本實用新型屬于土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學實驗教學領(lǐng)域，涉及一種驗證零桿在桁架失穩(wěn)過程中的作用的教學實驗裝置。

背景技術(shù)：

隨著國民經(jīng)濟水平與科技水平的不斷發(fā)展，施工簡便、受力合理的桁架結(jié)構(gòu)建筑物不斷涌現(xiàn)。為保證結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性的要求，桁架的設(shè)計必須采用超靜定結(jié)構(gòu)，其中零桿是一個必不可少的組成部分。零桿指的是在二力桿假設(shè)狀態(tài)下桁架結(jié)構(gòu)中受力為零的桿件，因此零桿的存在對結(jié)構(gòu)中力的傳遞幾乎沒有貢獻，但是能夠減小相連桿件的有效長度，降低桿件的長細比，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力的提高有重要意義。故零桿是結(jié)構(gòu)力學教學中一個重要的知識點。

目前國內(nèi)各高等院校的結(jié)構(gòu)力學主要采用理論教學，對一些關(guān)鍵理論沒有進行實驗驗證，難免導致學生對相關(guān)理論理解不透徹，掌握不全面，甚至產(chǎn)生疑問。例如在零桿的學習中，學生從理論上很難理解受力為零的桿件在結(jié)構(gòu)中的作用。本實用新型提供了一種比較合理的驗證零桿在桁架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過程中的作用的實驗裝置。本實用新型的教學實驗裝置中的支撐及約束裝置、加載裝置與本課題組已經(jīng)公開的中國專利(2015107123346一種將力法直觀化的教學實驗裝置；2015107079593一種將位移法直觀化的教學實驗裝置)中的內(nèi)容相似，公開的內(nèi)容在在整個裝置中的僅起到加載和支撐的作用，不為本實用新型的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，本實用新型桁架結(jié)構(gòu)與公開的內(nèi)容完全不同，能夠驗證零桿在桁架失穩(wěn)過程中的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了驗證零桿在桁架中的作用，本實用新型旨在提供一種實驗裝置，用于對零桿在桁架中提高承載能力的作用的研究實驗。本實用新型的技術(shù)方案如下：

一種驗證零桿在桁架失穩(wěn)過程中的作用的教學實驗裝置，該教學實驗裝置包括桁架結(jié)構(gòu)、蝸輪蝸桿加載裝置、支撐與約束裝置和測量設(shè)備。

所述的桁架結(jié)構(gòu)為矩形，包括第一、二、三、四、五橫向空心方桿3a、3b、 3c、3d、3e、第一、二、三豎向空心方桿3f、3g、3i、一根斜向空心方桿3h、第一、二斜向空心塑料圓桿4a、4b、斜向薄片桿5和第一、二、三、四、五、六、七鉸節(jié)點6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g；所述的第一、二、三、四、五、六、七鉸節(jié)點6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g包括單瓣鉸節(jié)點15a和第一鉸接片 15b，二者通過軸承15c連接，可自由轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)多桿件共鉸；所述的單瓣鉸節(jié)點15a和第一鉸接片15b均采用與所連桿件相同的剛度，通過螺栓與節(jié)點連接形成等剛度模型。

所述的桁架結(jié)構(gòu)的上方由第一、二、三橫向空心方桿3a、3b、3c依次通過第二、三鉸節(jié)點6b、6c連接而成；桁架結(jié)構(gòu)的下方由第四、五橫向空心方桿3d、 3e通過第六鉸節(jié)點6f連接而成；桁架結(jié)構(gòu)左側(cè)為第一豎向空心方桿3f，第一豎向空心方桿3f與上下兩邊的第一、四橫向空心方桿3a、3d通過第一、五鉸節(jié)點6a、6e相連；桁架結(jié)構(gòu)右側(cè)為第三豎向空心方桿3i，第三豎向空心方桿 3i與上下兩邊的第三、五橫向空心方桿3c、3e通過第四、七鉸節(jié)點6d、6g相連；

所述的第二豎向空心方桿3g位于桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)部，第二豎向空心方桿3g上下兩側(cè)分別與第三、六鉸節(jié)點6c、6f相連；所述的斜向空心方桿3h兩側(cè)與第四、六鉸節(jié)點6d、6f相連；所述的第一斜向空心塑料圓管4a兩側(cè)與第二、五鉸節(jié)點6b、6e相連；所述的第二斜向空心塑料圓管4b兩側(cè)與第二、六鉸節(jié)點 6b、6f相連。所述的斜向薄片桿5即為零桿。加入零桿時，所述的第一鉸節(jié)點6a增加一個第二鉸接片15b’，斜向薄片桿5一端通過螺栓與帶有凹槽的第二鉸接片15b’相連，另一端由固定在桿件上的第一、二夾片16a、16b組成；第一斜向空心塑料圓管(4a)固定在第一、二夾片(16a、16b)形成的凹槽中；夾片上設(shè)有兩個螺栓孔，通過螺栓將斜向薄片桿5與第一斜向空心塑料圓管4a 連接。斜向薄片桿5即為零桿。

所述的蝸輪蝸桿加載裝置包括蝸輪蝸桿升降機10、加載桿9、球鉸8。蝸輪蝸桿升降機10一端通過螺栓與小車平臺14c固定連接。另一端通過螺紋與力傳感器7連接，蝸輪蝸桿升降機10通過旋轉(zhuǎn)手輪對桁架結(jié)構(gòu)施加荷載；所述的小車平臺14c通過底部的四塊滑塊安裝到反力架1內(nèi)置導軌的上橫梁，小車平臺 14c能夠沿內(nèi)置導軌任意調(diào)整水平位置；所述的力傳感器7通過螺紋與球鉸8連接，球鉸8通過螺紋與加載桿9連接，加載桿9通過螺栓與帶有凹槽的鉸節(jié)點6 連接，球鉸8通過其自身的自由轉(zhuǎn)動避免加載裝置對剛架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩的影響。所述的蝸輪蝸桿加載裝置安裝在桁架結(jié)構(gòu)的上方，通過蝸輪蝸桿加載裝置，實現(xiàn)對桁架結(jié)構(gòu)的加載與卸載，蝸輪蝸桿加載裝置可手動控制施加拉力和壓力，通過力傳感器7在計算機上顯示所加荷載，實現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)的加載與卸載。

支撐與約束裝置包括反力框架和桁架結(jié)構(gòu)的約束支撐。

所述的反力框架為“L”形剛架、門形剛架等多種形式，包括反力架1和底座2；所述的底座2固定于反力架1的下橫梁下部，用于支撐整個裝置；所述的反力架1由內(nèi)置導軌的上下兩個橫梁和內(nèi)置導軌的左右兩個立柱組成，上橫梁連接小車平臺14c。

所述的桁架結(jié)構(gòu)的約束支撐用于對桁架結(jié)構(gòu)進行約束支撐；所述的桁架結(jié)構(gòu)的約束支撐包括固定鉸支座和可動鉸支座。所述的固定鉸支座包括豎直支座 11a、墊塊12和第一小車平臺14a；所述的第一豎直支座11a上端插入第五鉸節(jié)點6e內(nèi)，下端通過螺栓與墊塊12連接，所述的墊塊12通過螺栓固定于第一小車平臺14a上，第一小車平臺14a固定于反力架下橫梁上。所述的可動鉸支座包括第二豎直支座11b、鉸支座水平導軌13、第二小車平臺14b。所述的第二豎直支座11b上端插入第七鉸節(jié)點6g內(nèi)，下端通過螺栓與水平導軌13連接，第二豎直支座11b在水平導軌13上能夠自由滑動。所述的水平導軌13通過螺栓與第二小車平臺14b連接，第二小車平臺14b固定于反力架下橫梁上。

所述的測量設(shè)備包括力傳感器7和應(yīng)變片。所述的力傳感器7用于測得蝸輪蝸桿升降機10對桁架結(jié)構(gòu)所施加的荷載值；所述的應(yīng)變片粘貼在第二、四橫向空心方桿3b、3d，斜空心方桿3h和斜向薄片桿5兩側(cè)不同位置，通過所測應(yīng)變值計算桿件軸力大??；所述的測量設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)與計算機連接，通過計算機對各項數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。

上述一種驗證零桿在桁架失穩(wěn)過程中的作用的教學實驗裝置的實驗方法，具體包括以下步驟：

第一步，組裝桁架結(jié)構(gòu)，不安裝斜向薄片桿5，確定實驗點位置，所述桁架上方與第一、二、三橫向空心方桿3a、3b、3c相連接的第一、二、三、四鉸節(jié)點6a、6b、6c、6d依次編號A、B、C、D；所述桁架下方與第四、五橫向空心方桿3d、3e相連接的第五、六、七鉸節(jié)點6e、6f、6g依次編號E、F、G；B和E 的中部標注H。

第二步，在F處架設(shè)千分表，測定F點的豎向位移，記錄千分表初始讀數(shù)。

第三步，對桁架結(jié)構(gòu)進行預(yù)加載，以消除桁架組裝過程中產(chǎn)生的間隙。觀察千分表讀數(shù)，當千分表讀數(shù)發(fā)生變化時，停止預(yù)加載。平衡力傳感器并記錄此時千分表讀數(shù)。

第四步，在B點施加豎向荷載F_p，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對千分表、力傳感器及第二、四橫向空心方桿3b、3d和斜空心方桿3h的應(yīng)變進行實時監(jiān)控。

第五步，緩慢增加豎向荷載F_p，觀察計算機中荷載曲線的變化情況，當力傳感器讀數(shù)發(fā)生突降時，停止加載，觀察桁架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時第一、二斜向空心塑料管4a、4b的破壞形態(tài)，確定失穩(wěn)桿件。

第六步，卸除荷載F_p。

第七步，在A、H間新安裝斜向薄片桿5，斜向薄片桿5即為零桿。

第八步，重復重復第三步到第六步。

第九步，繪制兩種狀態(tài)下的荷載-位移曲線，并計算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞時的極限承載力及第二、四橫向空心方桿3b、3d、斜空心方桿3h的軸力。

第十步，分析實驗結(jié)果，得出零桿在桁架失穩(wěn)過程中的作用。

本實用新型的有益效果是：通過降低桁架受壓桿件剛度，變?yōu)榈蛣偠鹊乃苄詶U件，保證在其余桿件正常使用狀態(tài)下，指定塑性桿件發(fā)生破壞。通過對比加入零桿前和加入零桿后桁架結(jié)構(gòu)極限承載能力的不同，可以得出零桿在桁架中的重要作用。桁架結(jié)構(gòu)形式多變，可更換加載點及受壓塑性桿件位置。結(jié)果直觀試驗簡便，適合高校開展相關(guān)教學實驗及進一步設(shè)計拓展。

附圖說明

圖1是本實用新型無零桿裝置圖；

圖2是本實用新型有零桿裝置圖；

圖3是本實用新型鉸節(jié)點詳圖；

圖4是本實用新型加載裝置詳圖；

圖5是本實用新型斜向薄片桿詳圖；

圖中：1反力架；2底座；3a第一橫向空心方桿；3b第二橫向空心方桿； 3c第三橫向空心方桿；3d第四橫向空心方桿；3e第五橫向空心方桿；3f第一豎向空心方桿；3g第二豎向空心方桿；3i第三豎向空心方桿；3h斜向空心方桿； 4a第一斜向空心塑料圓管；4b第二斜向空心塑料圓管；5斜向薄片桿；6a第一鉸節(jié)點；6b第二鉸節(jié)點；6c第三鉸節(jié)點；6d第四鉸節(jié)點；6e第五鉸節(jié)點；6f 第六鉸節(jié)點；6g第七鉸節(jié)點；7力傳感器；8球鉸；9加載桿；10蝸輪蝸桿升降機；11a第一豎直支座；11b第二豎直支座；12墊塊；13水平導軌；14a第一小車平臺；14b第二小車平臺；15a單瓣鉸節(jié)點；15b第一鉸接片；15b’第二鉸接片；15c軸承；16a第一夾片；16b第二夾片。

具體實施方式

本實用新型通過選擇荷載作用下桁架結(jié)構(gòu)中兩個不同內(nèi)力的受壓桿件位置設(shè)置兩根脆性桿，分別在兩根脆性桿件均無零桿相連與僅有一根脆性桿件與零桿相連的情況下，施加相同位置的荷載，測量兩種結(jié)構(gòu)的撓度和內(nèi)力，比較兩種結(jié)構(gòu)的破壞荷載與破壞形態(tài)，驗證零桿的存在對桁架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的影響。

下面結(jié)合附圖與實施例對本實用新型的實施過程做進一步說明。

一種驗證零桿在桁架失穩(wěn)過程中的作用的教學實驗裝置由桁架結(jié)構(gòu)、加載裝置、支撐及約束裝置、測量設(shè)備組成。該實驗裝置無零桿的結(jié)構(gòu)如圖1所示，有零桿的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖3為本實用新型鉸節(jié)點詳圖,圖4為本實用新型加載裝置詳圖；圖5為本實用新型斜向薄片桿詳圖。設(shè)備的具體安裝方式如下

蝸輪蝸桿加載裝置10連接第二鉸節(jié)點6b施加荷載。在第二、四橫向空心方桿3b、3d，斜空心方桿3h，斜向薄片桿5僅針對于圖2兩側(cè)不同位置粘貼應(yīng)變片，測出測點應(yīng)變值，并根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系得出各桿的內(nèi)力。

分別對圖1、圖2所示桁架結(jié)構(gòu)施加荷載直至有桿件發(fā)生破壞，觀察加載過程中各桿內(nèi)力的大小關(guān)系和變化情況，記錄破壞時各桿內(nèi)力及荷載。比較無零桿和有零桿的情況下最先發(fā)生破壞的位置以及最大荷載，從而分析零桿在桁架失穩(wěn)過程中的作用。

上述一種驗證零桿在桁架失穩(wěn)過程中的作用的教學實驗裝置的實驗方法，具體包括以下步驟：

第一步，按圖1組裝桁架結(jié)構(gòu)，不安裝斜向薄片桿5，確定實驗點位置，所述桁架上方與第一、二、三橫向空心方桿3a、3b、3c相連接的第一、二、三、四鉸節(jié)點6a、6b、6c、6d依次編號A、B、C、D；所述桁架下方與第四、五橫向空心方桿3d、3e相連接的第五、六、七鉸節(jié)點6e、6f、6g依次編號E、F、G； B和E的中部標注H。

第二步，在F處架設(shè)千分表，測定F點的豎向位移，記錄千分表初始讀數(shù)。

第三步，對桁架結(jié)構(gòu)進行預(yù)加載，以消除桁架組裝過程中產(chǎn)生的間隙。觀察千分表讀數(shù)，當千分表讀數(shù)發(fā)生變化時，停止預(yù)加載。平衡力傳感器并記錄此時千分表讀數(shù)。

第四步，在B點施加豎向荷載F_p，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對千分表、力傳感器及第二、四橫向空心方桿3b、3d和斜空心方桿3h的應(yīng)變進行實時監(jiān)控。

第五步，緩慢增加豎向荷載F_p，觀察計算機中荷載曲線的變化情況，當力傳感器讀數(shù)發(fā)生突降時，停止加載，觀察桁架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時第一、二斜向空心塑料管4a、4b的破壞形態(tài)，確定失穩(wěn)桿件。

第六步，卸除荷載F_p。

第七步，如圖2所示，在A、H間新安裝斜向薄片桿5，斜向薄片桿5即為零桿。

第八步，重復第三步到第六步。

第九步，繪制兩種狀態(tài)下的荷載-位移曲線，并計算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞時的極限承載力及第二、四橫向空心方桿3b、3d、斜空心方桿3h的軸力。第十步，分析實驗結(jié)果，得出零桿在桁架失穩(wěn)過程中的作用。