桁架搭接實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

武世杰　焦琳青　胡仕琪　趙鑫　沈韶華　施向東

【摘 要】桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)是很多院校開設(shè)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)大部分桁架實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，結(jié)合如今大學(xué)工科類的教育加強(qiáng)實(shí)踐內(nèi)容，在力學(xué)教學(xué)中尤其十分重視學(xué)生的實(shí)踐能力，本文主要介紹了一種基于研究性實(shí)驗(yàn)開發(fā)的多功能組合式力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，該裝置可以通過結(jié)構(gòu)形式的自主組合、支座形式的自主選擇以及多種加載方式實(shí)現(xiàn)多種靜定、超靜定桁架和剛架結(jié)構(gòu)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單，功能多樣，為學(xué)生自主設(shè)計(jì)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)平臺(tái)。

【關(guān)鍵詞】桁架結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)裝置；力學(xué)實(shí)驗(yàn)

0 引言[1-5]

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展和人們對(duì)于建筑審美要求，舞臺(tái)搭建速度的不斷提高，及大跨度和超高層建筑越來越多地涌現(xiàn)在城市建設(shè)中，成為現(xiàn)代化大都市的重要象征。人們對(duì)于高強(qiáng)度、簡(jiǎn)易型桁架的需求也越來凸顯，特別是建筑用鋼-混凝土桁架的應(yīng)用尤為突出，這就需要專業(yè)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之初對(duì)桁架的承載能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探究桁架的承載能力，受力情況分析，以及桁架穩(wěn)定性。

通過本實(shí)驗(yàn)裝置的研究為土木工程專業(yè)、機(jī)械專業(yè)提供可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為設(shè)計(jì)人員提供便利，本實(shí)驗(yàn)裝置可以更加準(zhǔn)確測(cè)試桁架的承載能力，進(jìn)而提高桁架的承載能力和設(shè)計(jì)出高強(qiáng)度、簡(jiǎn)易型桁架。同時(shí)也可以為學(xué)生提供桁架實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)桁架模型進(jìn)而分析桁架在不同受力情況下的變形情況，進(jìn)而提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，分析能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

國(guó)內(nèi)有許多針對(duì)桁架受力實(shí)驗(yàn)裝置的研究都是以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)裝置，具有一定的局限性，且加載形式較單一。很多院校的桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)只是在已搭好的裝置上進(jìn)行測(cè)試，而且加載位置也是固定的，因此只能稱為驗(yàn)證性試驗(yàn)。部分儀器也可以自由組合一些桁架，但測(cè)試范圍僅限于平面，不僅對(duì)測(cè)試的范圍有很大的局限性，而且大大增加了誤差。

1 設(shè)計(jì)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置基本原理

桁架結(jié)構(gòu)搭接加載受力實(shí)驗(yàn)裝置首先通過采用不同桿件搭接桁架模型，然后采用不同加載裝置在結(jié)構(gòu)不同作用點(diǎn)加載，實(shí)現(xiàn)多種不同形式的鋼架或桁架的內(nèi)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)，彈性模量和泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)以及壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置基本組成結(jié)構(gòu)

力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，組合桿件，銷釘，砝碼，鋼絲繩，應(yīng)變片，力與應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀，計(jì)算機(jī)，工具箱，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

即可知梁AB、CD能承受的最大載荷為16.45kN，而向桁架所能加載的最大載荷為2F ≤ 32.90kN

1.2.2 螺釘連接設(shè)計(jì)

1.2.5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括蝸輪蝸桿，齒輪與齒條等構(gòu)件，通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸輪帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)齒條上下移動(dòng)。

蝸桿傳動(dòng)是由蝸桿和蝸輪組成的，用于傳遞空間交錯(cuò)兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

綜合各個(gè)部位的設(shè)計(jì)計(jì)算可以得出：實(shí)驗(yàn)裝置可加載0～7kN范圍內(nèi)的力。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)制作出來的桁架實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。

桁架結(jié)構(gòu)的靜力測(cè)試過程為：由學(xué)生自行設(shè)計(jì)各種加載方案。采用桁架實(shí)驗(yàn)臺(tái)蝸輪蝸桿加載裝置進(jìn)行逐步加載；利用力與變形測(cè)試儀測(cè)量桿件應(yīng)變，并計(jì)算軸力。分析內(nèi)力分布規(guī)律，及加載方案對(duì)內(nèi)力的影響，并與理論值對(duì)比，分析誤差。

3 總結(jié)

在科技飛速發(fā)展的今天，大學(xué)工科類的教育越來越需要更多的實(shí)踐內(nèi)容的融入，在力學(xué)教學(xué)中尤其十分重視學(xué)生的實(shí)踐能力，這樣的桁架結(jié)構(gòu)搭接加載受力實(shí)驗(yàn)裝置的推廣順應(yīng)了目前科技發(fā)展的潮流，對(duì)工科類大學(xué)生的實(shí)踐能力，創(chuàng)新思維的培養(yǎng)都有極大的積極意義。通過本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，可以有效解決現(xiàn)有桁架實(shí)驗(yàn)裝置中桁架固定、加載單一等局限問題，實(shí)現(xiàn)多種桁架模型搭接，多種加載方式加載載荷，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性?？梢酝ㄟ^結(jié)構(gòu)形式的自主組合、支座形式的自主選擇以及多種加載方式實(shí)現(xiàn)多種靜定、超靜定桁架和剛架結(jié)構(gòu)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單，功能多樣，為學(xué)生自主設(shè)計(jì)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)平臺(tái)。這樣的桁架結(jié)構(gòu)搭接加載受力實(shí)驗(yàn)裝置的推廣對(duì)工科類大學(xué)生的實(shí)踐能力，創(chuàng)新思維的培養(yǎng)都有極大的積極意義。本實(shí)驗(yàn)裝置參加首都高校第七屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽獲得二等獎(jiǎng)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]