CN206132334U - 一种多跨梁结构实验模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多跨梁结构实验模型，包括多跨梁结构、电动伺服加载装置、转角约束及加载装置、支承及约束装置和测量设备；所述多跨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销栓连接而成；所述的电动伺服加载装置有两种结构，两种结构与控制系统一起工作，都有位移控制加载和荷载控制加载两种方式；所述的转角约束及加载装置包括丝杠升降机、扭矩传感器、随动圆盘和连接件；所述的支承及约束装置包括反力框架和多跨梁结构的约束支承；所述的测量设备包括力传感器、应变片、转角传感器和百分表。该装置结构简单、可重复利用、测量结果准确，能够实现结构力学影响线和力矩分配法等教学内容的实验化。

Description

一种多跨梁结构实验模型

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、超静定多跨梁结构实验装置以及应用该装置进行的结构力学实验。

背景技术

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，反力框架只起到支撑和提供导轨的作用,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，所以发明一种多跨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，发明一种多跨梁结构实验装置，该装置结构简单、可重复利用、测量结果准确，能够实现结构力学影响线和力矩分配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：

一种多跨梁结构实验模型包括多跨梁结构、电动伺服加载装置、转角约束及加载装置、支承及约束装置和测量设备。

所述的多跨梁结构分为静定多跨梁结构和超静定多跨梁结构。

所述静定多跨梁结构包括第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和螺栓2b。第一矩形薄片杆件1a一端通过螺栓2b与第二矩形薄片杆件1b的一端相连，实现两杆铰接；另一端通过第一销栓2a与固定铰支座相连，中间部位通过第一销栓2a与活动铰支座相连；第二矩形薄片杆件1b的另一端通过第一销栓2a与活动铰支座相连，实现静定多跨梁结构与支座连接。

所述超静定多跨梁结构包括第三矩形薄片杆件1c、第二矩形薄片杆件1b和螺栓2b。第三矩形薄片杆件1c一端通过螺栓2b与第二矩形薄片杆件1b的一端相连，实现两杆件铰接；另一端通过T形挡块2c-1和矩形挡块2c-2的夹持，与固定支座3a相连，用于固定第二矩形薄片杆件1b，其中T形挡块2c-1通过螺丝与固定支座3a连接；第三矩形薄片杆件1c中间两部位通过第一销栓2a与活动铰支座相连实现铰接。所述的第二矩形薄片杆件1b的另一端通过第一销栓2a与活动铰支座相连，实现超静定多跨梁结构与支座的连接。

所述的电动伺服加载装置有两种结构，两种结构分别与其控制系统一起工作，都有位移控制加载和荷载控制加载两种方式。通过电动伺服加载装置，实现对多跨梁结构的外力加载，加载装置通过自身控制系统进行加载，并且可显示出荷载大小以及加载点的位移。

第一种电动伺服加载装置包括低频电动缸4、第一连接件5、加载杆6和杆件夹具A7，用于竖向荷载直接作用在第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和第三矩形薄片杆件1c；所述的低频电动缸4一端通过螺丝与小车平台10相连，小车平台10通过底部的四个滑块安装在反力框架11的导轨上，小车平台10能够沿导轨水平移动；所述的低频电动缸4另一端通过带螺纹第一连接件5与加载杆6相连，加载杆6通过螺纹与杆件夹具A7相连。所述的杆件夹具A7包括第二连接件7a、销钉7b、第一凹形杆件夹片7c和第二凹形杆件夹片7d；所述的第二连接件7a一端通过螺纹和加载杆6连接，另一端具有带螺纹的小孔，通过螺纹与销钉7b连接；所述的第一凹形杆件夹片7c通过带螺纹小孔与销钉7b连接，第二凹形杆件夹片7d通过螺丝与第一凹形杆件夹片7c相连，用于将第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和第三矩形薄片杆件1c夹持固定。

第二种电动伺服加载装置包括低频电动缸4、第一连接件5、加载杆6、杆件夹具B8和分配梁9，用于结点承载下多跨梁的内力影响线。所述的小车平台10、低频电动缸4、第一连接件5和加载杆6依次相连，杆件夹具B8通过螺丝与分配梁9相连，分配梁9通过第一销栓2a将荷载传递到第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和第三矩形薄片杆件1c，实现外力加载；分配梁9与第一销栓2a连接的部位具有与第一销栓2a外径一致的弧形缺口，保证外力加载过程的稳定性。所述的杆件夹具B8包括第三连接件8a、圆柱形插销8b、H形杆件夹片8c和矩形杆件夹片8d；所述的第三连接件8a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，用于将分配梁9夹持固定。

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和第四连接件12e。所述的丝杠升降机12a底部通过螺丝固定在矩形空心垫块12f上，矩形空心垫块12f通过螺丝固定在小车平台10上，矩形空心垫块12f保证丝杠升降机12a和第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和第三矩形薄片杆件1c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。所述的第四连接件12e一端通过第二销栓12d与随动圆盘12c相连，中部插入铰支座3b的圆孔中，另一端通过螺栓连接转角传感器，用于测量转角大小；所述的第四连接件12e在中间部位还具有矩形小孔洞与第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和第三矩形薄片杆件1c尺寸相同，保证第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和第三矩形薄片杆件1c直接穿过矩形小孔，矩形小孔洞顶部具有螺栓孔，通过螺栓将第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和第三矩形薄片杆件1c和第四连接件12e固接在一起。所述的转角约束及加载装置能够用于约束多跨梁铰结点的转动，通过扭矩传感器测出结点处产生的扭矩；所述的转角约束及加载装置还能够通过对铰结点施加弯矩，使多跨梁结构在结点处产生角位移，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和多跨梁结构的约束支承。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，上横梁导轨通过滑块固定小车平台10，小车平台10通过螺丝连接加载装置，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上方通过螺丝连接固定支座3a或铰支座3b，实现固定支座或固定铰支座；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支座3b，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、应变片、转角传感器和百分表。所述的应变片粘贴在第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和第三矩形薄片杆件1c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；所述的低频电动缸4的力传感器测量外力对多跨梁结构所施加的荷载值；所述的转角传感器通过螺栓固定于刚架结构的第四连接件12e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；所述的百分表通过磁性表座固定在反力框架11，用于测量第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和第三矩形薄片杆件1c不同位置的位移。

上述多跨梁结构实验模型能够用于以下结构力学实验:

当静定多跨梁结构实验模型用于静力法作静定多跨梁内力影响线

第一步，组装静定多跨梁结构，并确定各实验点位置，第一矩形薄片杆件(1a)从左到右依次为A、B、C、D和E，其中最左端标注A、中间与支座(2a)相连的位置标注C、右端和第二矩形薄片杆件(1b)相连的位置标注E；第二矩形薄片杆件(1b)从左到右再依次为F、G、H，其中H在最右侧。测量各实验点之间的距离，即AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH之间的距离；第一矩形薄片杆件(1a)和第二矩形薄片杆件(1b)在各实验点中间贴有应变片，测量各应变片到相邻实验点的位置；

第二步，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B，在B点与第一矩形薄片杆件(1a)相连；

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F_p，同时测量第一矩形薄片杆件和第二矩形薄片杆件(1a、1b)上各点应变片的数值，计算出各点弯矩，并求出实验点位置在单位荷载作用下各应变片处的弯矩；

第五步，重复第四步实验至少三次，求出实验点位置在单位荷载作用下各应变片处的弯矩平均值；

第六步，绘制在单位荷载作用在实验点位置时的多跨梁结构弯矩图，并求出支座反力；

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D，在D点与第一矩形薄片杆件(1a)相连，重复第四步到第六步；

第八步，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，在F点与第二矩形薄片杆件(1b)相连，重复第四步到第六步；

第九步，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，在G点与第二矩形薄片杆件(1b)相连，重复第四步到第六步；

第十步，根据实验点B、D、F和G施加单位荷载时，A点的支座反力值，绘制A点支座反力影响线；同理，可以求出C和H处支座反力影响线；

第十一步，根据实验点B、C、D、F和G施加单位荷载时，B点弯矩值，绘制B点弯矩影响线；同理，绘制任一点内力影响线。

当静定多跨梁结构实验模型用于机动法作静定多跨梁内力影响线

第一步，组装静定多跨梁结构，并确定各实验点位置，第一矩形薄片杆件(1a)从左到右依次标注A、B、C、D和E，其中最左端标注A、中间与支座(2a)相连的位置标注C、右端和第二矩形薄片杆件(1b)相连的位置标注E；第二矩形薄片杆件(1b)从左到右再依次标注F、G、H，其中H在最右侧。测量各实验点之间的距离，即AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH之间的距离；在B、D、F、G位置布置百分表；

第二步，去掉实验点A处固定铰支座；

第三步，在实验点处连接第一种电动伺服加载装置，在实验点处再布置一个百分表；

第四步，对静定多跨梁结构进行预加载，各点百分表置零；采用分级加载方式在实验点位置施加竖向荷载F_p，同时读取各点百分表读数，求出实验点产生单位位移时，其他各点百分表位移值；

第五步，重复第四步实验至少三次，求出实验点位置在单位位移作用下各点百分表的位移平均值；

第六步，将各点百分表位移平均值连线，作出实验点支座反力影响线；

第七步，去掉实验点C处活动铰支座，重复第三步到第六步，作出C点支座反力影响线；

第八步，去掉实验点H处活动铰支座，重复第三步到第六步，作出H点支座反力影响线。

当静定多跨梁结构实验模型用于结点承载方式下静定多跨梁的内力影响线

第一步，组装静定多跨梁结构，并确定各实验点位置，第一矩形薄片杆件(1a)进行四等分，每一段长度等于分配梁长度，从左到右依次标注实验点A、B、C、D和E，其中A点安装固定铰支座，D点安装活动铰支座，E点和第二矩形薄片杆件(1b)相连；第二矩形薄片杆件(1b)进行二等分，每一段长度等于分配梁长度，中间位置标注F，右端与活动铰支座连接位置标注G；测量分配梁长度。第一矩形薄片杆件(1a)和第二矩形薄片杆件(1b)在各实验点中间贴有应变片，测量各应变片到相邻实验点的位置；

第二步，将分配梁(9)安装在实验点A和B上；

第三步，在分配梁(9)上布置两个实验点H和I，测量两个实验点的位置；

第四步，在分配梁(9)的实验点H安装第二种电动伺服加载装置；

第五步，对静定多跨梁结构进行预加载，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F_p，同时测量第一矩形薄片杆件和第二矩形薄片杆件(1a、1b)上各点应变片的数值，计算出各点弯矩，并求出实验点位置在单位荷载作用下各应变片处的弯矩；

第六步，重复第五步实验至少三次，求出实验点位置在单位荷载作用下各应变片处的弯矩平均值；

第七步，绘制在单位荷载作用在实验点位置时的多跨梁结构弯矩图，并求出支座反力；

第八步，安装第二种电动伺服加载装置的小车平台(10)水平移动到实验点I，重复第五步到第七步；

第九步，根据分配梁(9)安装于实验点H和I并施加单位荷载时A点的支座反力值，计算出分配梁(9)与第一矩形薄片杆件和第二矩形薄片杆件(1a或1b)连接点处施加单位荷载时A点的支座反力值；同理，可以求出分配梁(9)与第一矩形薄片杆件和第二矩形薄片杆件(1a或1b)连接点处施加单位荷载时D和G的支座反力值；

第十步，将分配梁(9)依次安装于实验点B和C、C和D、F和G，重复第五步到第九步；

第十一步，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E，重复第五步到第七步；

第十二步，根据实验点A、B、C、D、E、F、G施加单位荷载时B点弯矩值，绘制B点弯矩影响线；同理，绘制任一点内力影响线；

第十三步，根据实验点A、B、C、D、E、F、G施加单位荷载时A点支座反力值，绘制A点支座反力线；同理，绘制D、G点支座反力影响线。

当超静定多跨梁结构实验模型用于静力法作超静定多跨梁内力影响线

连接超静定多跨梁结构，静力法作超静定多跨梁内力影响线的实验方法与静力法作静定多跨梁内力影响线的实验方法相同。

当超静定多跨梁结构实验模型用于机动法作超静定多跨梁支座反力影响线

连接超静定多跨梁结构，机动法作超静定多跨梁支座反力影响线的实验方法与机动法作静定多跨梁支座反力影响线的实验方法相同。

当超静定多跨梁结构实验模型用于机动法作超静定多跨梁转角影响线

第一步，组装超静定多跨梁结构，并确定各实验点位置，第三矩形薄片杆件(1c)从左到右依次标注A、B、C、D、E、F和G，其中最左端标注A、中间与支座(2a)相连的位置分别标注D和F、右端和第二矩形薄片杆件(1b)相连的位置标注G；第二矩形薄片杆件(1b)从左到右再依次标注G、H、I，其中I在最右侧。测量各实验点之间的距离，即AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH、HI之间的距离；在B、C、E、G、H位置布置百分表；

第二步，在实验点D位置支座处安装转角约束及加载装置(12)；

第三步，转动丝杠升降机(12a)的手轮，对超静定多跨梁结构进行预加载，并平衡转角传感器，各点百分表置零；

第四步，采用分级加载方式在实验点位置施加转角θ，同时读取各点百分表读数，求出实验点产生单位转角时，其他各点百分表位移值；

第五步，重复第四步实验至少三次，求出实验点位置在单位转角作用下各点百分表的位移平均值；

第六步，将各点百分表位移平均值用光滑线连接，作出实验点转角位移影响线；

第七步，在实验点D位置支座处安装转角约束及加载装置(12)，重复第三步到第六步，作出D点转角位移影响线；

第八步，在实验点F位置支座处安装转角约束及加载装置(12)，重复第三步到第六步，作出F点转角位移影响线；

第九步，在实验点I位置支座处安装转角约束及加载装置(12)，重复第三步到第六步，作出I点转角位移影响线。

当超静定多跨梁结构实验模型用于机动法作超静定多跨梁力矩分配法

第一步，组装超静定多跨梁力矩分配法原结构实验装置图，并确定各实验点位置，第三矩形薄片杆件(1c)从左到右依次标注A、B、D和C，其中最左端标注A、中间与支座(2a)相连的位置分别标注B、最右端标注C；第三矩形薄片杆件(1c)上、下表面贴有应变片，测量各应变片到相邻实验点的位置；

第二步，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D，在D点与第三矩形薄片杆件(1c)相连；

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D位置施加竖向荷载F_p，同时测量第三矩形薄片杆件(1c)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，求出实验点位置在竖向荷载F_p作用下各应变片处的弯矩平均值，绘制超静定多跨梁原结构弯矩图；

第六步，在B点支座处安装转角约束及加载装置(12)，约束B点转动，重复第三步到第五步，作出超静定多跨梁约束转角下荷载作用弯矩图，求出B点约束弯矩M_p；

第七步，拆卸第一种电动伺服加载装置，转动丝杠升降机(12a)的手轮，对超静定多跨梁结构进行反向预加载，并平衡扭矩传感器(12b)；

第八步，转动丝杠升降机(12a)的手轮，施加弯矩-M_p，同时测量第三矩形薄片杆件(1c)上各点应变片的数值，计算出各点弯矩；

第九步，重复第七步和第八步实验至少三次，作出超静定多跨梁节点转角单独作用弯矩图；

第十步，将第六步和第九步的弯矩图叠加，并与第五步的弯矩图比较。

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可以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为杆件夹具A的结构详图；

图2为杆件夹具B的结构详图；

图3a为带有扭矩约束和加载装置的结点俯视图；

图3b为带有扭矩约束和加载装置的结点侧视图；

图4a为固定支座正视图；

图4b为固定支座侧视图；

图4c为固定支座俯视图；

图5a为铰支座正视图；

图5b为铰支座侧视图；

图5c为铰支座俯视图；

图6为静力法作静定多跨梁内力影响线原结构实验装置图；

图7为机动法作静定多跨梁支座反力影响线实验装置图；

图8为结点承载方式下静定多跨梁内力影响线实验装置图；

图9为静力法作超静定多跨梁内力影响线原结构实验装置图；

图10为机动法作超静定多跨梁支座反力影响线实验装置图；

图11为超静定多跨梁转角影响线实验装置图；

图12为超静定多跨梁力矩分配法原结构实验装置图；

图13为超静定多跨梁力矩分配法荷载作用约束转角实验装置图；

图14为超静定多跨梁力矩分配法结点转角单独作用实验装置图；

图中：1a第一矩形薄片杆件；1b第二矩形薄片杆件；1c第三矩形薄片杆件；2a第一销栓；2b螺栓；2c-1T形挡块；2c-2矩形挡块；3a固定支座；3b铰支座；4低频电动缸；5第一连接件；6加载杆；7杆件夹具A；7a第二连接件；7b销钉；7c第一凹形杆件夹片；7d第二凹形杆件夹片；8杆件夹具B；8a第三连接件；8b圆柱形插销；8c H形杆件夹片；8d矩形杆件夹片；9分配梁；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第二销栓；12e第四连接件；12f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，包括静力法和机动法作静定多跨梁内力影响线；结点承载方式下静定多跨梁内力影响线；静力法和机动法作超静定多跨梁内力影响线；位移影响线；超静定多跨梁力矩分配法等。

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。

多跨梁结构实验装置包括多跨梁结构、电动伺服加载装置、转角约束及加载装置、支承及约束装置和测量设备；所述多跨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销栓连接而成；所述的电动伺服加载装置有两种结构，两种结构与控制系统一起工作，都有位移控制加载和荷载控制加载两种方式；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和第四连接件12e；所述的支承及约束装置包括反力框架11和多跨梁结构的约束支承；所述的测量设备包括力传感器、应变片、转角传感器和百分表。

实验装置的具体安装和实施方式如下：

实施例1：静力法和机动法作静定多跨梁内力影响线

图6为静力法作静定多跨梁内力影响线原结构实验装置图。

静定多跨梁结构由第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和螺栓2b组成。第一矩形薄片杆件1a一端通过螺栓2b与第二矩形薄片杆件1b相连，另一端通过第一销栓2a与固定铰支座相连，中间部位通过第一销栓2a与活动铰支座相连；第二矩形薄片杆件1b一端通过螺栓2b与第一矩形薄片杆件1a相连，另一端通过第一销栓2a与活动铰支座相连，实现静定多跨梁结构与支座的连接。

所述电动伺服加载装置由低频电动缸4、第一连接件5、加载杆6和杆件夹具A7，依次首尾通过螺纹连接而成。杆件夹具A7与竖向薄壁杆件1a连接，对静定多跨梁结构施加荷载。

应变片粘贴在第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件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；低频电动缸4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。

电动伺服加载装置连接的小车平台10水平移动，改变加载点的位置，使加载点作用在第一矩形薄片杆件1a和第二矩形薄片杆件1b的不同位置，测得移动荷载作用下杆件各点内力大小和支座反力大小。

图7为机动法作静定多跨梁支座反力影响线实验装置图。

利用机动法测量第一矩形薄片杆件1a左端相连的固定铰支座3b的支座反力影响线，与原结构图6相比，去掉固定铰支座实验装置2a、3b和14，并将电动伺服加载装置连接的小车平台10沿反力框架11的导轨水平移动到所求支座的竖直位置。通过电动伺服加载装置对所求支座施加荷载。在第一矩形薄片杆件1a和第二矩形薄片杆件1b上等距离布置百分表，百分表通过磁性表座固定在反力框架11上，测量各个百分表的读数。

同理，可以利用机动法测量其他铰支座的支座反力影响线。

实施例2：结点承载方式下静定多跨梁的内力影响线

图8为结点承载方式下静定多跨梁的内力影响线实验装置图。

所述静定多跨梁结构由第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b和螺栓2b组成。第一矩形薄片杆件1a一端通过螺栓2b与第二矩形薄片杆件1b相连，另一端通过第一销栓2a与固定铰支座相连，中间部位通过第一销栓2a与活动铰支座相连；第二矩形薄片杆件1b一端通过螺栓2b与第一矩形薄片杆件1a相连，另一端通过第一销栓2a与活动铰支座相连，实现静定多跨梁结构与支座的连接。

所述电动伺服加载装置由低频电动缸4、第一连接件5、加载杆6、杆件夹具B8和分配梁9，依次首尾通过螺纹连接，分配梁9通过第一销栓2a将荷载传递到梁，实现结点承载方式加载。

通过粘贴在第一矩形薄片杆件1a、第二矩形薄片杆件1b的应变片所测应变值计算杆件各点内力大小和支座反力大小；低频电动缸4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。

电动伺服加载装置连接的小车平台10水平移动，改变加载点的位置，使加载点作用在第一矩形薄片杆件1a和第二矩形薄片杆件1b的不同位置，得到移动荷载作用下杆件各点内力大小和支座反力大小。

实施例3：静力法和机动法作超静定多跨梁内力影响线

图9为静力法作超静定多跨梁内力影响线原结构实验装置图。

所述超静定多跨梁结构由第三矩形薄片杆件1c、第二矩形薄片杆件1b和螺栓2b组成。第三矩形薄片杆件1c一端通过螺栓2b与第二矩形薄片杆件1b相连实现两杆件铰接，另一端通过T形挡块2c-1和矩形挡块2c-2夹持与固定支座3a相连实现固定端，第三矩形薄片杆件1c中间两部位通过第一销栓2a与活动铰支座相连实现铰接；第二矩形薄片杆件1b一端通过螺栓2b与第一矩形薄片杆件1a相连，另一端通过第一销栓2a与活动铰支座相连，实现超静定多跨梁结构与支座的连接。

所述电动伺服加载装置由低频电动缸4、第一连接件5、加载杆6和杆件夹具A7，依次首尾通过螺纹连接而成。杆件夹具A7与第三矩形薄片杆件1c连接，对超静定多跨梁结构施加荷载。

应变片粘贴在第三矩形薄片杆件1c、第二矩形薄片杆件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；低频电动缸4测得对超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。

电动伺服加载装置连接的小车平台10水平移动，改变加载点的位置，使加载点作用在第三矩形薄片杆件1c和第二矩形薄片杆件1b的不同位置，测得移动荷载作用下杆件各点内力大小和支座反力大小。

图10为机动法作超静定多跨梁支座反力影响线实验装置图。

利用机动法测量第三矩形薄片杆件1c中间相连的活动铰支座3b的支座反力影响线，与原结构图9相比，去掉铰支座实验装置2a、3b和15，并将电动伺服加载装置连接的小车平台10沿反力框架11的导轨水平移动到所求支座的竖直位置。通过电动伺服加载装置对所求支座施加荷载。在第三矩形薄片杆件1c和第二矩形薄片杆件1b上等距离布置百分表，百分表通过磁性表座固定在反力框架11上，测量各个百分表的读数。

同理，可以利用机动法测量其他铰支座的支座反力影响线。

实施例4：位移影响线

图11为超静定多跨梁转角影响线实验装置图。

与图9相比，去掉电动伺服加载装置，在第三矩形薄片杆件1c中间支座位置增加转角约束及加载装置，由丝杠升降机12a、扭矩传感器12b、随动圆盘12c和第四连接件12e依次连接。通过转动丝杠升降机12a的主动转轴对超静定多跨梁的支座3b处结点施加弯矩，使结点处产生转角，通过转角传感器可测出角位移数值，扭矩传感器12b可测出多跨梁结构在结点处产生的扭矩。在第三矩形薄片杆件1c和第二矩形薄片杆件1b上等距离布置百分表，百分表通过磁性表座固定在反力框架11上，测量各个百分表的读数。

同理，可以利用机动法测量其他铰支座的转角影响线。

实施例5：超静定多跨梁力矩分配法

图12为超静定多跨梁力矩分配法原结构实验装置图。与图9相比，减少附属部分，即第二矩形薄片杆件1b和相关铰支座。

利用电动伺服加载装置对超静定多跨梁结构施加荷载。低频电动缸4测得对超静定多跨梁结构所施加的荷载值；通过粘贴在第三矩形薄片杆件1c的应变片所测应变值计算杆件各点弯矩大小，并绘制弯矩图。

图13为超静定多跨梁力矩分配法荷载作用约束转角实验装置图。与图12相比，在第三矩形薄片杆件1c中间支座位置增加转角约束及加载装置12，约束中间支座的转角，加载后通过扭矩传感器12b测得约束值大小。通过所第三矩形薄片杆件1c粘贴应变片所测应变值计算杆件各点弯矩大小，并绘制弯矩图。

图14为超静定多跨梁力矩分配法结点转角单独作用实验装置图。与图13相比，去掉电动伺服加载装置，通过转动丝杠升降机12a的转轴对第三矩形薄片杆件1c中间支座3b位置结点施加弯矩，使多跨梁结构在结点处产生转角。通过转角传感器可测出角位移数值，扭矩传感器12b可测出多跨梁结构在结点处产生的弯矩，通过所第三矩形薄片杆件1c粘贴应变片所测应变值计算杆件各点弯矩大小，并绘制弯矩图。

Claims (3)

1.一种多跨梁结构实验模型，其特征在于，该多跨梁结构实验模型包括多跨梁结构、电动伺服加载装置、转角约束及加载装置、支承及约束装置和测量设备；

所述的多跨梁结构分为静定多跨梁结构和超静定多跨梁结构；

所述静定多跨梁结构包括第一矩形薄片杆件和第二矩形薄片杆件(1a、1b)和螺栓(2b)；第一矩形薄片杆件(1a)一端通过螺栓(2b)与第二矩形薄片杆件(1b)的一端相连，实现两根杆件铰接；另一端通过第一销栓(2a)与固定铰支座相连，中间部位通过第一销栓(2a)与活动铰支座相连；第二矩形薄片杆件(1b)的另一端通过第一销栓(2a)与活动铰支座相连，静定多跨梁结构与支座连接；

所述超静定多跨梁结构包括第三矩形薄片杆件和第二矩形薄片杆件(1c、1b)和螺栓(2b)；第三矩形薄片杆件(1c)一端通过螺栓(2b)与第二矩形薄片杆件(1b)的一端相连，实现两杆件铰接；另一端通过T形挡块(2c-1)和矩形挡块(2c-2)的夹持，与固定支座(3a)相连，用于固定第二矩形薄片杆件(1b)；第三矩形薄片杆件(1c)中间与活动铰支座相连，实现铰接；所述的第二矩形薄片杆件(1b)的另一端通过第一销栓(2a)与活动铰支座相连，实现超静定多跨梁结构与支座的连接；

所述的电动伺服加载装置有两种结构，两种结构分别与其控制系统连接，两种结构均有位移控制加载和荷载控制加载两种方式；

第一种电动伺服加载装置包括低频电动缸(4)、第一连接件(5)、加载杆(6)和杆件夹具A(7)，用于竖向荷载直接作用在第一矩形薄片杆件、第二矩形薄片杆件和第三矩形薄片杆件(1a、1b和1c)；所述的低频电动缸(4)一端与小车平台(10)相连，小车平台(10)安装在反力框架(11)的导轨上；所述的低频电动缸(4)另一端通过带螺纹第一连接件(5)与加载杆(6)相连，加载杆(6)与杆件夹具A(7)相连；

第二种电动伺服加载装置包括低频电动缸(4)、第一连接件(5)、加载杆(6)、杆件夹具B(8)和分配梁(9)；所述的小车平台(10)、低频电动缸(4)、第一连接件(5)和加载杆(6)依次相连，杆件夹具B(8)与分配梁(9)相连，分配梁(9)通过第一销栓(2a)将荷载传递到第一矩形薄片杆件、第二矩形薄片杆件和第三矩形薄片杆件(1a、1b和1c)，实现外力加载；分配梁(9)与第一销栓(2a)连接的部位具有与第一销栓(2a)外径一致的弧形缺口，保证外力加载过程的稳定性；

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)和第四连接件(12e)；所述的丝杠升降机(12a)底部固定在矩形空心垫块(12f)上，矩形空心垫块(12f)固定在小车平台(10)上，矩形空心垫块(12f)用于保证丝杠升降机(12a)和第一矩形薄片杆件、第二矩形薄片杆件和第三矩形薄片杆件(1a、1b和1c)高度一致；所述的扭矩传感器(12b)一端固定在随动圆盘(12c)上，另一端其轴承插入丝杠升降机(12a)中；所述的第四连接件(12e)一端与随动圆盘(12c)相连，中部插入铰支座(3b)的圆孔中，另一端连接转角传感器，用于测量转角大小；所述的第四连接件(12e)的中部的用于穿过第一矩形薄片杆件、第二矩形薄片杆件和第三矩形薄片杆件(1a、1b和1c)，孔洞顶部插入螺丝将第一矩形薄片杆件、第二矩形薄片杆件和第三矩形薄片杆件(1a、1b和1c)固接在第四连接件(12e)上；

所述的支承及约束装置包括反力框架(11)和多跨梁结构的约束支承；所述反力框架(11)包括反力架(11a)和两个底座(11b)，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，上下横梁导轨安装小车平台(10)；所述的矩形方墩(13)固定在下横梁安装的小车平台(10)上，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)上方连接固定支座(3a)或铰支座(3b)，实现固定支座或固定铰支座；当矩形方墩(13)上方固定滑道(15)时，滑道(15)上方连接铰支座(3b)，实现活动铰支座；所述的固定支座、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、应变片、转角传感器和百分表；所述的应变片粘贴在第一矩形薄片杆件、第二矩形薄片杆件和第三矩形薄片杆件(1a、1b和1c)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；所述的低频电动缸(4)的力传感器测量外力对多跨梁结构所施加的荷载值；所述的转角传感器固定在第四连接件(12e)上，用于测得结点处转角；所述的百分表固定在反力框架(11)上，用于测量第一矩形薄片杆件、第二矩形薄片杆件和第三矩形薄片杆件(1a、1b和1c)不同位置的位移；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。

2.根据权利要求1所述的一种多跨梁结构实验模型，其特征在于，所述的杆件夹具A(7)包括第二连接件(7a)、销钉(7b)、第一凹形杆件夹片(7c)和第二凹形杆件夹片(7d)；所述的第二连接件(7a)一端与加载杆(6)连接，另一端与销钉(7b)连接；所述的杆件夹片(7c)与销钉(7b)连接，杆件夹片(7d)与杆件夹片(7c)相连，将杆件(1a、1b和1c)夹持固定。

3.根据权利要求1或2所述的一种多跨梁结构实验模型，其特征在于，所述的杆件夹具B(8)包括第三连接件(8a)、圆柱形插销(8b)、H形杆件夹片(8c)和矩形杆件夹片(8d)；所述的第三连接件(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，用于将分配梁(9)夹持固定。