专利名称：积木式平面结构力学性能万能实验台架的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种力学性能试验机装置，具体地说是一种积木式平面结构力学性能万能实验台架，能够进行各种平面杆件结构的力学性能实验。
背景技术：
结构力学是土木工程各学科的专业基础课，一方面以高等数学、理论力学、材料力学等课程为基础；另一方面，它又是钢结构、钢筋混凝土结构、土力学与地基基础、高层建筑结构、建筑结构抗震设计等专业课的基础，在整个课程体系中处于承上启下的核心地位。实验教学是培养学生工程实践能力和创新意识的一种重要手段，通过实验教学能使学生更好的理解结构力学理论课程的基本概念和分析方法，启发学生的创造思维和培养创新能力。 然而，传统《结构力学》课程是没有实验内容的，这严重影响了学生对理论内容的理解和掌握。目前，在国内没有一家学校开设“结构力学实验”课程，自然也没有结构力学实验教学的可用仪器设备。烟台大学工程力学实验中心所开发的“结构力学组合实验机”没按实际工程那样制作结点，实验跟实际结构受力变形是不相符的，这必然导致试验模型与工程实际严重脱节，不利于让学生通过实验了解计算简图仅仅是一种人为简化假设，实际工程结构与按计算简图所得结果是存在差异的，实际结构模型是要通过实验和精细化分析来修正的思想。此外，武汉大学出版社2006出版的《结构力学实验》，但实验主要用材料力学试验机进行，部分实验本身就是属于材料力学实验，例如中心压杆的稳定实验，众所周知要想做出材料力学的欧拉临界力并非易事，杆件稍有初缺陷或加载稍有偏心，都做不出欧拉临界力的结果，多数情况所做出的结果应该是非完善体系的临界力。刘礼华并没有为杆件结构的力学实验设计、制作专用的试验机。除此之外，没有获得平面杆件结构力学实验的相关fe息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术价格昂贵、与工程实际状态不符的不足，提供一种结构合理，成本低，组合简便，安装可靠、稳定，使用方便，能满足结构力学教学内容需要的积木式平面结构力学性能万能实验台架。本发明解决上述技术问题的技术解决方案是一种积木式平面结构力学性能万能实验台架，包括有底座、立柱、盖板、若干个横梁、试验杆件及其连接件，两根立柱固定在底座两端，盖板安装在两根立柱顶部，它们之间通过螺栓装配连接，构成主体框架，其特征是 所述底座上设有上开口水平滑槽，底座上通过该滑槽安装有第一固定支座和滑动支座；所述立柱外侧设有竖向滑槽，并用螺栓与L型连接板一侧连接，L型连接板另一侧与横梁连接固定；所述若干个横梁平行安装在两根立柱的两侧，可沿立柱上下升降，每个横梁上设有若干条等间距的侧开口水平滑槽，横梁上通过该滑槽安装有第二固定支座、滑动铰支座、限位支座和加载装置底板；所述试验杆件通过连接件相连，并根据实验要求安装相应支座之间。
本发明所述底座上设有两条上开ロ水平滑槽，两条上开ロ水平滑槽分别位于立柱 的两侧。本发明所述立柱两侧还设有导向滑槽，横梁背面上相应地设有与导向滑槽配合的 导向凸条。这样可以使横梁和立柱间连接、移动更可靠、稳定。本发明所述试验杆件为等长标准件，试验杆件之间通过连接件连接，并安装在相 应的支座间。所述连接件包括有一字型连接件、L型连接件、T型连接件。本发明所述横梁上加载装置底板通过螺栓与测试仪器仪表或加载装置的底座相 连，以实现测试仪器仪表、加载装置任意位置放置。本发明所述立柱上设有高度刻度标尺，方便实现横梁上下升降定位。本发明所述连接件与试验杆件端部均设有螺栓孔，试验杆件上螺栓孔为光圆，连 接件上螺栓孔设有丝扣，通过螺栓实现连接件与试验杆件之间的固结或铰接。本发明所述连接件与试验杆件固结部位上部连接有加固盖板，所述加固盖板为一 字型和L型。以保证固结时，连接件与试验杆件之间不发生转动。本发明由底座、立柱、盖板、若干条横梁构成主体框架，在主体框架安装各种支座 形成的支撑约束装置和防止构件平面外变形的限位装置以及方便学生组装任意模型的构 件连接装置。对照现有技木，本发明可以方便地安装加载各种测试仪器仪表、连接安装各种 试验杆件；能保证结构和荷载作用位于同平面，防止平面外变形；学生可以在自主设计实 验模型和实验方案的要求下，实现积木式可靠组装。其结构合理，成本低，组合简便，安装可 靠、稳定，使用方便，能满足结构力学教学内容需要。本发明弥补了国内进行《结构力学》实 验教学无试验机的空白；在满足实验基本要求，可做静力、动力、移动荷载下的各种试验，具 有足够的测量精度，只要较少的设备资金投入即可实现多组学生自主设计、开放式、创新性 实验的目的；可提高教学质量，使学生明确理想化计算简图与实际工程结构受力变形是有 差异的，实际工程结构的计算模型是需要通过实验进行模型修正才能得到的；同吋，也为开 设创新的《精細化分析和模型修正识别》课程奠定了基础。
下面结合附图对本发明做进ー步说明。图1是本发明的組成结构示意图。图2是本发明底座的平面示意图。图3是图2的A-A向剖示图。图4是本发明立柱的俯视示意图。图5是本发明横梁的平面示意图。图6是图5的B-B向剖示图。图7是本发明第一固定支座的示意图。图8是本发明滑动支座的示意图。图9是本发明滑动铰支座示意图。图10是本发明第二固定支座示意图。图11是本发明限位支座示意图。图12是本发明一字型连接件示意图。
图13是本发明L型连接件示意图。图14是本发明T型连接件示意图。图15是本发明一字型加固盖板示意图。图16是本发明构件装配成的梁式模型示意图。图17是本发明构件装配成的钢架模型示意图。图中的标号是1.底座，2.立柱，3.盖板，4.横梁，5.第一固定支座，6.滑动支座， 7.滑动铰支座，8.第二固定支座，9.限位支座，10.加载装置底板，11. 一字型连接件，12. L 型连接件，13. T型连接件，14.加固盖板。1-1.上开口水平滑槽，2-1.竖向滑槽，2-2.导向滑槽，4-1.侧开口水平滑槽，7-1.底板，7-2.滚轴，7-3.盖板，9-1.限位支座底板，9-2.限位支座滚轴，9-3.限位支座螺杆。
具体实施例方式从图1中可以看出，一种积木式平面结构力学性能万能实验台架，包括有底座1、 立柱2、盖板3、若干个横梁4、若干支座、试验杆件及其连接件等。两根立柱2固定在底座1 两端，盖板3安装在两根立柱2顶部，它们之间通过螺栓装配连接，底座1通过其上螺孔与下部平垫板螺栓相连，并通过其上螺孔与两侧立柱2相连，构成整个装置的主体框架。从图2、图3中可以看出，本发明所述底座1设有两条上开口水平滑槽1-1，以便在底座1水平滑槽1-1上任意位置设置各种相应的支座。具体是所述底座1上通过上开口水平滑槽1-1上安装有第一固定支座5、滑动支座6。两条上开口水平滑槽1-1分别位于立柱 2的两侧。图4是本发明立柱的俯视示意图。从图4中可以看出，所述立柱2外侧设有竖向滑槽2-1，并用螺栓与L型连接板一侧连接，L型连接板另一侧与横梁4连接固定。横梁4 以及L型连接板可通过调节螺栓沿竖向滑槽2-1相对立柱2上下移动，任意高度位置定位。 本发明所述立柱2两侧还设有导向滑槽2-2，横梁4背面上相应地设有与导向滑槽配合的导向凸条。这样可以使横梁4和立柱2间连接、移动更可靠、稳定，从而实现横梁4自由上下升降。本发明所述立柱2上设有高度刻度标尺，方便实现横梁上下升降定位。图5是本发明横梁的平面示意图，图6是图5的B-B向剖示图。从图5、图6中可以看出，所述若干个横梁4上下平行安装在两根立柱2的两侧，可沿立柱上下升降。每个横梁4上设有若干条等间距的侧开口水平滑槽4-1，横梁4上通过该滑槽安装有第二固定支座8、滑动铰支座7、限位支座9和加载装置底板10 ；侧开口水平滑槽4-1之间的间距相等。 本发明所述横梁上加载装置底板10通过螺栓与测试仪器仪表或加载装置的底座相连，以实现测试仪器仪表、加载装置任意位置放置。图7是本发明第一固定支座的示意图。第一固定支座5底部通过连接底板和螺栓固定在上开口水平滑槽1-1上，可实现该支座任意位置放置。第一固定支座5上部通过特种螺栓与试验杆件连接，该特种螺栓为后部光圆、前部带有丝扣的螺栓。可以实现试验杆件固定端连接或活动铰接。具体是第一固定支座5上部连接部设有两个螺孔，当用两个特种螺栓将第一固定支座5和试验杆件连接并加两个L型加固盖板，实现试验杆件的固定端连接，此时，第一固定支座5起固定端支座的作用；当用一个特种螺栓将第一固定支座5和试验杆件连接，通过特种螺栓后部光圆，实现试验杆件的活动铰接，此时，第一固定支座5起固定铰支座的作用。图8是本发明滑动支座的示意图。从图8中可以看出，该滑动支座6底部通过螺栓和滑动导轨上盖板相连，以实现该支座的滑动。滑动导轨为市购标准件，其通过连接底板和螺栓固定在上开口水平滑槽1-1上，可实现滑动支座6的任意位置放置。该滑动支座6 上部通过特种螺栓与试验杆件连接，该特种螺栓为后部光圆、前部带有丝扣的螺栓，可以实现试验杆件的滑动铰支座连接或定向支座连接，具体是滑动支座6上部连接部设有两个螺孔，当用两个特种螺栓将滑动支座6和试验杆件连接并加两个L型加固盖板，实现定向支座作用；当用一个特种螺栓将滑动支座6和试验杆件连接，通过特种螺栓后部光圆，实现滑动铰支座作用。图9是本发明的滑动铰支座示意图。从图9中可以看出，所述滑动铰支座7是由底板7-1、两个滚轴7-2和盖板7-3组成。底座7-1和横梁4通过螺栓连接，滑动铰支座7 底部通过连接底板7-1和螺栓固定在横梁4的侧开口水平滑槽4-1上，可实现该支座在横梁4上任意位置的水平放置或垂直放置。上部试验杆件直接穿过两个滚轴7-2，形成滑动相连。滑动铰支座7可实现水平滑动铰支座和竖向滑动铰支座的作用，二者区别仅在使用时放置方向相差90°C。图10为本发明的第二固定支座示意图。从图10中可以看出，第二固定支座8底部通过连接底板和螺栓固定在横梁4的侧开口水平滑槽4-1上，可实现该支座在横梁4上任意位置的水平放置或垂直放置，起水平固定支座和竖向固定支座的作用。二者区别仅在使用时放置方向相差90°C。第二固定支座8上部通过特种螺栓与试验杆件连接，该特种螺栓为后部光圆、前部带有丝扣的螺栓，可以实现试验杆件固定端连接或活动铰接。具体实现方式与第一固定支座8相同。图11为本发明的限位支座示意图。从图11中可以看出，限位支座9由限位支座底板9-1、两个限位支座滚轴9-3和限位支座螺杆9-2组成，限位支座底板9-1和横梁4通过螺栓连接，限位支座底板9-1与限位支座滚轴9-3通过限位支座螺杆9-2连接，限位支座滚轴9-3长度小于限位支座螺杆9-2长度，以实现限位支座滚轴9-3沿限位支座螺杆9-2 自由滑动。限位支座9可实现水平外限位，可以水平设置，也可以竖向设置，方向相差90°C， 实现水平向平面外限位和竖向平面外限位。本发明所述试验杆件为等长标准件，试验杆件之间通过连接件连接，并根据试验要求安装在相应的支座间。所述连接件包括有一字型连接件11、L型连接件12、T型连接件 13。如图12、图13、图14所示。本发明所述连接件与试验杆件端部均设有螺栓孔，试验杆件上螺栓孔为光圆，连接件上螺栓孔设有丝扣，通过特种螺栓实现连接件与试验杆件之间的固结或铰接。该特种螺栓为后部光圆、前部带有丝扣的螺栓。可以实现试验杆件之间固结或铰接。一字型连接件 11与两根试验杆件相连，可实现水平方向或者垂直方向杆件的接长。L型连接件12也与两根试验杆件相连，实现一根水平杆件和一根垂直杆件交点的连接，一般用于模型角点连接； T型连接件13通过螺栓和三根试验杆件相连，实现两根水平杆件与一根竖向杆件或者两根竖向杆件与一根水平杆件交点的连接，一般用于模型中间结点连接。本发明所述连接件与试验杆件固结部位上部连接有加固盖板14，所述加固盖板14为一字型加固盖板和L型加固盖板。其通过螺栓与试验杆件及连接件相连。图15是本发明一字型加固盖板示意图。一字型加固盖板14用于加固一字型连接件与试验杆件之间的连接；L型加固盖板用于加固L型连接件及T型连接件与试验杆件之间的连接。加固盖板14的作用是保证固结连接的牢固度，使试验杆件之间不发生转动和移动。图16是本发明构件装配成的梁式模型示意图。采用上述构件装配成的梁式模型由滑动铰支座7、第二固定支座8、加载装置底板10、一字型连接件11及试验杆件组成。其中滑动铰支座7、第二固定支座8及加载装置底板10与横梁4通过螺栓连接。滑动铰支座 7和试验杆件之间的连接是直接让试验杆件穿过滑动铰支座7的滚轴7-2实现。第二固定支座8和试验杆件连接是通过两个螺栓固定连接。加载装置通过螺栓连接在加载装置底板 10上，并通过力传感器对试验杆件施加荷载，可实现任意位置水平、竖向荷载施加。试验杆件和一字型连接件11之间通过螺栓连接，可实现固结或铰接连接。图17是本发明构件装配成的钢架模型示意图。采用上述构件装配成的钢架模型由第一固定支座5、滑动支座6、滑动铰支座7、限位支座9及一字型连接件11、L型连接件 12、T型连接件13、试验杆件等组成。其中，第一固定支座5与底座1上水平滑槽1-1螺栓连接，上部通过所述的特种螺栓与试验杆件相连。滑动支座6放置在与底座1螺栓连接的滑动导轨上，上部通过所述的特种螺栓与与试验杆件相连。滑动铰支座7及限位支座9连接方式相同，均是底部通过螺栓与横梁4相连，外部直接让试验杆件穿过滚轴实现。一字型连接件11通过螺栓和两根试验杆件相连，实现杆件水平或垂直方向接长；L型连接件12通过螺栓和两根试验杆件相连，实现一根水平杆件和一根垂直杆件交点的连接，一般用于模型角点连接；T型连接件13通过螺栓和三根试验杆件相连，实现两根水平杆件与一根竖向杆件或者两根竖向杆件与一根水平杆件交点的连接，一般用于模型中间结点连接。本发明由底座、立柱、盖板、若干条横梁构成主体框架，在主体框架安装各种支座形成的支撑约束装置和防止构件平面外变形的限位装置以及方便学生组装任意模型的构件连接装置。可以方便地安装加载各种测试仪器仪表、连接安装各种试验杆件；能保证结构和荷载作用位于同平面，防止平面外变形；学生可以在自主设计实验模型和实验方案的要求下，实现积木式可靠组装。其结构合理，成本低，组合简便，安装可靠、稳定，使用方便，能满足结构力学教学内容需要。
权利要求
1.一种积木式平面结构力学性能万能实验台架，包括有底座、立柱、盖板、若干个横梁、 试验杆件及其连接件，两根立柱固定在底座两端，盖板安装在两根立柱顶部，它们之间通过螺栓装配连接，构成主体框架，其特征是所述底座上设有上开口水平滑槽，底座上通过该滑槽安装有第一固定支座和滑动支座；所述立柱外侧设有竖向滑槽，并用螺栓与L型连接板一侧连接，L型连接板另一侧与横梁连接固定；所述若干个横梁平行安装在两根立柱的两侧，可沿立柱上下升降，每个横梁上设有若干条等间距的侧开口水平滑槽，横梁上通过该滑槽安装有第二固定支座、滑动铰支座、限位支座和加载装置底板；所述试验杆件通过连接件相连，并根据实验要求安装各种支座之间。
2.根据权利要求1所述积木式平面结构力学性能万能实验台架，其特征在于所述底座上设有两条上开口水平滑槽，两条上开口水平滑槽分别位于立柱的两侧。
3.根据权利要求1所述积木式平面结构力学性能万能实验台架，其特征在于所述立柱两侧还设有导向滑槽，横梁背面上相应地设有与导向滑槽配合的导向凸条。
4.根据权利要求1所述积木式平面结构力学性能万能实验台架，其特征在于所述试验杆件为等长标准件，试验杆件之间通过连接件连接，所述连接件包括有一字型连接件、L 型连接件、T型连接件。
5.根据权利要求1所述积木式平面结构力学性能万能实验台架，其特征在于所述连接件与试验杆件端部均设有螺栓孔，试验杆件上螺栓孔为光圆，连接件上螺栓孔设有丝扣， 通过螺栓实现连接件与试验杆件之间的固结或铰接。
6.根据权利要求1所述积木式平面结构力学性能万能实验台架，其特征在于所述连接件与试验杆件固结部位上部连接有加固盖板，所述加固盖板为一字型和L型。
7.根据权利要求1所述积木式平面结构力学性能万能实验台架，其特征在于所述立柱上设有高度刻度标尺。
全文摘要
本发明涉及一种积木式平面结构力学性能万能实验台架，包括有底座、立柱、盖板、若干个横梁、各种支座、试验杆件及其连接件，所述底座上设有上开口水平滑槽，实现任意位置安装第一固定支座和滑动支座；所述立柱外侧设有竖向滑槽，通过L型连接板与横梁相连，实现横梁上下自由升降；所述若干个横梁平行安装在两根立柱的两侧，横梁上设置若干侧向水平滑槽，实现任意位置安装有第二固定支座、滑动铰支座、限位支座和加载装置底板；所述试验杆件通过连接件可任意组装，并根据实验要求安装在相应的支座之间。本发明结构合理，组合简便，安装可靠、稳定，成本低，可以方便实现试验模型积木式可靠组装，能满足结构力学教学内容需要。
文档编号G09B23/10GK102394020SQ20111026635
公开日2012年3月28日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者王焕定, 王瑞, 陈再现 申请人:哈尔滨工业大学(威海)