CN112396937B - 一种积木式桁架教学实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种积木式桁架教学实验装置，由杆件、连接补强片、节点、插片、支座和加载砝码组成。杆件和延长补强片之间通过延长补强插片插接，以实现杆件的延长，杆件和节点之间通过节点插片插接，两个桁架通过共用一个节点圆柱转轴相连，支座套接在节点圆柱转轴处，砝码可在两榀桁架之间节点圆柱转轴中间处加载，此装置可拆卸可重复使用，具有很好的经济性和适用性。此外，杆件可长短可调，同一个铰接点连出不同发不同单片间夹角大小可调，且整个结构为拼接而成，可实现任意节点加载，适应于各种不同形式的桁架结构，制作过程简单，完全可由学生自行加工操作，完全符合课堂教学要求。

Description

一种积木式桁架教学实验装置

技术领域

本发明属于土木工程专业实验结构力学教学领域，涉及一种实验结构力学教学实验装置，特别涉及一种积木式桁架教学实验装置。

背景技术

结构力学是力学与结构之间承上启下的专业基础课，其研究对象主要是平面杆件体系，其任务是解决该类结构的刚度、强度和稳定性问题。桁架结构是土木工程专业结构力学教学中最基本最重要的结构。但是在目前的结构力学关于桁架结构的教学中理论知识较多，内容较为抽象，学生理解起来有一定难度。在日益重视实践、重视创新能力培养的背景下，把抽象的问题具体化，实践教学显得尤为重要。

桁架是结构力学中最常见的结构，能准确的研究其受力性能对于结构力学整门课程的理解至关重要。但是，如何能选择一种简单、实用，而且又便于学生理解掌握的实验结构装置却不容易。目前已有较多关于桁架的发明，主要是用于实际生产生活或者实验室内使用，但是非积木式，存在设备体积较大、不能任意设计模型以及不能拿到课堂教学中直接使用等缺陷。本发明提供了一种较为合理的且可以直接在课堂教学中使用的积木式桁架教学实验装置。

发明内容

为了克服现有的桁架结构实验装置难以满足实验教学要求，且形式固定、难以自行加工、偏差较大以及资金投入较多等缺陷，本发明旨在提供一种积木式桁架结构实验教学装置，该结构木质结构，容易自制、成本低廉、可重复使用、可做任意形式桁架结构，可实现任意节点加载，给学生提供标准件后学生在课堂中可自行加工制作，让学生在实践中学习，能满足实验结构力学的教学要求。

本发明提供了一种积木式桁架实验教学装置，为两榀桁架，可防止平面外位移，该教学实验装置包括杆件、连接补强片、节点、插片、支座和加载砝码。

杆件可有三种不同的形式选择，分别为“一”字型、“回”字型以及“H”型。“一”字型杆件为呈两侧梳齿状的长条；“回”字型杆件由翼缘和腹板拼接而成，翼缘为呈两侧梳齿状的长条，中间有两排镂空插接点,腹板部分由两根刚好和翼缘插接点吻合的呈锯齿状的长条组成；“H”字型杆件也由翼缘和腹板拼接而成，翼缘为呈两侧梳齿状的长条，中间有单排镂空插接点,腹板部分由一根刚好和翼缘插接点吻合的呈锯齿状的长条组成。这三种形式的杆件皆为可批量生产的标准件，实验时可根据计算长度截短，亦可通过连接补强片加长，实现了长度可调的目标。

延长补强片包含腹板延长补强片和翼缘延长补强片两种，可用于连接两根杆件以制作更长的杆件，亦可用于薄弱处补强，都是通过杆件与延长片通过延长插片插接而成。

节点：由多个呈锯齿状的单板、垫片、圆柱转轴和卡扣组装而成，相邻单片间夹角大小可调；每个单片呈钥匙状，杆件插入孔洞，插入数量根据实验要求可自行确定，外侧和内侧用垫片将其固定。整个节点完全插接而成，具有简单容易可拆卸的特点。

插片：包括节点插片和延长补强插片两种，节点和杆件通过节点插片插接，翼缘和腹板与翼缘延长补强片和腹板延长补强片之间通过延长补强插片插接，插片为呈单侧梳齿状的短木塞，具有灵活可拆卸的特点。

支座：包括固定铰支座和可动铰支座，其中固定铰支座采用梯形端板，可动铰支座采用扇形端板，均通过端板的圆形镂空与桁架模型的圆柱转轴相连。

加载砝码：由于本发明为两榀桁架，因此可在两榀桁架中间任一圆柱转轴的位置挂砝码，实现任意节点加载的功能。

本发明的优势是可根据课程需要，杆件可长短可调，同一个铰接点连出不同发不同单片间夹角大小可调，且整个结构为拼接而成，可拆卸可重复利用，可实现任意节点加载，适应于各种不同形式的桁架结构，制作过程简单，完全可由学生自行加工操作，完全符合课堂教学要求。

附图说明

图1是本发明所述翼缘延长片。

图2是本发明所述腹板延长片。

图3是本发明所述节点。

图4是本发明所述固定铰支座。

图5是本发明所述可动铰支座。

图6是本发明所述“一”字型杆件。

图7是本发明所述“一”字型杆件延长插接图。

图8是本发明所述“一”字型杆件与节点插接图。

图9是本发明所述“回”字型杆件翼缘。

图10是本发明所述型杆件腹板。

图11是本发明所述“回”字型杆件。

图12是本发明所述“回”字型杆件延长插接图。

图13是本发明所述“回”字型杆件与节点插接图。

图14是本发明所述“H”型杆件翼缘。

图15是本发明所述“H”型杆件。

图16是本发明所述“H”型杆件延长插接图。

图17是本发明所述“H”型杆件与节点插接图。

图18是本发明拼接的立体加载图。

图19是本发明拼装的单榀梯形桁架。

图20是本发明拼装的单榀三角形桁架。

图21是本发明拼装的单榀抛物线形桁架。

图中：1延长补强片，11翼缘延长补强片，111翼缘延长补强片凸起，12腹板延长补强片，121腹板延长补强片镂空；2砝码；3节点,31单片，32圆柱转轴，33垫片，34卡片；4插片，41“一”字型杆件节点插片，42“回”字型杆件节点插片,43“H”型杆件节点插片，44“一”字型杆件延长补强插片，45“回”字型杆件延长补强插片,46“H”型杆件延长补强插片；5支座，51梯形端片，52圆形镂空，53插条，54底板，55扇形端片；6杆件，61“一”字型杆件翼缘,62“回”字型杆件翼缘,63“H”型杆件翼缘，64翼缘凸起，65长方形镂空，66腹板，661腹板凸起，662腹板镂空。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况确定具体的实施方式。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

如图6所示，“一”字型杆件由一根“一”字型杆件翼缘61组成，是以5mm长度为一个基本单位的呈两侧带有翼缘凸起64的长条；如图11所示，“回”字型杆件包括如图9所示的翼缘和如图10所示的腹板两部分，“回”字型杆件翼缘62部分为以20mm长度为一个单位的双面梳齿状的长条，每个单位长度内有两个平行的长方形镂空65的标准件；腹板也是以20mm长度为一个单位，为带有腹板凸起661和腹板镂空662的长条标准件；这样，两根“回”字型杆件翼缘62中间插入两根腹板66，腹板凸起661位置插入长方形镂空65位置，形成过盈配合，组成结构非常稳定“回”字型的杆件；如图15所示，“H”型杆件包括“H”型杆件翼缘63和腹板66两部分，翼缘部分为以20mm长度为一个单位的双面梳齿状的长条，每个单位长度内有一排平行于边缘的长方形镂空65的标准件；“H”型杆件腹板和“回”字型杆件腹板相同，但是两根“H”型杆件翼缘63中间插入一根腹板66，腹板凸起661位置插入长方形镂空65位置，形成过盈配合，亦组成结构非常稳定的“H”杆件。

插片包括节点插片和延长补强插片。其中节点插片包括“一”字型杆件节点插片41，“回”字型杆件节点插片42以及“H”型杆件节点插片43；延长补强插片包括“一”字型杆件延长补强插片44，“回”字型杆件延长补强插片45以及“H”型杆件延长补强插片46。

节点插片在杆件插入节点中间锯齿对齐后卡入锯齿中且节点插片顶部插入腹板镂空662中用于固定，为了达到稳定性的要求，至少插接三个节点插片，插片的规格需要根据铰接点连接的杆件数设计。节点插片有三种不同的形式，包括“一”字型杆件节点插片41，如图8所示，该插片呈四齿形；“回”字型杆件节点插片42，如图13所示，该插片呈中间为变截面的M型以及“H”型杆件节点插片43，如图17所示，该插片亦呈中间为变截面的M型，但变截面位置与“回”字型杆件节点插片42不同，因为这两种杆件腹板数不同，“回”字型杆件为两个而“H”型杆件只有一个。每种形式的插片尺寸可根据杆件尺寸及单片31间距计算。

批量生产的杆件可以通过剪切截取需要的长度，当然如果长度不够亦可延长，延长工具包括如图1所示的翼缘延长补强片和如图2所示的腹板延长补强片，翼缘延长补强片，尺寸与“一”字型杆件尺寸完全相同，腹板延长补强片与“回”字型和“H”型腹板去除凸起部分尺寸形同。延长补强插片42各有三种不同的形式，每种形式的插片尺寸可根据杆件形式确定。如图7所示，“一”字型杆件相当于只有一根翼缘的杆件，为了达到延长效果，“一”字型杆件翼缘凸起64和翼缘延长补强片凸起111完全重合，通过“一”字型杆件延长补强插片44插接，为能承受一定荷载，左右至少各插接三个延长补强插片44；如图12所示，“回”字型杆件为了达到延长效果，“回”字型杆件翼缘凸起64和翼缘延长补强片凸起111尺寸相同，腹板延长补强片镂空121和如图10所示的腹板镂空662尺寸相同，为了能承受一定荷载，两侧翼缘和两个腹板左右两侧至少各插接三个“回”字形杆件延长补强插片45；如图16所示，“H”型杆件翼缘凸起64和翼缘延长补强片凸起111尺寸相同，腹板延长补强片镂空121和如图10所示的腹板镂空662尺寸相同，为能承受一定荷载两侧翼缘和中间腹板左右两侧至少各插接三个“H”字形杆件延长补强插片46。

如图3所示，节点平面呈锯齿状，可以连接多根杆件，节点单片31呈钥匙状，尾部镂空位置插入圆柱转轴32中，使其可以自由转动，两个呈中间对称的单片为一组，根据设计不同，单片中间插入数量不同的垫片33，把杆件插入两根单片中间并用相应尺寸的卡片34固定。由于节点单片相对独立，因此实现了相邻锯齿间夹角可调的目标。我们设计了三种不同的长度规格，三种计算长度分别为46mm(45mm+1mm)、47mm(45mm+2mm)、48mm(45mm+3mm)，这样可以拼接出任意长度的杆件，当然，若长度不够可以通过延长杆进行延长。这样，我们可以根据计算长度任意截取变短，亦可通过黏贴延长杆加长，初步实现了杆件长度可变的目标。

比如，我们需要长度为212mm长度的杆件，我们就可以选择两端长度皆为46mm(45mm+1mm)的交接点，在截取6个单位长度的杆件插接而成；又比如，我们需要长度为233mm长度的杆件，我们就可以选择左侧端长度皆为46mm(45mm+1mm)的交接点，右侧端长度皆为47mm(45mm+2mm)的交接点，在截取7个单位长度的杆件插接而成；其他情况组合道理亦然。

如图4和图5所示，支座包括固定铰支座和可动铰支座，其中固定铰支座采用梯形端板51，可动铰支座采用扇形端板55。两端梯形端板51和底板54通过插条53插接，两端扇形端板55亦通过插条53插接，梯形端片51和扇形端板55上设计有圆形镂空52，相应地插入铰接点中的圆柱转轴32最外侧中。由于此桁架为两榀桁架，这样可以形成较为稳定的支座。

如图18所示，因为本设计为两榀桁架，可在两榀桁架中间圆柱转轴32挂相应砝码2的方式加载，能够实现任意节点加载。

“一”字型、“回”字型和“H”型这三种截面形式的杆件皆可拼装为以下三种形式的桁架：如图19所示的梯形桁架、如图20所示的三角形桁架以及如图21所示的抛物线形桁架。

本申请实施的优点；木质薄片材料，便于自行截取，可自行插接，可自行拆卸，可重复使用，成本低廉。杆件皆为批量生产的标准件，学生可根据课程计算需要任意截取需要长度，铰接点连接的杆件夹角大小可调，可根据实际需要组装任意形式桁架。是一个可广泛使用、一劳永逸的教学实验装置。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的具体保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本申请公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种积木式桁架教学实验装置，其特征是包括：杆件、节点、插片、支座、延长补强片及加载砝码，所述杆件以一个固定长度为基本单位，包括三种不同的截面形式，分别为“一”字型截面、“回”字型截面以及“H”型截面；“一”字型杆件为两侧梳齿状的长条；“回”字型杆件由翼缘和腹板插接而成，翼缘为呈两侧梳齿状的长条，中间有两排镂空插接点，腹板部分由两根刚好和翼缘插接点吻合的呈锯齿状的长条组成；“H”字型杆件也由翼缘和腹板插接而成，翼缘为呈两侧梳齿状的长条，中间有单排镂空插接点，腹板部分由一根刚好和翼缘插接点吻合的呈锯齿状的长条组成；所述节点由单片、圆柱转轴、垫片及卡片组成；单片呈锯齿状，两个关于中间对称的单片为一组，不同组单片间夹角可调；其中，杆件和延长补强片之间通过延长补强插片插接，以实现杆件的延长，杆件和节点之间通过节点插片插接，两个桁架通过共用一个节点圆柱转轴相连，支座套接在节点圆柱转轴处，砝码在两榀桁架之间节点圆柱转轴中间处加载。

2.根据权利要求1所述的积木式桁架教学实验装置，其特征是：单片共三种不同的长度规格，可与杆件通过插片插接出所需长度。

3.根据权利要求1所述的积木式桁架教学实验装置，其特征是：所述插片包括节点插片和延长补强插片，分别有三种不同的规格，可连接多个杆件，可根据插接宽度选取对应规格的插片。

4.根据权利要求1所述的积木式桁架教学实验装置，其特征是：所述支座由端片、底板及插条组成，形式分为两种，一种采用端片为梯形的结构，可通过圆形镂空与节点相连形成固定铰支座；另一种采用端片为扇形的结构，可通过圆形镂空与节点相连形成可动铰支座。

5.根据权利要求1所述的积木式桁架教学实验装置，其特征是：所述杆件通过插接可以组成多种结构形式的桁架。

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