桁架搭接實驗裝置結構設計

武世杰　焦琳青　胡仕琪　趙鑫　沈韶華　施向東

【摘 要】桁架結構實驗是很多院校開設的力學實驗，針對大部分桁架實驗為驗證性實驗，結合如今大學工科類的教育加強實踐內容，在力學教學中尤其十分重視學生的實踐能力，本文主要介紹了一種基于研究性實驗開發的多功能組合式力學實驗裝置的設計，該裝置可以通過結構形式的自主組合、支座形式的自主選擇以及多種加載方式實現多種靜定、超靜定桁架和剛架結構的力學實驗，操作簡單，功能多樣，為學生自主設計綜合性、設計性實驗提供了一個平臺。

【關鍵詞】桁架結構；實驗裝置；力學實驗

0 引言[1-5]

隨著國民經濟的持續高速發展和人們對于建筑審美要求，舞臺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在城市建設中，成為現代化大都市的重要象征。人們對于高強度、簡易型桁架的需求也越來凸顯，特別是建筑用鋼-混凝土桁架的應用尤為突出，這就需要專業設計人員在設計之初對桁架的承載能力進行實驗研究，探究桁架的承載能力，受力情況分析，以及桁架穩定性。

通過本實驗裝置的研究為土木工程專業、機械專業提供可靠的實驗平臺，為設計人員提供便利，本實驗裝置可以更加準確測試桁架的承載能力，進而提高桁架的承載能力和設計出高強度、簡易型桁架。同時也可以為學生提供桁架實驗平臺，可以讓學生自主設計桁架模型進而分析桁架在不同受力情況下的變形情況，進而提高學生的動手實踐能力，分析能力和創新設計能力。

國內有許多針對桁架受力實驗裝置的研究都是以實際工程為基礎，設計出的實驗裝置，具有一定的局限性，且加載形式較單一。很多院校的桁架結構實驗只是在已搭好的裝置上進行測試，而且加載位置也是固定的，因此只能稱為驗證性試驗。部分儀器也可以自由組合一些桁架，但測試范圍僅限于平面，不僅對測試的范圍有很大的局限性，而且大大增加了誤差。

1 設計過程

1.1 實驗裝置基本原理

桁架結構搭接加載受力實驗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構不同作用點加載，實現多種不同形式的鋼架或桁架的內力測定實驗，彈性模量和泊松比的測定實驗以及壓桿穩定實驗。

1.2 實驗裝置基本組成結構

力學實驗平臺，組合桿件，銷釘，砝碼，鋼絲繩，應變片，力與應變綜合參數測試儀，計算機，工具箱，組成結構如圖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 螺釘連接設計

1.2.5 傳動機構設計

我們設計的傳動機構包括蝸輪蝸桿，齒輪與齒條等構件，通過蝸輪蝸桿傳動，蝸輪帶動齒輪轉動，齒輪帶動齒條上下移動。

蝸桿傳動是由蝸桿和蝸輪組成的，用于傳遞空間交錯兩軸之間的運動和動力。

2 設計結果

綜合各個部位的設計計算可以得出：實驗裝置可加載0～7kN范圍內的力。根據以上計算結果設計制作出來的桁架實驗裝置如圖11所示。

桁架結構的靜力測試過程為：由學生自行設計各種加載方案。采用桁架實驗臺蝸輪蝸桿加載裝置進行逐步加載；利用力與變形測試儀測量桿件應變，并計算軸力。分析內力分布規律，及加載方案對內力的影響，并與理論值對比，分析誤差。

3 總結

在科技飛速發展的今天，大學工科類的教育越來越需要更多的實踐內容的融入，在力學教學中尤其十分重視學生的實踐能力，這樣的桁架結構搭接加載受力實驗裝置的推廣順應了目前科技發展的潮流，對工科類大學生的實踐能力，創新思維的培養都有極大的積極意義。通過本文設計的實驗裝置，可以有效解決現有桁架實驗裝置中桁架固定、加載單一等局限問題，實現多種桁架模型搭接，多種加載方式加載載荷，具有一定的創新性和實用性。可以通過結構形式的自主組合、支座形式的自主選擇以及多種加載方式實現多種靜定、超靜定桁架和剛架結構的力學實驗，操作簡單，功能多樣，為學生自主設計綜合性、設計性實驗提供了一個平臺。這樣的桁架結構搭接加載受力實驗裝置的推廣對工科類大學生的實踐能力，創新思維的培養都有極大的積極意義。本實驗裝置參加首都高校第七屆機械創新設計大賽獲得二等獎。

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[責任編輯：楊玉潔]