CN106327966A - 一种装配梁结构实验模型和实验方法 - Google Patents

一种装配梁结构实验模型和实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种装配梁结构实验模型和实验方法，该装配梁结构实验模型包括装配梁结构、蜗轮蜗杆加载装置、转角约束及加载装置、支承及约束装置和测量设备。装配梁结构分为静定结构和超静定结构两种基本结构，两种基本结构均通过杆件和结点连接而成；蜗轮蜗杆加载装置能够手动控制施加拉力和压力，实现加载与卸载，并通过力传感器在计算机上显示所加荷载大小；支承及约束装置包括反力框架和装配梁结构的约束支承；测量设备包括力传感器、应变片、转角传感器和百分表。本发明结构简单、可重复利用、测量结果准确，能够实现结构力学中静定和超静定结构内力分布实验、位移互等定理和力法等教学内容的实验化。

Description

一种装配梁结构实验模型和实验方法
技术领域
本发明属于土木工程专业实验结构力学的教学实践领域，涉及静定、超静定装配梁结构实验装置以及应用该装置进行的结构力学实验。
技术背景
结构力学是高等院校土木工程专业必修学科，主要以梁、拱、桁架、刚架等杆件结构为主要研究对象，根据力学原理研究外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形，结构的强度、刚度、稳定性和动力反应，以及结构的组成规律和受力性能。
目前高等院校结构力学的教学方法主要是理论教学，缺少对相关力学原理的实验验证，导致部分同学对相关理论理解不够深入，甚至对相关理论产生质疑。因此，在结构力学教学中引入实验环节是其教学发展的必然趋势。
本发明多跨梁结构实验模型中的反力框架/第一种蜗轮蜗杆的加载方式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，也是只起到支撑提供导轨和加载的作用，不为本发明的创新结构。
在结构力学教学各个章节中，均以梁式结构为最基本研究对象，所以发明一种装配梁结构实验装置用以研究结构力学相关理论，尤为重要。
发明内容
为改变目前结构力学教学中缺乏相关实验环节的现状，发明一种装配梁结构实验装置，该装置结构简单、可重复利用、测量结果准确，能够实现结构力学中静定和超静定结构内力分布实验、位移互等定理和力法等教学内容的实验化。通过实验，使学生们更加准确理解结构力学相关理论和假设。
本发明的技术方案如下：
一种装配梁结构实验模型包括装配梁结构、蜗轮蜗杆加载装置、转角约束及加载装置、支承及约束装置和测量设备。
所述装配梁结构分为静定结构和超静定结构两种基本结构，两种基本结构均通过杆件和结点连接而成。
所述的静定结构包括矩形薄壁杆件1c、1d、变刚度杆件1b和三种结点夹具；所述的变刚度杆件1b根据刚度不同有空心方杆、实心方杆和实心矩形杆三种不同形式。所述的变刚度杆件1b一端通过螺丝与铰结点夹具A2a相连，铰结点夹具A2a通过销栓2f与铰结点夹具B2b相连，铰结点夹具B2b通过螺丝与支座3连接，形成固定铰支座；变刚度杆件1b另一端通过螺丝与刚结点夹具C2c连接，刚结点夹具C2c另一端通过螺丝与矩形薄壁杆件1c一端相连，实现变刚度杆件1b和矩形薄壁杆件1c之间的固接；刚结点夹具C2c中部通过销栓2f与铰结点夹具B2b相连，铰结点夹具B2b通过螺丝与支座3相连，形成活动铰支座。所述的矩形薄壁杆件1c另一端通过螺丝与铰结点夹具B2b连接，铰结点夹具B2b再通过销栓2f与铰结点夹具A2a连接，铰结点夹具A2a通过螺丝与矩形薄壁杆件1d一端连接，实现矩形薄壁杆件1c和矩形薄壁杆件1d之间铰接；所述的矩形薄壁杆件1d的另一端通过螺丝与铰结点夹具A2a连接，铰结点夹具A2a通过销栓2f与铰结点夹具B2b连接，铰结点夹具B2b通过螺丝与支座3相连，形成活动铰支座。
所述的超静定结构包括矩形薄壁杆件1a、变刚度杆件1b和四种结点夹具2a、2b、2c、2d。所述的变刚度杆件1b一端、刚结点夹具D2d和支座3依次通过螺丝固定连接，实现固定支座；所述的变刚度杆件1b的另一端通过刚结点夹具C2c与矩形薄壁杆件1a的一端固定连接，刚结点夹具C2c中部通过销栓2f与铰结点夹具B2b相连，铰结点夹具B2b通过螺丝安装在支座3上部，实现活动铰支座。所述的矩形薄壁杆件1a另一端通过螺丝与铰结点夹具A2a连接，铰结点夹具A2a通过销栓2f与铰结点夹具B2b连接，铰结点夹具B2b通过螺丝安装在另一个支座3上，实现活动铰支座。所述的铰结点夹具A2a、铰结点夹具B2b具有与矩形薄壁杆件1a、1c、1d相同的刚度，刚结点夹具C2c、刚结点夹具D2d具有与变刚度杆件1b中实心矩形杆相同的刚度。
所述的蜗轮蜗杆加载装置有两种，蜗轮蜗杆加载装置能够手动控制施加拉力和压力，实现加载与卸载，并通过力传感器5在计算机上显示所加荷载大小。
第一种蜗轮蜗杆加载装置用于对杆件进行加载或卸载，包括蜗轮蜗杆升降机4、力传感器5、球铰6、加载杆7和杆件夹具A8。蜗轮蜗杆升降机4一端安装在小车平台10上，小车平台10通过底部的四块滑块安装到反力框架11导轨上，小车平台10能够沿反力框架11导轨水平移动。所述的蜗轮蜗杆升降机4另一端、力传感器5、球铰6、加载杆7和杆件夹具A8的一端依次通过螺纹连接，蜗轮蜗杆升降机4通过旋转手轮对装配梁结构施加荷载，球铰6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A8用于将杆件夹持固定，杆件夹具A8另一端与矩形薄壁杆件1a、1c、1d或变刚度杆件1b连接，实现对杆件的加载与卸载，同时杆件夹具A8的插销连接方式避免弯矩传递。
所述的杆件夹具A8包括连接件A8a、圆柱形插销8b、H形杆件夹片8c和矩形杆件夹片8d；连接件A8a一端通过螺纹与加载杆6相连，另一端通过销孔与圆柱形插销8b相连；圆柱形插销8b再与带有销孔的H形杆件夹片8c一端相连；H形杆件夹片8c另一端通过螺丝与矩形杆件夹片8d相连，用于将杆件夹持固定。
第二种蜗轮蜗杆加载装置用于对结点位置进行加载或卸载，包括蜗轮蜗杆升降机4、力传感器5、球铰6、加载杆7和杆件夹具B9；所述的蜗轮蜗杆升降机4、力传感器5、球铰6以及加载杆7依次相连。杆件夹具B9一端通过螺纹与加载杆7相连，另一端通过螺丝与铰结点夹具B2b相连，铰结点夹具B2b通过销栓2f能够与不同结点相连。
所述的转角约束及加载装置12包括丝杠升降机12a、扭矩传感器12b、随动圆盘12c和连接件B12d。所述的丝杠升降机12a底部通过螺丝固定在矩形空心垫块12e上，矩形空心垫块12e通过螺丝固定在小车平台10上，矩形空心垫块12e保证丝杠升降机12a和杆件1a、1b、1c、1d高度一致，实现固定丝杠升降机12a的位置的作用。所述的扭矩传感器12b一端通过螺丝固定随动圆盘12c，另一端将其轴承插入丝杠升降机12a中。所述的连接件B12d一端通过其自身花键与随动圆盘12c相连；中间部分插入刚结点夹具E2e的锯齿状孔中，中间部分同时插入铰结点夹具B2b的圆孔中；另一端通过螺纹连接转角传感器，用于测量转角大小。所述的转角约束及加载装置12能够用于约束装配梁结点处的转动，通过扭矩传感器12b测出结点处产生的弯矩；所述的转角约束及加载装置12还能够通过对结点施加弯矩，使结点处产生角位移，通过转角传感器可测出角位移数值。
所述的支承及约束装置包括反力框架11和装配梁结构的约束支承。所述反力框架11为门形刚架形式，包括反力架11a和两个底座11b，底座11b用于支撑整个装置。所述的反力架11a包括内置导轨的上下两个横梁和内置导轨的左右两个立柱，上横梁导轨安装小车平台10，小车平台10通过螺丝连接蜗轮蜗杆加载装置，下横梁导轨固定小车平台10，小车平台10通过螺栓固定矩形方墩13。所述的矩形方墩13上方通过螺丝固定圆柱体垫块14或固定滑道15，当矩形方墩13上方固定圆柱体垫块14时，圆柱体垫块14上方通过螺丝连接支座3，支座3上方连接铰结点夹具B2b或刚结点夹具D2d，实现固定铰支座或固定支座；当矩形方墩13上方固定滑道15时，滑道15上方通过螺丝连接铰结点夹具B2b，实现活动铰支座；上述固定支座、固定铰支座和活动铰支座构成支承结构。
所述的测量设备包括力传感器5、应变片、转角传感器12b和百分表。所述的应变片粘贴在矩形薄片杆件1a、1c和1d和变刚度杆件1b上、下两侧不同位置，通过所测应变值计算杆件内力大小和支座反力；所述的力传感器5测量外力对装配梁结构所施加的荷载值；所述的转角传感器12b通过螺栓固定于连接件B12d上，用于测得结点处转角；以上测量设备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和测量；所述的百分表通过磁性表座固定在反力框架11上，用于测量矩形薄片杆件1a、1c和1d和变刚度杆件1b不同位置的位移。
上述装配梁结构实验模型能够用于多种力学实验，具体如下：
1.当静定装配梁结构实验模型用于静定多跨梁内力分布实验
第一步，组装静定装配梁结构，并确定各实验点位置，变刚度杆件(1b)从左到右依次为A、E、B，其中最左端标注A、右端和矩形薄壁杆件(1c)相连的位置标注B；矩形薄壁杆件(1c)再从左到右再依次为F、C，其中C在最右侧；矩形薄壁杆件(1d)再从左到右再依次为G、D，其中D在最右侧。测量各实验点之间的距离，即AE、EB、BF、FC、CG、GD之间的距离；杆件(1b、1c、1d)贴有应变片，测量各应变片的位置；
第二步，将安装第一种蜗轮蜗杆加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点E；
第三步，对静定多跨梁结构进行预加载，并平衡力传感器；
第四步，采用分级加载方式在实验点位置施加竖向荷载Fp，同时测量杆件上各点应变片的数值，计算出各点弯矩；
第五步，重复第四步实验至少三次，求出实验点位置在Fp作用下各应变片处的弯矩平均值；绘制Fp作用在实验点位置时的多跨梁结构弯矩图；
第六步，改变变刚度杆件(1b)，变换其刚度，重复重复第二步到第五步，比较变刚度杆件(1b)改变刚度时，静定多跨梁弯矩图的变化。
2.当静定装配梁结构实验模型用于静定多跨梁主从结构判定实验
第一步，组装静定装配梁结构，并确定各实验点位置，矩形薄壁杆件(1a)从左到右依次为A、E、B，其中最左端标注A、右端和矩形薄壁杆件(1c)相连的位置标注B；矩形薄壁杆件(1c)再从左到右再依次为F、C，其中C在最右侧；矩形薄壁杆件(1d)再从左到右再依次为G、D，其中D在最右侧。测量各实验点之间的距离，即AE、EB、BF、FC、CG、GD之间的距离；杆件(1a、1c、1d)贴有应变片，测量各应变片的位置；
第二步到第五步，同静定多跨梁内力分布实验第二步到第五步
第六步，将安装第一种电动伺服加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点F，重复第三步到第五步；
第七步，将安装第一种电动伺服加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点G，重复第三步到第五步；
第八步，分析荷载作用点不同时静定多跨梁结构弯矩图的变化情况，分析主体部分和附属部分。
3.当超静定装配梁结构实验模型用于超静定多跨梁内力分布实验
组装超静定装配梁结构试验模型，实验方法同静定多跨梁内力分布实验。
4.当超静定装配梁结构实验模型用于位移互等定理实验
第一步，连接位移互等定理荷载作用实验装置，并确定各实验点位置，左侧矩形薄壁杆件(1a)两端为A和B，中间部位标注D，右侧矩形薄壁杆件(1a)右端标注C，测量AD、DB、BC的长度；在实验点D布置百分表测量D点位移，在B点布置转角传感器，测量B点转角；
第二步，将安装第一种蜗轮蜗杆加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点D；
第三步，对超定多跨梁结构进行预加载，并平衡力传感器；
第四步，采用分级加载方式在实验点位置施加竖向荷载FD，同时测量D点竖向位移ΔDD和B点转角θBD；
第五步，重复第四步实验至少三次；
第六步，拆卸第一种蜗轮蜗杆加载装置，并在实验点B安装转角约束及加载装置(12)，组成位移互等定理结点弯矩作用试验装置；
第七步，转动丝杠升降机(12a)的手轮，对超定多跨梁结构进行预加载，并扭矩传感器(12b)；
第八步，采用分级加载方式在实验点位置施加弯矩MB，同时测量D点竖向位移ΔDB和B点转角θBB；
第九步，重复第七步实验至少三次；
第十步，根据位移互等定理得到FDΔDB＝MBθBD，进而得到δDB＝δBD。
5.当超静定装配梁结构实验模型用于超静定梁力法实验
第一步，连接超静定梁力法实验装置，并确定各实验点位置，矩形薄壁杆件(1a)两端为A和B，中间部位标注C，测量AC、CB的长度；在实验点B布置百分表测量B点竖向位移；矩形薄壁杆件(1a)上、下表面贴有应变片，测量应变片位置；
第二步，将安装第一种蜗轮蜗杆加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点C；
第三步，对超静定多跨梁结构进行预加载，并平衡力传感器；
第四步，采用分级加载方式在实验点位置施加竖向荷载Fp，同时测量杆件上各点应变片的数值，计算出各点弯矩；
第五步，重复第四步实验至少三次，求出实验点位置在Fp作用下各应变片处的弯矩平均值；绘制Fp作用在实验点位置时的超静定多跨梁原结构弯矩图；
第六步，卸除实验点B处支座(3)；实验点C进行预加载，并平衡力传感器；采用分级加载方式在实验点位置施加竖向荷载Fp，测量B点竖向位移ΔB，同时测量杆件上各点应变片的数值，计算出各点弯矩，绘制Fp作用在实验点位置时的超静定多跨梁基本结构弯矩图；
第七步，重复第六步实验至少三次；
第八步，卸除第一种蜗轮蜗杆加载装置，然后安装第二种蜗轮蜗杆加载装置于实验点B，预加载，并平衡力传感器；采用分级加载方式在实验点B点产生竖向位移-ΔB使所施加竖向荷载FB，同时测量杆件上各点应变片的数值，计算出各点弯矩，绘制未知力FB作用在实验点位置时的超静定多跨梁基本结构弯矩图；
第九步，重复第八步实验至少三次；
第十步，求出未知力FB，并将第六步和第八步所得弯矩图叠加与第五步的弯矩图比较，分析误差。
本发明的有益效果是：可以利用该实验装置进行不同的实验内容。该装置集结构力学实验模型、加载装置和测量装置于一体，根据实验内容的需要能够在杆件的不同位置粘贴应变片，在杆件的不同位置加载，实验模型灵活可变。通过实验验证，本实验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，适合高校开展相关教学实验及进一步设计拓展。
附图说明
图1为连接件A详图。
图2为转角约束及加载装置侧视详图。
图3为铰结点夹具A详图。
图4为铰结点夹具B详图。
图5为刚结点夹具C详图。
图6为刚结点夹具D详图。
图7为刚结点夹具E详图。
图8为静定多跨梁内力分布实验装置图。
图9为静定多跨梁主从结构判定实验装置图。
图10为超静定多跨梁内力分布实验装置图。
图11为位移互等定理荷载作用实验装置图。
图12为位移互等定理结点弯矩作用实验装置图。
图13为超静定梁力法实验原结构实验装置图。
图14为超静定梁力法实验基本结构荷载作用实验装置图。
图15为超静定梁力法实验基本结构未知力作用实验装置图。
图中：1a矩形薄壁杆件；1b变刚度杆件；1c矩形薄壁杆件；1d矩形薄壁杆件；2a铰结点夹具A；2b铰结点夹具B；2c刚结点夹具C；2d刚结点夹具D；2e刚结点夹具E；2f销栓；3支座；4蜗轮蜗杆升降机；5力传感器；6球铰；7加载杆；8杆件夹具A；8a连接件A；8b圆柱形插销；8cH形杆件夹片；8d矩形杆件夹片；9杆件夹具B；10小车平台；11反力框架；11a反力架；11b底座；12转角约束及加载装置；12a丝杠升降机；12b扭矩传感器；12c随动圆盘；12d连接件B；12e矩形空心垫块；13矩形方墩；14圆柱体垫块；15滑道。
具体实施方式
本发明装置可以进行多组实验，包括静定多跨梁内力分布；静定多跨梁主从结构判定；超静定多跨梁内力分布；位移互等定理；超静定梁力法实验等。
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。
装配梁结构实验装置包括装配梁结构、蜗轮蜗杆加载装置、转角约束及加载装置、支承及约束装置和测量设备；所述的装配梁结构分为静定结构和超静定结构两种基本结构，两种基本结构均通过杆件和结点连接而成；所述的蜗轮蜗杆加载装置有两种，蜗轮蜗杆加载装置手动控制施加拉力和压力，并通过力传感器5在计算机上显示所加荷载大小；所述的转角约束及加载装置12包括丝杠升降机12a、扭矩传感器12b、随动圆盘12c和连接件B12d；所述的支承及约束装置包括反力框架11和装配梁结构的约束支承；所述的测量设备包括力传感器5、应变片、转角传感器12b和百分表。
实验装置的具体安装和实施方式如下：
实施例1：静定多跨梁内力分布
图8为静定多跨梁内力分布实验装置图。
所述静定结构包括矩形薄壁杆件1c、1d、变刚度杆件1b和各种结点夹具2a、2b、2c。变刚度杆件1b一端通过铰结点夹具A2a和铰结点夹具B2b与支座3连接，实现固定铰支座；另一端通过刚结点夹具C2c与矩形薄壁杆件1c相连，实现变刚度杆件1b和矩形薄壁杆件1c之间的固接；刚结点夹具C2c中间部分通过铰结点夹具B2b与支座3相连，实现活动铰支座。矩形薄壁杆件1c另一端通过铰结点夹具B2b和铰结点夹具A2a与矩形薄壁杆件1d连接，实现矩形薄壁杆件1c和矩形薄壁杆件1d之间铰接。矩形薄壁杆件1d另一端通过铰结点夹具A2a和铰结点夹具B2b与支座3相连，实现活动铰支座。
蜗轮蜗杆加载装置由蜗轮蜗杆升降机4、力传感器5、球铰6、加载杆7和杆件夹具A8，依次首尾通过螺纹连接而成。杆件夹具A8能够与矩形薄壁杆件1c、1d、变刚度杆件1b连接，实现对静定多跨梁结构施加荷载。
应变片粘贴在矩形薄壁杆件1c、1d和变刚度杆件1b上、下两侧不同位置，通过所测应变值计算杆件各点内力大小和支座反力大小；力传感器5测得对静定多跨梁结构所施加的荷载值；以上测量设备均连接于计算机，通过计算机对各项数据进行实时监测和测量。
蜗轮蜗杆加载装置连接小车平台10水平移动，改变加载点的位置，使加载点作用在矩形薄壁杆件1c、1d和变刚度杆件1b的不同位置；通过改变刚度杆件1b的杆件形式，测得不同刚度情况下杆件各点内力大小，分析刚度改变对静定多跨梁结构内力分布的影响。
实施例2：静定多跨梁主从结构判定
图9为静定多跨梁主从结构判定实验装置图。与图8相比，将变刚度杆件1b换为矩形薄壁杆件1a，其他零件位置和连接方式不变。
蜗轮蜗杆加载装置连接小车平台10水平移动，改变加载点的位置，使加载点作用在矩形薄壁杆件1a、1c和1d的不同位置；通过比较不同荷载作用位置下的杆件内力分布形式，判断图9中结构的主体部分和附属部分。
实施例3：超静定多跨梁内力分布
图10为超静定多跨梁内力分布实验装置图。
所述超静定结构包括矩形薄壁杆件1a、变刚度杆件1b和各种结点夹具2a、2b、2c、2d。所述变刚度杆件1b一端通过刚结点夹具D2d与支座3连接，实现固定支座；另一端通过刚结点夹具C2c与矩形薄壁杆件1a相连，实现变刚度杆件1b和矩形薄壁杆件1a之间的固接；刚结点夹具C2c中间部分通过铰结点夹具B2b与支座3相连，实现活动铰支座。矩形薄壁杆件1a另一端通过铰结点夹具A2a和铰结点夹具B2b与支座3相连，实现活动铰支座。
蜗轮蜗杆加载装置由蜗轮蜗杆升降机4、力传感器5、球铰6、加载杆7和杆件夹具A8，依次首尾通过螺纹连接而成。杆件夹具A8能够与矩形薄壁杆件1a和变刚度杆件1b连接，实现对超静定多跨梁结构施加荷载。
应变片粘贴在矩形薄壁杆件1a和变刚度杆件1b上、下两侧不同位置，通过所测应变值计算杆件各点内力大小和支座反力大小；力传感器5测得对静定多跨梁结构所施加的荷载值；以上测量设备均连接于计算机，通过计算机对各项数据进行实时监测和测量。
蜗轮蜗杆加载装置连接小车平台10水平移动，改变加载点的位置，使加载点作用在矩形薄壁杆件1a和变刚度杆件1b的不同位置；通过改变刚度杆件1b的杆件形式，测得不同刚度情况下杆件各点内力大小，分析刚度改变对超静定多跨梁结构内力分布的影响。
实施例4：位移互等定理
图11为位移互等定理荷载作用实验装置图。与图10相比，将变刚度杆件1b换为矩形薄壁杆件1a，将两杆之间刚结点夹具C2c换为刚结点夹具E2e，其他零件位置和连接方式不变。
在矩形薄壁杆件1a中间位置进行加载，通过力传感器5测量荷载大小；通过百分表测量加载点位置位移，百分表通过磁性表座固定在反力框架11上；通过连接件B12d连接的转角传感器测量结点处转角，此时连接件B12d不与随动圆盘12c相连。
图12为位移互等定理结点弯矩作用实验装置图。与图11相比，将蜗轮蜗杆加载装置去掉，在刚结点夹具E2e位置增加转角约束及加载装置12。
通过转角约束及加载装置12的丝杠升降机12a对结点处施加弯矩；通过扭矩传感器12b测量施加结点弯矩值；并通过连接件B12d连接的转角传感器测量结点转角；通过百分表测量与图11中荷载作用相同的位置处的竖向位移。
实施例5：超静定梁力法实验
图13为超静定梁力法实验原结构实验装置图。
超静定梁力法实验原结构由矩形薄壁杆件1a和结点夹具2a、2b、2d构成。矩形薄壁杆件1a一端通过刚结点夹具D2d与支座3相连，实现固定支座；另一端通过铰结点夹具A2a和铰结点夹具B2b与支座3相连，实现活动铰支座。
蜗轮蜗杆加载装置由蜗轮蜗杆升降机4、力传感器5、球铰6、加载杆7和杆件夹具A8，依次首尾通过螺纹连接而成。杆件夹具A8与矩形薄壁杆件1a连接，实现对超静定多跨梁结构施加荷载。
应变片粘贴在矩形薄壁杆件1a上、下两侧不同位置，通过所测应变值计算杆件各点内力大小和支座反力大小；力传感器5测得对静定多跨梁结构所施加的荷载值；以上测量设备均连接于计算机，通过计算机对各项数据进行实时监测和测量。
图14为超静定梁力法实验基本结构荷载作用实验装置图。与图13相比，去掉铰结点夹具B2b和支座3。
应变片粘贴在矩形薄壁杆件1a上、下两侧不同位置，通过所测应变值计算杆件各点内力大小；力传感器5测得对基本结构所施加的荷载值；以上测量设备均连接于计算机，通过计算机对各项数据进行实时监测和测量；通过百分表测得铰结点夹具A2a结点位置竖向位移，其中百分表通过磁性表座连接在反力框架11上。
图15为超静定梁力法实验基本结构未知力作用实验装置图。
超静定梁力法实验基本结构由矩形薄壁杆件1a和结点夹具2a、2b、2d构成。矩形薄壁杆件1a一端通过刚结点夹具D2d与支座3相连，实现固定支座；另一端通过铰结点夹具A2a和铰结点夹具B2b与蜗轮蜗杆加载装置相连，实现加载。
蜗轮蜗杆加载装置由蜗轮蜗杆升降机4、力传感器5、球铰6、加载杆7和杆件夹具B9，依次首尾通过螺纹连接而成。杆件夹具B9通过铰结点夹具A2a和铰结点夹具B2b与矩形薄壁杆件1a连接，实现对基本结构施加荷载。
应变片粘贴在矩形薄壁杆件1a上、下两侧不同位置，通过所测应变值计算杆件各点内力大小；力传感器5测得对基本结构所施加的荷载值；以上测量设备均连接于计算机，通过计算机对各项数据进行实时监测和测量；通过百分表测得铰结点夹具A2a结点位置竖向位移，其中百分表通过磁性表座连接在反力框架11上。

Claims (9)

1.一种装配梁结构实验模型，其特征在于，该装配梁结构实验模型包括装配梁结构、蜗轮蜗杆加载装置、转角约束及加载装置、支承及约束装置和测量设备；
所述的装配梁结构分为静定结构和超静定结构两种基本结构，两种基本结构均通过杆件和结点连接而成；
所述的静定结构包括矩形薄壁杆件(1c、1d)、变刚度杆件(1b)和三种结点夹具；所述的变刚度杆件(1b)的一端、铰结点夹具A(2a)和铰结点夹具B(2b)依次相连，铰结点夹具B(2b)安装在支座(3)上，形成固定铰支座；所述的变刚度杆件(1b)另一端、刚结点夹具C(2c)、矩形薄壁杆件(1c)一端依次相连，实现变刚度杆件(1b)和矩形薄壁杆件(1c)之间的固接；所述的刚结点夹具C(2c)中部与铰结点夹具B(2b)相连，铰结点夹具B(2b)安装在支座(3)上，形成活动铰支座；所述的矩形薄壁杆件(1c)另一端、铰结点夹具B(2b)、铰结点夹具A(2a)与矩形薄壁杆件(1d)一端依次相连，实现矩形薄壁杆件(1c)和矩形薄壁杆件(1d)之间铰接；所述的矩形薄壁杆件(1d)的另一端、铰结点夹具A(2a)与铰结点夹具B(2b)依次相连，铰结点夹具B(2b)安装在支座(3)上，形成活动铰支座；
所述的超静定结构包括矩形薄壁杆件(1a)、变刚度杆件(1b)和四种结点夹具(2a、2b、2c、2d)；所述的变刚度杆件(1b)一端、刚结点夹具D(2d)和支座(3)依次固定连接，形成固定支座；所述的变刚度杆件(1b)的另一端通过刚结点夹具C(2c)与矩形薄壁杆件(1a)的一端固定连接，刚结点夹具C(2c)中部通过销栓(2f)与铰结点夹具B(2b)相连，铰结点夹具B(2b)安装在支座(3)上部，形成活动铰支座；所述的矩形薄壁杆件(1a)另一端与铰结点夹具A(2a)连接，铰结点夹具A(2a)通过销栓(2f)与铰结点夹具B(2b)连接，铰结点夹具B(2b)安装在另一个支座(3)上，形成活动铰支座；
所述的蜗轮蜗杆加载装置有两种，蜗轮蜗杆加载装置手动控制施加拉力和压力，并通过力传感器(5)在计算机上显示所加荷载大小；
第一种蜗轮蜗杆加载装置用于对杆件进行加载或卸载，包括蜗轮蜗杆升降机(4)、力传感器(5)、球铰(6)、加载杆(7)和杆件夹具A(8)；所述的杆件夹具A(8)用于将杆件夹持固定，杆件夹具A(8)另一端与矩形薄壁杆件(1a、1c、1d)或变刚度杆件(1b)连接，实现对杆件的加载与卸载；
另一种蜗轮蜗杆加载装置用于对结点位置进行加载或卸载，包括蜗轮蜗杆升降机(4)、力传感器(5)、球铰(6)、加载杆(7)和杆件夹具B(9)；所述的蜗轮蜗杆升降机(4)、力传感器(5)、球铰(6)以及加载杆(7)依次相连；杆件夹具B(9)一端与加载杆(7)相连，另一端与铰结点夹具B(2b)相连，铰结点夹具B(2b)与不同结点相连；
所述的转角约束及加载装置(12)包括丝杠升降机(12a)、扭矩传感器(12b)、随动圆盘(12c)和连接件B(12d)；所述的丝杠升降机(12a)底部固定在矩形空心垫块(12e)上，矩形空心垫块(12e)固定在小车平台(10)上，矩形空心垫块(12e)保证丝杠升降机(12a)和杆件(1a、1b、1c、1d)高度一致；所述的扭矩传感器(12b)一端固定在随动圆盘(12c)上，另一端将其轴承插入丝杠升降机(12a)中；所述的连接件B(12d)一端通过其自身花键与随动圆盘(12c)相连；中间部分同时插入刚结点夹具E(2e)的锯齿状孔中和铰结点夹具B(2b)的圆孔中；另一端连接转角传感器；
所述的支承及约束装置包括反力框架(11)和装配梁结构的约束支承；所述反力框架(11)为门形刚架形式，包括反力架(11a)和两个底座(11b)；底座(11b)用于支撑整个装置；反力架(11a)包括内置导轨的上下两个横梁和内置导轨的左右两个立柱；上下横梁导轨安装小车平台(10)，下横梁上的小车平台(10)固定矩形方墩(13)；所述的矩形方墩(13)上方固定圆柱体垫块(14)或固定滑道(15)，当矩形方墩(13)上方固定圆柱体垫块(14)时，圆柱体垫块(14)上方连接支座(3)，支座(3)上方连接铰结点夹具B(2b)或刚结点夹具D(2d)，实现固定铰支座或固定支座；当矩形方墩(13)上方固定滑道(15)时，滑道(15)上方连接铰结点夹具B(2b)，实现活动铰支座；上述固定支座、固定铰支座和活动铰支座构成支承结构；
所述的测量设备包括力传感器(5)、应变片、转角传感器(12b)和百分表；所述的百分表固定在反力框架(11)上，用于测量矩形薄片杆件(1a、1c和1d)和变刚度杆件(1b)不同位置的位移；所述的应变片粘贴在矩形薄片杆件(1a、1c和1d)和变刚度杆件(1b)上、下两侧不同位置；所述的力传感器(5)测量外力对装配梁结构所施加的荷载值；所述的转角传感器(12b)固定于连接件B(12d)上，用于测得结点处转角；以上测量设备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和测量。
2.根据权利要求1所述的一种装配梁结构实验模型，其特征在于，所述的变刚度杆件(1b)根据刚度不同有空心方杆、实心方杆和实心矩形杆三种不同形式。
3.根据权利要求1或2所述的一种装配梁结构实验模型，其特征在于，所述的铰结点夹具A(2a)、铰结点夹具B(2b)具有与矩形薄壁杆件(1a、1c、1d)相同的刚度，刚结点夹具C(2c)、刚结点夹具D(2d)具有与变刚度杆件(1b)中实心矩形杆相同的刚度。
4.根据权利要求1或2所述的一种装配梁结构实验模型，其特征在于，所述的杆件夹具A(8)包括连接件A(8a)、圆柱形插销(8b)、H形杆件夹片(8c)和矩形杆件夹片(8d)；所述的连接件A(8a)一端与加载杆(6)相连，另一端通过销孔与圆柱形插销(8b)相连；圆柱形插销(8b)再与带有销孔的H形杆件夹片(8c)一端相连；H形杆件夹片(8c)另一端与矩形杆件夹片(8d)相连，用于将杆件夹持固定；所述的杆件夹具A(8)的插销连接方式避免弯矩传递。
5.将上述权利要求1或2或3所述的装配梁结构实验模型中的静定装配梁结构实验模型用于静定多跨梁内力分布实验，其特征在于以下步骤：
第一步，组装静定装配梁结构，并确定各实验点位置，变刚度杆件(1b)从左到右依次为A、E、B，其中最左端标注A、右端和矩形薄壁杆件(1c)相连的位置标注B；矩形薄壁杆件(1c)再从左到右再依次为F、C，其中C在最右侧；矩形薄壁杆件(1d)再从左到右再依次为G、D，其中D在最右侧；测量各实验点之间的距离，即AE、EB、BF、FC、CG、GD之间的距离；杆件(1b、1c、1d)贴有应变片，测量各应变片的位置；
第二步，将安装第一种蜗轮蜗杆加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点E；
第三步，对静定多跨梁结构进行预加载，并平衡力传感器；
第四步，采用分级加载方式在实验点位置施加竖向荷载Fp，同时测量杆件上各点应变片的数值，计算出各点弯矩；
第五步，重复第四步实验至少三次，求出实验点位置在Fp作用下各应变片处的弯矩平均值；绘制Fp作用在实验点位置时的多跨梁结构弯矩图；
第六步，改变变刚度杆件(1b)，变换其刚度，重复重复第二步到第五步，比较变刚度杆件(1b)改变刚度时，静定多跨梁弯矩图的变化。
6.将上述权利要求1或2或3所述的装配梁结构实验模型中的静定装配梁结构实验模型用于静定多跨梁主从结构判定实验，其特征在于以下步骤：
第一步，组装静定装配梁结构，并确定各实验点位置，矩形薄壁杆件(1a)从左到右依次为A、E、B，其中最左端标注A、右端和矩形薄壁杆件(1c)相连的位置标注B；矩形薄壁杆件(1c)再从左到右再依次为F、C，其中C在最右侧；矩形薄壁杆件(1d)再从左到右再依次为G、D，其中D在最右侧；测量各实验点之间的距离，即AE、EB、BF、FC、CG、GD之间的距离；杆件(1a、1c、1d)贴有应变片，测量各应变片的位置；
第二步到第五步，同静定多跨梁内力分布实验第二步到第五步
第六步，将安装第一种电动伺服加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点F，重复第三步到第五步；
第七步，将安装第一种电动伺服加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点G，重复第三步到第五步；
第八步，分析荷载作用点不同时静定多跨梁结构弯矩图的变化情况，分析主体部分和附属部分。
7.将上述权利要求1或2或3所述的装配梁结构实验模型中的超静定装配梁结构实验模型用于超静定多跨梁内力分布实验，其特征在于组装超静定装配梁结构试验模型，实验方法同静定多跨梁内力分布实验。
8.将上述权利要求1或2或3所述的装配梁结构实验模型中的超静定装配梁结构实验模型用于位移互等定理实验，其特征在于以下步骤：
第一步，连接位移互等定理荷载作用实验装置，并确定各实验点位置，左侧矩形薄壁杆件(1a)两端为A和B，中间部位标注D，右侧矩形薄壁杆件(1a)右端标注C，测量AD、DB、BC的长度；在实验点D布置百分表测量D点位移，在B点布置转角传感器，测量B点转角；
第二步，将安装第一种蜗轮蜗杆加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点D；
第三步，对超定多跨梁结构进行预加载，并平衡力传感器；
第四步，采用分级加载方式在实验点位置施加竖向荷载FD，同时测量D点竖向位移ΔDD和B点转角θBD；
第五步，重复第四步实验至少三次；
第六步，拆卸第一种蜗轮蜗杆加载装置，并在实验点B安装转角约束及加载装置(12)，组成位移互等定理结点弯矩作用试验装置；
第七步，转动丝杠升降机(12a)的手轮，对超定多跨梁结构进行预加载，并扭矩传感器(12b)；
第八步，采用分级加载方式在实验点位置施加弯矩MB，同时测量D点竖向位移ΔDB和B点转角θBB；
第九步，重复第七步实验至少三次；
第十步，根据位移互等定理得到FDΔDB＝MBθBD，进而得到δDB＝δBD。
9.将上述权利要求1或2或3所述的装配梁结构实验模型中的超静定装配梁结构实验模型用于超静定梁力法实验，其特征在于以下步骤：
第一步，连接超静定梁力法实验装置，并确定各实验点位置，矩形薄壁杆件(1a)两端为A和B，中间部位标注C，测量AC、CB的长度；在实验点B布置百分表测量B点竖向位移；矩形薄壁杆件(1a)上、下表面贴有应变片，测量应变片位置；
第二步，将安装第一种蜗轮蜗杆加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点C；
第三步，对超静定多跨梁结构进行预加载，并平衡力传感器；
第四步，采用分级加载方式在实验点位置施加竖向荷载Fp，同时测量杆件上各点应变片的数值，计算出各点弯矩；
第五步，重复第四步实验至少三次，求出实验点位置在Fp作用下各应变片处的弯矩平均值；绘制Fp作用在实验点位置时的超静定多跨梁原结构弯矩图；
第六步，卸除实验点B处支座(3)；实验点C进行预加载，并平衡力传感器；采用分级加载方式在实验点位置施加竖向荷载Fp，测量B点竖向位移ΔB，同时测量杆件上各点应变片的数值，计算出各点弯矩，绘制Fp作用在实验点位置时的超静定多跨梁基本结构弯矩图；
第七步，重复第六步实验至少三次；
第八步，卸除第一种蜗轮蜗杆加载装置，然后安装第二种蜗轮蜗杆加载装置于实验点B，预加载，并平衡力传感器；采用分级加载方式在实验点B点产生竖向位移-ΔB使所施加竖向荷载FB，同时测量杆件上各点应变片的数值，计算出各点弯矩，绘制未知力FB作用在实验点位置时的超静定多跨梁基本结构弯矩图；
第九步，重复第八步实验至少三次；
第十步，求出未知力FB，并将第六步和第八步所得弯矩图叠加与第五步的弯矩图比较，分析误差。
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