构内力分布的影响。

6.将权利要求1或2或3所述的多功能刚架实验模型用于刚架主从结构判定实验，其特征在于以下步骤：

第一步，组装双跨主从刚架结构，即按照I类基本结构形式组装多功能刚架实验模型，蜗轮蜗杆加载装置与最左侧铰接柱式杆件连接；测量铰接柱式杆件和梁式杆件的长度、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；

第二步，重复步骤2.2)～步骤2.3)；

第三步，拆卸蜗轮蜗杆加载装置，转移至右侧安装在反力架右立柱上，并将蜗轮蜗杆加载装置与最右侧铰接柱式杆件连接；测量L型刚结点到蜗轮蜗杆加载位置的间距，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；

第四步，重复步骤2.2)～步骤2.3)；

第五步，统计分析数据，得出静定主从刚架中基本部分和附属部分的内力传力区别。

7.将权利要求1或2或3所述的多功能刚架实验模型用于功的互等定理实验，其特征在于以下步骤：

第一步，按照II类基本结构形式组装实验模型；测量固接柱式杆件和梁式杆件的长度、L型刚结点到蜗轮蜗杆加载位置及电动伺服系统加载位置的间距、L型刚结点到各应变片贴片位置的间距，通过蜗轮蜗杆、电动伺服加载装置对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡力传感器、转角传感器和所有应变片测点；

第二步，在蜗轮蜗杆加载位置处通过加载装置对模型施加荷载F₁，在电动伺服系统加载位置处通过加载装置对模型施加荷载F₂；同时通过转角施加装置调整转动支座，使安装在转动支座上的转角传感器示数为零，通过扭矩传感器测出转动支座承受的扭矩，并记录各测点应变值；

第三步，拆卸蜗轮蜗杆加载装置和电动伺服加载装置，通过转角施加装置对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡转角传感器和所有应变片测点，记录百分表读数；

第四步，转动转角施加装置，使转角传感器读数为α，并记录此时安装在蜗轮蜗杆加载位置及电动伺服系统加载位置处的百分表读数S₁及S₂；

第五步，基于第四步的位移状态，利用功的互等定理计算出加载装置对模型施加荷载F₁和F₂时转动支座处的扭矩，并与第二步实验测得的扭矩值进行对比，验证功的互等定理。

8.将权利要求1或2或3所述的多功能刚架实验模型用于探究柔度系数之间的关系实验，其特征在于以下步骤：

第一步，组装一次超静定模型，即在II类基本结构基础上去除转动支座，使固接柱式杆件直接固定在小车平台上；测量固接柱式杆件和梁式杆件的长度、L型刚结点到蜗轮蜗杆加载位置及电动伺服系统加载位置的间距、L型刚结点到各应变片贴片位置的间距；

第二步，拆卸蜗轮蜗杆加载装置，通过电动伺服加载装置对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡力传感器，记录蜗轮蜗杆加载装置加载点处百分表的读数；

第三步，对多功能刚架实验模型施加分级荷载，待数据稳定后，记录力传感器读数和百分表读数；加载装置加载到最高级荷载后，对多功能刚架实验模型进行卸载；

第四步，重新安装蜗轮蜗杆加载装置，拆卸电动伺服加载装置，对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡力传感器，记录电动伺服加载装置加载点处百分表的读数；

第五步，重复第三步的实验内容；

第六步，统计分析数据，得出柔度系数之间的关系。

9.将权利要求1或2或3所述的多功能刚架实验模型用于下结构内力分布实验，其特征在于以下步骤：

第一步，组装一次超静定模型，即在II类基本结构基础上去除蜗轮蜗杆加载装置和电动伺服加载装置，测量固接柱式杆件和梁式杆件的长度以及L型刚结点到各应变片贴片位置的间距，通过转角施加装置对多功能刚架实验模型进行预加载，平衡转角传感器和所有应变片测点；

第二步，通过转角施加装置对多功能刚架实验模型施加支座分级角位移，待数据稳定后，记录转角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，对模型进行卸载；

第三步，重复第二步的实验内容至少三次；

第四步，实验结束，统计分析数据，得出非荷载因素下超静定结构的内力分布。

10.将权利要求1或2或3所述的多功能刚架实验模型用于力法实验，其特征在于以下步骤：

第一步，组装一次超静定模型，即在II类基本结构基础上去除电动伺服加载装置和转动支座，调整牛腿位置使固接柱式杆件固定在小车平台上；测量固接柱式杆件和梁式杆件的长度以及L型刚结点到各应变片贴片位置的间距、L型刚结点到蜗轮蜗杆加载位置的间距；

第二步，在蜗轮蜗杆加载位置处通过加载装置施加分级荷载，待数据稳定后，记录力传感器读数和各测点应变值；加载装置加载到最高级荷载后，对多功能刚架实验模型进行卸载；

第三步，拆卸多功能刚架实验模型的活动铰支座，将百分表置于原活动铰支座位置处，重复第二步的实验内容，并记录百分表读数；

第四步，将蜗轮蜗杆加载装置与杆件的连接位置转移至原活动铰支座位置处，通过加载装置施加分级位移，待数据稳定后，记录力传感器读数、百分表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；

第五步，通过第三步和第四步静定结构得出的应变值绘制弯矩图，根据位移协调条件进行弯矩图叠加，并与第二步得出的结果进行对比，通过力法原理求解超静定结构内力。