一種結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，屬于土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗教學(xué)領(lǐng)域。上下橫梁、立柱以及連系梁通過裝配的方式組成一空間自反力加載架，上橫梁中的H型鋼梁、下橫梁和立柱的腹板上均安裝直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)軌上安裝滑動小車平臺，滑動小車平臺可固定在直線導(dǎo)軌的任意位置，實驗?zāi)Ｐ图凹虞d裝置安裝在滑動小車平臺上。配置移動短立柱、約束橫梁以及提供水平反力中間橫梁等附屬裝置，實現(xiàn)對實驗?zāi)Ｐ偷亩喾N約束和多點多方向拉壓加載，且約束點和加載點的數(shù)量、位置、方向以及實驗?zāi)Ｐ偷某叽缭谟行嶒灴臻g內(nèi)不受限制。該平臺為空間結(jié)構(gòu)，實驗空間開放，加載手段豐富，同時進(jìn)行多組對比實驗和開展自主設(shè)計性綜合性實驗，有利于進(jìn)行開放式實驗教學(xué)。
【專利說明】一種結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗教學(xué)領(lǐng)域，涉及一種結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺。

【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)力學(xué)是高等院校土木工程專業(yè)必修的學(xué)科，主要研究結(jié)構(gòu)的合理形式以及結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下的內(nèi)力、變形、動力響應(yīng)和彈性穩(wěn)定性。具體來說結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)包括以下兩個方面:
[0003](I)根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能要求、內(nèi)力分布規(guī)律和幾何組成規(guī)律，來研究結(jié)構(gòu)的合理形式。
[0004](2)研究分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形、動力響應(yīng)和穩(wěn)定性方面的計算理論和方法。
[0005]一直以來，高等院校結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)方法主要是理論教學(xué)。由于結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象主要是桿系結(jié)構(gòu)，對節(jié)點和桿件均按理想模型進(jìn)行簡化，所以工程實際中的結(jié)構(gòu)看起來往往和結(jié)構(gòu)力學(xué)中的簡化計算模型相去甚遠(yuǎn)。難免會有學(xué)生會不理解甚至懷疑結(jié)構(gòu)力學(xué)中的一些基本假設(shè)和概念，也會造成學(xué)生工程認(rèn)識和理論認(rèn)知的脫節(jié)。隨著高等教育對實驗教學(xué)的重視，開展結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗是一種勢在必行的趨勢，但目前受制于缺少能系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)實驗的教學(xué)設(shè)備，使絕大多數(shù)高校都沒有開展結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的實驗教學(xué)。為改變這種現(xiàn)狀，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)平臺，多種結(jié)構(gòu)力學(xué)模型均可在該平臺上進(jìn)行實驗，能系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)力學(xué)基本理論的相關(guān)驗證實驗，且可以開展一些綜合性設(shè)計性實驗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺只能針對一種模型進(jìn)行實驗的缺點，本發(fā)明旨在提供一種結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，多種結(jié)構(gòu)力學(xué)模型均能在該平臺上進(jìn)行實驗。
[0007]本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，該結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺包括橫梁、立柱、移動短立柱、約束橫梁和連系梁；橫梁包括上橫梁、下橫梁、輔助上橫梁、輔助下橫梁和中間橫梁；下橫梁采用H型鋼梁，上橫梁采用H型鋼梁-球節(jié)點鋼管桁架組成的組合結(jié)構(gòu)，上橫梁和下橫梁通過四根立柱和四根連系梁連接，在兩立柱之間安裝有中間橫梁，下橫梁上配有移動短立柱，上橫梁和下橫梁之間裝有約束橫梁；連系梁包括上連系梁和下連系梁，上連系梁和下連系梁上分別安裝位置可調(diào)的輔助上橫梁和輔助下橫梁，形成一空間自反力的加載實驗平臺。
[0008]在所述的上橫梁和輔助上橫梁的H型鋼梁、下橫梁、輔助下橫梁、立柱、移動短立柱均設(shè)有直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)軌安裝在H型鋼的內(nèi)部，直線導(dǎo)軌上安裝滑動小車平臺，滑動小車平臺可鎖定在直線導(dǎo)軌的任意位置。
[0009]所述的輔助上橫梁與上橫梁均采用H型鋼梁-球節(jié)點鋼管桁架組合結(jié)構(gòu)形式，所述的輔助下橫梁與下橫梁均采用H型鋼梁。
[0010]所述的移動短立柱沿下橫梁上的直線導(dǎo)軌自由滑動和定位。
[0011]提供水平反力的中間橫梁在立柱上的固定按照模數(shù)連續(xù)可調(diào)。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:多種結(jié)構(gòu)力學(xué)模型均可在該平臺上進(jìn)行實驗，實現(xiàn)了多元化利用；該平臺為空間結(jié)構(gòu)，可同時進(jìn)行多種結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的實驗，有利于進(jìn)行對照實驗；該平臺可集成結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、加載裝置、測量裝置，實現(xiàn)一體化，簡便實用；滑動小車平臺可根據(jù)需要進(jìn)行移動和固定，實驗對象在加載架的有效實驗空間內(nèi)不受尺寸限制，適用范圍廣；該平臺也可用于空間結(jié)構(gòu)模型的實驗，同時可實現(xiàn)多點、多方向拉壓力加載，且加載點的位置、數(shù)量和方向不受限制，便于開展一些綜合性設(shè)計性實驗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明所述平臺正視圖。
[0014]圖2是本發(fā)明所述平臺側(cè)視圖。
[0015]圖3是本發(fā)明所述平臺俯視圖。
[0016]圖4是本發(fā)明所述三角形桁架實驗裝置圖。
[0017]圖中:1球節(jié)點鋼管桁架；2上橫梁；3下橫梁；4立柱；5底座；6上連系梁；7下連系梁；8直線導(dǎo)軌；9滑動小車平臺；10梁柱連接板；11連接板；12輔助上橫梁；13輔助下橫梁；14剎車塊；15中間橫梁；16移動短立柱；17約束橫梁；18三角形桁架模型；19模型支座；20渦輪螺旋加載機(jī)構(gòu)；21加載桿；22荷載傳感器。

【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實施實例對本發(fā)明的實施方式做進(jìn)一步說明。
[0019]本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，包括橫梁、立柱、移動短立柱、約束橫梁、連系梁、底座和滑動小車平臺；其中，
[0020]橫梁包括上橫梁、下橫梁、輔助上橫梁、輔助下橫梁和中間橫梁。上橫梁和輔助上橫梁作為承力橫梁，為提高其剛度，采用H型鋼梁-球節(jié)點鋼管桁架組合結(jié)構(gòu)，同時該H型鋼梁-球節(jié)點鋼管桁架組合結(jié)構(gòu)也作為研究組合結(jié)構(gòu)在載荷作用下內(nèi)力分布、變形的實驗?zāi)Ｐ?。球?jié)點鋼管桁架采用金屬圓管和球鉸節(jié)點連接而成，包括四根上弦桿、六根下弦桿、五根豎桿和六根斜桿。球節(jié)點鋼管桁架呈等腰梯形，斜桿之間互相連接呈“W”形。在H型鋼梁的兩翼緣之間上焊有連接板，通過螺栓和球節(jié)點鋼管桁架下弦桿上的球鉸節(jié)點連接，形成上橫梁。輔助上橫梁的結(jié)構(gòu)與上橫梁相同。下橫梁和輔助下橫梁結(jié)構(gòu)相同，均采用H型鋼梁。上橫梁和輔助上橫梁的H型鋼梁、下橫梁、輔助下橫梁的腹板上、上橫梁的H型鋼梁和下橫梁的側(cè)面均設(shè)有直線導(dǎo)軌，滑動小車平臺可沿直線導(dǎo)軌移動并可在任意位置鎖緊。另外，在上橫梁和輔助上橫梁中的H型鋼梁、下橫梁、輔助下橫梁底部均設(shè)有肋板，保證其整體穩(wěn)定性。中間橫梁結(jié)構(gòu)與下橫梁相同，其兩端通過螺栓與立柱垂直連接，并與上橫梁、下橫梁呈垂直關(guān)系。另外，中間橫梁可沿著立柱在不同位置固定。橫梁的主要作用是支撐結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和加載設(shè)備，并提供約束反力。
[0021]立柱:立柱分別與上橫梁中的H型鋼梁和下橫梁兩端豎直連接。立柱內(nèi)側(cè)設(shè)有直線導(dǎo)軌，對側(cè)布置肋板；立柱內(nèi)側(cè)翼緣上開有螺孔，用于固定中間橫梁。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的需要，立柱也有支撐結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和加載設(shè)備的作用。
[0022]移動短立柱:移動短立柱結(jié)構(gòu)與立柱相同,通過螺栓與滑動小車平臺連接,并置于下橫梁的直線導(dǎo)軌上。移動短立柱可在下橫梁上移動，用于支撐小型結(jié)構(gòu)和加載設(shè)備。
[0023]約束橫梁:約束橫梁與下橫梁的結(jié)構(gòu)相同，約束橫梁兩端通過螺栓固定在滑動小車平臺上，滑動小車平臺連接在上橫梁中的H型鋼梁和下橫梁側(cè)面的直線導(dǎo)軌上，可沿著直線導(dǎo)軌水平移動。約束橫梁的作用是放置測量設(shè)備，并可以給結(jié)構(gòu)模型提供側(cè)向約束，防止平面外失穩(wěn)。
[0024]連系梁:連系梁為工字型截面梁，包括上連系梁和下連系梁，均在腹板兩側(cè)設(shè)置肋板。上連系梁和下連系梁分別與立柱兩端連接，主要用于將兩榀平面的加載框架連接成空間加載框架，連系梁高度可沿立柱按模數(shù)調(diào)節(jié)。在上連系梁和下連系梁的側(cè)翼緣板上有螺栓孔，為了能夠在空間內(nèi)對實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行加載測試，在上連系梁上通過螺栓安裝輔助上橫梁，在下連系梁上通過螺栓安裝輔助下橫梁，以構(gòu)成加載功能更豐富的空間加載平臺。
[0025]底座:底座由底板和矩形鋼板連接而成。下橫梁兩端搭接在底座上，使加載平臺離開地面一定高度，方便實驗時模型的組裝、加載操作以及實驗現(xiàn)象的觀察。
[0026]滑動小車平臺:滑動小車平臺包括平臺板、四個軸承滑塊和剎車塊，其主要功能是將結(jié)構(gòu)模型的支座和加載點固定在直線導(dǎo)軌的任意位置，且數(shù)量、位置不受限制。軸承滑塊安裝在直線導(dǎo)軌上，在高壓力作用下仍然可以沿直線導(dǎo)軌滑動，平臺板通過螺栓固定在軸承滑塊上，此外平臺板上加工有螺栓孔，用于連接結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和加載裝置?；瑒有≤嚻脚_設(shè)有剎車塊，在調(diào)整好滑動小車平臺位置后，通過鎖緊滑動小車平臺剎車塊便可以固定住滑動小車平臺。
[0027]加載架安裝圖如圖1、圖2和圖3所示，首先通過梁柱連接板10將兩根立柱4和上橫梁2、下橫梁3連接成兩榀矩形的平面框架，然后通過兩根上連系梁6和兩根下連系梁7將兩榀平面框架連接成一個空間框架。該空間框架通過下橫梁3安裝在底座5上。為滿足不同尺寸實驗對象的安裝及加載需求，在下連系梁7上安裝兩根輔助下橫梁13，在上連系梁6上安裝兩根輔助上橫梁12，它們均能在上連系梁6和下連系梁7的任意位置固定，主要配合完成空間結(jié)構(gòu)(如橋梁模型、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等)的加載實驗。兩根輔助下橫梁13間距可以根據(jù)試件大小進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，可在輔助下橫梁13上安裝不同高度、不同種類的支座，以滿足各種實驗的進(jìn)行。上橫梁2中的H型鋼梁、下橫梁3、立柱4、輔助上橫梁12、輔助下橫梁13、中間橫梁15、約束橫梁17和移動短立柱16均安裝直線導(dǎo)軌8，導(dǎo)軌隱藏在型鋼內(nèi)部，導(dǎo)軌上安裝可移動的滑動小車平臺9，滑動小車平臺9上可安裝模型支座、加載油缸等，并可以通過剎車塊14鎖定在直線導(dǎo)軌上，進(jìn)而實現(xiàn)多點、多方向拉壓力加載。在下橫梁3上配備了一根移動短立柱16，結(jié)構(gòu)形式和立柱4相同。移動短立柱16通過螺栓安裝在滑動小車平臺9上，可沿下橫梁3移動，并可以固定在下橫梁3的任意位置，用于支撐小型結(jié)構(gòu)和加載設(shè)備。為方便對空間模型施加水平載荷，在兩榀框架相鄰的兩立柱4之間安裝一根提供水平反力的中間橫梁15，中間橫梁15在兩立柱間的固定高度按照模數(shù)連續(xù)可調(diào)，且在其側(cè)面裝有直線導(dǎo)軌8，可以在其任意位置安裝模型支座和加載裝置，以方便對空間實驗?zāi)Ｐ褪┘铀捷d荷、提供水平約束。為方便測量設(shè)備的安裝，避免平面的結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗?zāi)Ｐ驮诩虞d時發(fā)生面外失穩(wěn)，保證實驗對象在加載時保持平面內(nèi)變形狀態(tài)，在上橫梁2、下橫梁3的側(cè)面安裝約束橫梁17。其實現(xiàn)方式是:在上橫梁2、下橫梁3的側(cè)面安裝水平直線導(dǎo)軌8，約束橫梁17通過滑動小車平臺9安裝在上橫梁2、下橫梁3的側(cè)面水平直線導(dǎo)軌8上，并可以沿著水平直線導(dǎo)軌8水平移動。
[0028]在技術(shù)細(xì)節(jié)上，為保證實驗裝置的剛度以及構(gòu)件局部承載力，上橫梁2采用H型鋼梁和球節(jié)點鋼管桁架I組成的組合結(jié)構(gòu)，以提高其剛度，保證構(gòu)件的變形不超過跨度的1/1000，一方面滿足加載裝置需要依據(jù)剛度設(shè)計的原則，另一方面保證直線導(dǎo)軌8產(chǎn)生的變形不會影響滑動小車平臺9在直線導(dǎo)軌8上的自由滑動。對于上連系梁6、下連系梁7和立柱4連接部位采用連接板11進(jìn)行連接，以增加連接的可靠性，保證結(jié)構(gòu)的整體剛度。在立柱4、上橫梁2中的H型鋼梁、下橫梁3、上連系梁6、下連系梁7等構(gòu)件的腹板與翼緣之間均焊接若干方形的加勁肋板，以保證構(gòu)件的承載力滿足設(shè)計要求。
[0029]圖4為三角形桁架實驗裝置圖，三角形桁架模型18通過模型支座19固定在滑動小車平臺9上，加載點通過加載桿21與渦輪螺旋加載機(jī)構(gòu)20相連，渦輪螺旋加載機(jī)構(gòu)20通過滑動小車平臺9固定在上橫梁2中的H型鋼梁上，荷載傳感器22安裝在渦輪螺旋加載機(jī)構(gòu)20和加載桿21之間。約束橫梁17用來保證平面三角形桁架在加載時保持平面變形，同時安裝位移傳感器用來測量結(jié)構(gòu)模型的局部變形。實驗時，通過渦輪螺旋加載機(jī)構(gòu)20進(jìn)行加載，利用荷載傳感器22讀出所加荷載大小，通過模型桿件上的應(yīng)變片測出應(yīng)變大小，從而實現(xiàn)三角形桁架模型的實驗探究。
【權(quán)利要求】
1.一種結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，其特征在于，該結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺包括橫梁、立柱、移動短立柱、約束橫梁和連系梁；橫梁包括上橫梁、下橫梁、輔助上橫梁、輔助下橫梁和中間橫梁；下橫梁采用H型鋼梁，上橫梁采用H型鋼梁-球節(jié)點鋼管桁架組成的組合結(jié)構(gòu)，上橫梁和下橫梁通過四根立柱和四根連系梁連接，在兩立柱之間安裝有中間橫梁，下橫梁上配有移動短立柱，上橫梁和下橫梁之間裝有約束橫梁；連系梁包括上連系梁和下連系梁，上連系梁和下連系梁上分別安裝位置可調(diào)的輔助上橫梁和輔助下橫梁，形成一空間自反力的加載實驗T D O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，其特征在于，上橫梁和輔助上橫梁的H型鋼梁、下橫梁、輔助下橫梁、立柱、移動短立柱均設(shè)有直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)軌安裝在H型鋼的內(nèi)部，直線導(dǎo)軌上安裝滑動小車平臺，滑動小車平臺可鎖定在直線導(dǎo)軌的任意位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，其特征在于，所述的輔助上橫梁與上橫梁均采用H型鋼梁-球節(jié)點鋼管桁架組合結(jié)構(gòu)形式，所述的輔助下橫梁與下橫梁均采用H型鋼梁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，其特征在于，移動短立柱沿下橫梁上的直線導(dǎo)軌自由滑動和定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，其特征在于，移動短立柱沿下橫梁上的直線導(dǎo)軌自由滑動和定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，其特征在于，提供水平反力的中間橫梁在立柱上的固定按照模數(shù)連續(xù)可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，其特征在于，提供水平反力的中間橫梁在立柱上的固定按照模數(shù)連續(xù)可調(diào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗平臺，其特征在于，提供水平反力的中間橫梁在立柱上的固定按照模數(shù)連續(xù)可調(diào)。
【文檔編號】G09B23/10GK104332086SQ201410482981
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】陳廷國, 吳江龍, 王衡, 張立, 胡樹志 申請人:大連理工大學(xué), 煙臺大學(xué), 煙臺新天地試驗技術(shù)有限公司