一种结构力学实验平台的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种结构力学实验平台，属于土木工程专业结构力学实验教学领域。上下横梁、立柱以及连系梁通过装配的方式组成一空间自反力加载架，上横梁中的H型钢梁、下横梁和立柱的腹板上均安装直线导轨，直线导轨上安装滑动小车平台，滑动小车平台可固定在直线导轨的任意位置，实验模型及加载装置安装在滑动小车平台上。配置移动短立柱、约束横梁以及提供水平反力中间横梁等附属装置，实现对实验模型的多种约束和多点多方向拉压加载，且约束点和加载点的数量、位置、方向以及实验模型的尺寸在有效实验空间内不受限制。该平台为空间结构，实验空间开放，加载手段丰富，同时进行多组对比实验和开展自主设计性综合性实验，有利于进行开放式实验教学。
【专利说明】一种结构力学实验平台
【技术领域】
[0001]本发明属于土木工程专业结构力学实验教学领域，涉及一种结构力学实验平台。
【背景技术】
[0002]结构力学是高等院校土木工程专业必修的学科，主要研究结构的合理形式以及结构在受力状态下的内力、变形、动力响应和弹性稳定性。具体来说结构力学的基本任务包括以下两个方面:
[0003](I)根据结构的功能要求、内力分布规律和几何组成规律，来研究结构的合理形式。
[0004](2)研究分析结构内力、变形、动力响应和稳定性方面的计算理论和方法。
[0005]一直以来，高等院校结构力学的教学方法主要是理论教学。由于结构力学的研究对象主要是杆系结构，对节点和杆件均按理想模型进行简化，所以工程实际中的结构看起来往往和结构力学中的简化计算模型相去甚远。难免会有学生会不理解甚至怀疑结构力学中的一些基本假设和概念，也会造成学生工程认识和理论认知的脱节。随着高等教育对实验教学的重视，开展结构力学实验是一种势在必行的趋势，但目前受制于缺少能系统完成结构力学相关实验的教学设备，使绝大多数高校都没有开展结构力学课程的实验教学。为改变这种现状，本发明提供了一种结构力学教学平台，多种结构力学模型均可在该平台上进行实验，能系统完成结构力学基本理论的相关验证实验，且可以开展一些综合性设计性实验。
【发明内容】
[0006]为了克服现有的结构力学实验平台只能针对一种模型进行实验的缺点，本发明旨在提供一种结构力学实验平台，多种结构力学模型均能在该平台上进行实验。
[0007]本发明提供了一种结构力学实验平台，该结构力学实验平台包括横梁、立柱、移动短立柱、约束横梁和连系梁；横梁包括上横梁、下横梁、辅助上横梁、辅助下横梁和中间横梁；下横梁采用H型钢梁，上横梁采用H型钢梁-球节点钢管桁架组成的组合结构，上横梁和下横梁通过四根立柱和四根连系梁连接，在两立柱之间安装有中间横梁，下横梁上配有移动短立柱，上横梁和下横梁之间装有约束横梁；连系梁包括上连系梁和下连系梁，上连系梁和下连系梁上分别安装位置可调的辅助上横梁和辅助下横梁，形成一空间自反力的加载实验平台。
[0008]在所述的上横梁和辅助上横梁的H型钢梁、下横梁、辅助下横梁、立柱、移动短立柱均设有直线导轨，直线导轨安装在H型钢的内部，直线导轨上安装滑动小车平台，滑动小车平台可锁定在直线导轨的任意位置。
[0009]所述的辅助上横梁与上横梁均采用H型钢梁-球节点钢管桁架组合结构形式，所述的辅助下横梁与下横梁均采用H型钢梁。
[0010]所述的移动短立柱沿下横梁上的直线导轨自由滑动和定位。
[0011]提供水平反力的中间横梁在立柱上的固定按照模数连续可调。
[0012]本发明的有益效果是:多种结构力学模型均可在该平台上进行实验，实现了多元化利用；该平台为空间结构，可同时进行多种结构力学模型的实验，有利于进行对照实验；该平台可集成结构力学模型、加载装置、测量装置，实现一体化，简便实用；滑动小车平台可根据需要进行移动和固定，实验对象在加载架的有效实验空间内不受尺寸限制，适用范围广；该平台也可用于空间结构模型的实验，同时可实现多点、多方向拉压力加载，且加载点的位置、数量和方向不受限制，便于开展一些综合性设计性实验。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明所述平台正视图。
[0014]图2是本发明所述平台侧视图。
[0015]图3是本发明所述平台俯视图。
[0016]图4是本发明所述三角形桁架实验装置图。
[0017]图中:1球节点钢管桁架；2上横梁；3下横梁；4立柱；5底座；6上连系梁；7下连系梁；8直线导轨；9滑动小车平台；10梁柱连接板；11连接板；12辅助上横梁；13辅助下横梁；14刹车块；15中间横梁；16移动短立柱；17约束横梁；18三角形桁架模型；19模型支座；20涡轮螺旋加载机构；21加载杆；22荷载传感器。
【具体实施方式】
[0018]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。
[0019]本发明提供了一种结构力学实验平台，包括横梁、立柱、移动短立柱、约束横梁、连系梁、底座和滑动小车平台；其中，
[0020]横梁包括上横梁、下横梁、辅助上横梁、辅助下横梁和中间横梁。上横梁和辅助上横梁作为承力横梁，为提高其刚度，采用H型钢梁-球节点钢管桁架组合结构，同时该H型钢梁-球节点钢管桁架组合结构也作为研究组合结构在载荷作用下内力分布、变形的实验模型。球节点钢管桁架采用金属圆管和球铰节点连接而成，包括四根上弦杆、六根下弦杆、五根竖杆和六根斜杆。球节点钢管桁架呈等腰梯形，斜杆之间互相连接呈“W”形。在H型钢梁的两翼缘之间上焊有连接板，通过螺栓和球节点钢管桁架下弦杆上的球铰节点连接，形成上横梁。辅助上横梁的结构与上横梁相同。下横梁和辅助下横梁结构相同，均采用H型钢梁。上横梁和辅助上横梁的H型钢梁、下横梁、辅助下横梁的腹板上、上横梁的H型钢梁和下横梁的侧面均设有直线导轨，滑动小车平台可沿直线导轨移动并可在任意位置锁紧。另外，在上横梁和辅助上横梁中的H型钢梁、下横梁、辅助下横梁底部均设有肋板，保证其整体稳定性。中间横梁结构与下横梁相同，其两端通过螺栓与立柱垂直连接，并与上横梁、下横梁呈垂直关系。另外，中间横梁可沿着立柱在不同位置固定。横梁的主要作用是支撑结构力学模型和加载设备，并提供约束反力。
[0021]立柱:立柱分别与上横梁中的H型钢梁和下横梁两端竖直连接。立柱内侧设有直线导轨，对侧布置肋板；立柱内侧翼缘上开有螺孔，用于固定中间横梁。根据不同结构力学模型的需要，立柱也有支撑结构力学模型和加载设备的作用。
[0022]移动短立柱:移动短立柱结构与立柱相同,通过螺栓与滑动小车平台连接,并置于下横梁的直线导轨上。移动短立柱可在下横梁上移动，用于支撑小型结构和加载设备。
[0023]约束横梁:约束横梁与下横梁的结构相同，约束横梁两端通过螺栓固定在滑动小车平台上，滑动小车平台连接在上横梁中的H型钢梁和下横梁侧面的直线导轨上，可沿着直线导轨水平移动。约束横梁的作用是放置测量设备，并可以给结构模型提供侧向约束，防止平面外失稳。
[0024]连系梁:连系梁为工字型截面梁，包括上连系梁和下连系梁，均在腹板两侧设置肋板。上连系梁和下连系梁分别与立柱两端连接，主要用于将两榀平面的加载框架连接成空间加载框架，连系梁高度可沿立柱按模数调节。在上连系梁和下连系梁的侧翼缘板上有螺栓孔，为了能够在空间内对实验模型进行加载测试，在上连系梁上通过螺栓安装辅助上横梁，在下连系梁上通过螺栓安装辅助下横梁，以构成加载功能更丰富的空间加载平台。
[0025]底座:底座由底板和矩形钢板连接而成。下横梁两端搭接在底座上，使加载平台离开地面一定高度，方便实验时模型的组装、加载操作以及实验现象的观察。
[0026]滑动小车平台:滑动小车平台包括平台板、四个轴承滑块和刹车块，其主要功能是将结构模型的支座和加载点固定在直线导轨的任意位置，且数量、位置不受限制。轴承滑块安装在直线导轨上，在高压力作用下仍然可以沿直线导轨滑动，平台板通过螺栓固定在轴承滑块上，此外平台板上加工有螺栓孔，用于连接结构力学模型和加载装置。滑动小车平台设有刹车块，在调整好滑动小车平台位置后，通过锁紧滑动小车平台刹车块便可以固定住滑动小车平台。
[0027]加载架安装图如图1、图2和图3所示，首先通过梁柱连接板10将两根立柱4和上横梁2、下横梁3连接成两榀矩形的平面框架，然后通过两根上连系梁6和两根下连系梁7将两榀平面框架连接成一个空间框架。该空间框架通过下横梁3安装在底座5上。为满足不同尺寸实验对象的安装及加载需求，在下连系梁7上安装两根辅助下横梁13，在上连系梁6上安装两根辅助上横梁12，它们均能在上连系梁6和下连系梁7的任意位置固定，主要配合完成空间结构(如桥梁模型、空间网架结构等)的加载实验。两根辅助下横梁13间距可以根据试件大小进行相应调整，可在辅助下横梁13上安装不同高度、不同种类的支座，以满足各种实验的进行。上横梁2中的H型钢梁、下横梁3、立柱4、辅助上横梁12、辅助下横梁13、中间横梁15、约束横梁17和移动短立柱16均安装直线导轨8，导轨隐藏在型钢内部，导轨上安装可移动的滑动小车平台9，滑动小车平台9上可安装模型支座、加载油缸等，并可以通过刹车块14锁定在直线导轨上，进而实现多点、多方向拉压力加载。在下横梁3上配备了一根移动短立柱16，结构形式和立柱4相同。移动短立柱16通过螺栓安装在滑动小车平台9上，可沿下横梁3移动，并可以固定在下横梁3的任意位置，用于支撑小型结构和加载设备。为方便对空间模型施加水平载荷，在两榀框架相邻的两立柱4之间安装一根提供水平反力的中间横梁15，中间横梁15在两立柱间的固定高度按照模数连续可调，且在其侧面装有直线导轨8，可以在其任意位置安装模型支座和加载装置，以方便对空间实验模型施加水平载荷、提供水平约束。为方便测量设备的安装，避免平面的结构力学实验模型在加载时发生面外失稳，保证实验对象在加载时保持平面内变形状态，在上横梁2、下横梁3的侧面安装约束横梁17。其实现方式是:在上横梁2、下横梁3的侧面安装水平直线导轨8，约束横梁17通过滑动小车平台9安装在上横梁2、下横梁3的侧面水平直线导轨8上，并可以沿着水平直线导轨8水平移动。
[0028]在技术细节上，为保证实验装置的刚度以及构件局部承载力，上横梁2采用H型钢梁和球节点钢管桁架I组成的组合结构，以提高其刚度，保证构件的变形不超过跨度的1/1000，一方面满足加载装置需要依据刚度设计的原则，另一方面保证直线导轨8产生的变形不会影响滑动小车平台9在直线导轨8上的自由滑动。对于上连系梁6、下连系梁7和立柱4连接部位采用连接板11进行连接，以增加连接的可靠性，保证结构的整体刚度。在立柱4、上横梁2中的H型钢梁、下横梁3、上连系梁6、下连系梁7等构件的腹板与翼缘之间均焊接若干方形的加劲肋板，以保证构件的承载力满足设计要求。
[0029]图4为三角形桁架实验装置图，三角形桁架模型18通过模型支座19固定在滑动小车平台9上，加载点通过加载杆21与涡轮螺旋加载机构20相连，涡轮螺旋加载机构20通过滑动小车平台9固定在上横梁2中的H型钢梁上，荷载传感器22安装在涡轮螺旋加载机构20和加载杆21之间。约束横梁17用来保证平面三角形桁架在加载时保持平面变形，同时安装位移传感器用来测量结构模型的局部变形。实验时，通过涡轮螺旋加载机构20进行加载，利用荷载传感器22读出所加荷载大小，通过模型杆件上的应变片测出应变大小，从而实现三角形桁架模型的实验探究。
【权利要求】
1.一种结构力学实验平台，其特征在于，该结构力学实验平台包括横梁、立柱、移动短立柱、约束横梁和连系梁；横梁包括上横梁、下横梁、辅助上横梁、辅助下横梁和中间横梁；下横梁采用H型钢梁，上横梁采用H型钢梁-球节点钢管桁架组成的组合结构，上横梁和下横梁通过四根立柱和四根连系梁连接，在两立柱之间安装有中间横梁，下横梁上配有移动短立柱，上横梁和下横梁之间装有约束横梁；连系梁包括上连系梁和下连系梁，上连系梁和下连系梁上分别安装位置可调的辅助上横梁和辅助下横梁，形成一空间自反力的加载实验T D O
2.根据权利要求1所述的结构力学实验平台，其特征在于，上横梁和辅助上横梁的H型钢梁、下横梁、辅助下横梁、立柱、移动短立柱均设有直线导轨，直线导轨安装在H型钢的内部，直线导轨上安装滑动小车平台，滑动小车平台可锁定在直线导轨的任意位置。
3.根据权利要求1或2所述的结构力学实验平台，其特征在于，所述的辅助上横梁与上横梁均采用H型钢梁-球节点钢管桁架组合结构形式，所述的辅助下横梁与下横梁均采用H型钢梁。
4.根据权利要求1或2所述的结构力学实验平台，其特征在于，移动短立柱沿下横梁上的直线导轨自由滑动和定位。
5.根据权利要求3所述的结构力学实验平台，其特征在于，移动短立柱沿下横梁上的直线导轨自由滑动和定位。
6.根据权利要求1、2或5所述的结构力学实验平台，其特征在于，提供水平反力的中间横梁在立柱上的固定按照模数连续可调。
7.根据权利要求3所述的结构力学实验平台，其特征在于，提供水平反力的中间横梁在立柱上的固定按照模数连续可调。
8.根据权利要求4所述的结构力学实验平台，其特征在于，提供水平反力的中间横梁在立柱上的固定按照模数连续可调。
【文档编号】G09B23/10GK104332086SQ201410482981
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】陈廷国, 吴江龙, 王衡, 张立, 胡树志 申请人:大连理工大学, 烟台大学, 烟台新天地试验技术有限公司