一种验证零杆在桁架失稳过程中的作用的教学实验装置及实验方法与流程

本发明属于土木工程专业结构力学实验教学领域，涉及一种验证零杆在桁架失稳过程中的作用的教学实验装置。

背景技术：

随着国民经济水平与科技水平的不断发展，施工简便、受力合理的桁架结构建筑物不断涌现。为保证结构安全性与稳定性的要求，桁架的设计必须采用超静定结构，其中零杆是一个必不可少的组成部分。零杆指的是在二力杆假设状态下桁架结构中受力为零的杆件，因此零杆的存在对结构中力的传递几乎没有贡献，但是能够减小相连杆件的有效长度，降低杆件的长细比，对结构的稳定性和承载力的提高有重要意义。故零杆是结构力学教学中一个重要的知识点。

目前国内各高等院校的结构力学主要采用理论教学，对一些关键理论没有进行实验验证，难免导致学生对相关理论理解不透彻，掌握不全面，甚至产生疑问。例如在零杆的学习中，学生从理论上很难理解受力为零的杆件在结构中的作用。本发明提供了一种比较合理的验证零杆在桁架结构失稳过程中的作用的实验装置。本发明教学实验装置中的支撑及约束装置、加载装置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，公开的内容在在整个装置中的仅起到加载和支撑的作用，不为本发明的创新结构，本发明桁架结构与公开的内容完全不同，能够验证零杆在桁架失稳过程中的作用。

技术实现要素：

为了验证零杆在桁架中的作用，本发明旨在提供一种实验装置，用于对零杆在桁架中提高承载能力的作用的研究实验。本发明的技术方案如下：

一种验证零杆在桁架失稳过程中的作用的教学实验装置，该教学实验装置包括桁架结构、蜗轮蜗杆加载装置、支撑与约束装置和测量设备。

所述的桁架结构为矩形，包括五根横向空心方杆3a、3b、3c、3d、3e、三根竖向空心方杆3f、3g、3i、一根斜向空心方杆3h、两根斜向空心塑料圆杆4a、4b、斜向薄片杆5和七个铰节点6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g；所述的铰节点6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g包括单瓣铰节点15a和铰接片15b，二者通过轴承15c连接，可自由转动，实现多杆件共铰；所述的单瓣铰节点15a和铰接片15b均采用与所连杆件相同的刚度，通过螺栓与节点连接形成等刚度模型。

所述的桁架结构的上方由三根横向空心方杆3a、3b、3c依次通过铰节点6b、6c连接而成；桁架结构的下方由两根横向空心方杆3d、3e通过铰节点6f连接而成；桁架结构左侧为竖向空心方杆3f，竖向空心方杆3f与上下两边的横向空心方杆3a、3d通过铰节点6a、6e相连；桁架结构右侧为竖向空心方杆3i，竖向空心方杆3i与上下两边的横向空心方杆3c、3e通过铰节点6d、6g相连；

所述的竖向空心方杆3g位于桁架结构内部，竖向空心方杆3g上下两侧分别与铰节点6c、6f相连；所述的斜向空心方杆3h两侧与铰节点6d、6f相连；所述的斜向塑料圆管4a两侧与铰节点6b、6e相连；所述的斜向塑料圆管4b两侧与铰节点6b、6f相连。所述的斜向薄片杆5即为零杆。加入零杆时，所述的铰节点6a增加一个铰接片15b’，斜向薄片杆5一端通过螺栓与带有凹槽的铰接片15b’相连，另一端由固定在杆件上的夹片16a、16b组成；斜向塑料圆管4a垂直穿过夹片16a、16b形成的凹槽，夹片上设有两个螺栓孔，通过螺栓将斜向薄片杆5与斜向塑料圆管4a连接。斜向薄片杆5即为零杆。

所述的蜗轮蜗杆加载装置包括蜗轮蜗杆升降机10、加载杆9、球铰8。蜗轮蜗杆升降机10一端通过螺栓与小车平台14c固定连接。另一端通过螺纹与力传感器7连接，蜗轮蜗杆升降机10通过旋转手轮对桁架结构施加荷载；所述的小车平台14c通过底部的四块滑块安装到反力架1内置导轨的上横梁，小车平台14c能够沿内置导轨任意调整水平位置；所述的力传感器7通过螺纹与球铰8连接，球铰8通过螺纹与加载杆9连接，加载杆9通过螺栓与带有凹槽的铰节点6连接，球铰8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。通过蜗轮蜗杆加载装置，实现对桁架结构的加载与卸载，蜗轮蜗杆加载装置可手动控制施加拉力和压力，通过力传感器7在计算机上显示所加荷载，实现桁架结构的加载与卸载。

支承与约束装置包括反力框架和桁架结构的约束支承。

所述的反力框架为“L”形刚架、门形刚架等多种形式，包括反力架1和底座2；所述的底座2固定于反力架1的下横梁下部，用于支撑整个装置；所述的反力架1由内置导轨的上下两个横梁和内置导轨的左右两个立柱组成，上横梁连接小车平台14c。

所述的桁架结构的约束支承包括固定铰支座和可动铰支座。所述的固定铰支座包括竖直支座11a、垫块12和小车平台14a；所述的竖直支座11a上端插入铰节点6e内，下端通过螺栓与垫块12连接，所述的垫块12通过螺栓固定于小车平台14a上，小车平台14a固定于反力架下横梁上。所述的可动铰支座包括竖直支座11b、铰支座水平导轨13、小车平台14b。所述的竖直支座11b上端插入铰节点6g内，下端通过螺栓与水平导轨13连接，竖直支座11b在水平导轨13上能够自由滑动。所述的水平导轨13通过螺栓与小车平台14b连接，小车平台14b固定于反力架下横梁上。

所述的测量设备包括力传感器7和应变片。所述的力传感器7用于测得蜗轮蜗杆升降机10对桁架结构所施加的荷载值；所述的应变片粘贴在横向空心方杆3b、3d，斜空心方杆3h和斜向薄片杆5两侧不同位置，通过所测应变值计算杆件轴力大小；所述的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。

上述一种验证零杆在桁架失稳过程中的作用的教学实验装置的实验方法，具体包括以下步骤：

第一步，组装桁架结构，不安装斜向薄片杆5，确定实验点位置，所述桁架上方与三根横向空心方杆3a、3b、3c相连接的铰节点6a、6b、6c、6d依次编号A、B、C、D；所述桁架下方与两根横向空心方杆3d、3e相连接的铰节点6e、6f、6g依次编号E、F、G；B和E的中部标注H。

第二步，在F处架设千分表，测定F点的竖向位移，记录千分表初始读数。

第三步，对桁架结构进行预加载，以消除桁架组装过程中产生的间隙。观察千分表读数，当千分表读数发生变化时，停止预加载。平衡力传感器并记录此时千分表读数。

第四步，在B点施加竖向荷载F_p，通过数据采集系统对千分表、力传感器及横向空心方杆3b、3d和斜空心方杆3h的应变进行实时监控。

第五步，缓慢增加竖向荷载F_p，观察计算机中荷载曲线的变化情况，当力传感器读数发生突降时，停止加载，观察桁架结构失稳时斜向空心塑料管4a、4b的破坏形态，确定失稳杆件。

第六步，卸除荷载F_p。

第七步，在A、H间新安装斜向薄片杆5，斜向薄片杆5即为零杆。

第八步，重复重复第三步到第六步。

第九步，绘制两种状态下的荷载-位移曲线，并计算结构失稳破坏时的极限承载力及横向空心方杆3b、3d、斜空心方杆3h的轴力。

第十步，分析实验结果，得出零杆在桁架失稳过程中的作用。

本发明的有益效果是：通过降低桁架受压杆件刚度，变为低刚度的塑性杆件，保证在其余杆件正常使用状态下，指定塑性杆件发生破坏。通过对比加入零杆前和加入零杆后桁架结构极限承载能力的不同，可以得出零杆在桁架中的重要作用。桁架结构形式多变，可更换加载点及受压塑性杆件位置。结果直观试验简便，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是本发明无零杆装置图；

图2是本发明有零杆装置图；

图3是本发明铰节点详图；

图4是本发明加载装置详图；

图5是本发明斜向薄片杆详图；

图中：1反力架；2底座；3a、3b、3c、3d、3e横向空心方杆；3f、3g、3i竖向空心方杆；3h斜向空心方杆；4a、4b斜向空心塑料圆管；5斜向薄片杆；6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g铰节点；7力传感器；8球铰；9加载杆；10蜗轮蜗杆升降机；11a、11b竖直支座；12垫块；13水平导轨；14a、14b小车平台；15a单瓣铰节点；15b铰接片；15b’铰接片；15c轴承；16a夹片；16b夹片。

具体实施方式

本发明通过选择荷载作用下桁架结构中两个不同内力的受压杆件位置设置两根脆性杆，分别在两根脆性杆件均无零杆相连与仅有一根脆性杆件与零杆相连的情况下，施加相同位置的荷载，测量两种结构的挠度和内力，比较两种结构的破坏荷载与破坏形态，验证零杆的存在对桁架结构失稳的影响。

下面结合附图与实施例对本发明的实施过程做进一步说明。

一种验证零杆在桁架失稳过程中的作用的教学实验装置由桁架结构、加载装置、支撑及约束装置、测量设备组成。该实验装置无零杆的结构如图1所示，有零杆的结构如图2所示。图3为本发明铰节点详图,图4为本发明加载装置详图；图5为本发明斜向薄片杆详图。设备的具体安装方式如下

蜗轮蜗杆加载装置10连接铰节点6b施加荷载。在横向空心方杆3b、3d，斜空心方杆3h，斜向薄片杆5仅针对于图2两侧不同位置粘贴应变片，测出测点应变值，并根据材料的本构关系得出各杆的内力。

分别对图1、图2所示桁架结构施加荷载直至有杆件发生破坏，观察加载过程中各杆内力的大小关系和变化情况，记录破坏时各杆内力及荷载。比较无零杆和有零杆的情况下最先发生破坏的位置以及最大荷载，从而分析零杆在桁架失稳过程中的作用。

上述一种验证零杆在桁架失稳过程中的作用的教学实验装置的实验方法，具体包括以下步骤：

第一步，按图1组装桁架结构，不安装斜向薄片杆5，确定实验点位置，所述桁架上方与三根横向空心方杆3a、3b、3c相连接的铰节点6a、6b、6c、6d依次编号A、B、C、D；所述桁架下方与两根横向空心方杆3d、3e相连接的铰节点6e、6f、6g依次编号E、F、G；B和E的中部标注H。

第二步，在F处架设千分表，测定F点的竖向位移，记录千分表初始读数。

第三步，对桁架结构进行预加载，以消除桁架组装过程中产生的间隙。观察千分表读数，当千分表读数发生变化时，停止预加载。平衡力传感器并记录此时千分表读数。

第四步，在B点施加竖向荷载F_p，通过数据采集系统对千分表、力传感器及横向空心方杆3b、3d和斜空心方杆3h的应变进行实时监控。

第五步，缓慢增加竖向荷载F_p，观察计算机中荷载曲线的变化情况，当力传感器读数发生突降时，停止加载，观察桁架结构失稳时斜向空心塑料管4a、4b的破坏形态，确定失稳杆件。

第六步，卸除荷载F_p。

第七步，如图2所示，在A、H间新安装斜向薄片杆5，斜向薄片杆5即为零杆。

第八步，重复第三步到第六步。

第九步，绘制两种状态下的荷载-位移曲线，并计算结构失稳破坏时的极限承载力及横向空心方杆3b、3d、斜空心方杆3h的轴力。

第十步，分析实验结果，得出零杆在桁架失稳过程中的作用。