本發(fā)明屬于土木工程專業(yè)結構力學實驗教學領域，涉及一種結構力學教學實驗的裝置，特別涉及多功能剛架實驗模型。

背景技術：

結構力學是高等院校土木工程專業(yè)必修的學科，其研究對象主要是桿系結構，其具體任務包括研究結構在荷載等因素作用下的內(nèi)力和位移的計算以及結構的組成規(guī)則和合理形式等問題。剛架結構在結構力學教學中占據(jù)著舉足輕重的地位，利用剛架結構可以實現(xiàn)多種結構力學分析及求解方法的驗證，使結構力學中的相關理論更具象與直觀化的體現(xiàn)。

雖然理論教學一直以來是高等院校結構力學的主要教學方法，但隨著高等教育對實驗教學的重視，開展結構力學實驗也成為一種勢在必行的趨勢。實驗驗證能加深學生對理論知識的理解，在進行實驗裝置設計時，其設計原則是能充分驗證結構力學中相關原理，但若一種實驗裝置兼具驗證多種實驗原理的功能，則將大大提升實驗裝置的創(chuàng)造性和實用性。本發(fā)明提供了多功能剛架實驗模型，通過相同桿件和結點不同方式的組合連接和荷載布置，實現(xiàn)多種結構力學原理的驗證，靈活轉換，連接方便。

本發(fā)明教學實驗裝置中的支撐及約束裝置、加載裝置與本課題組已經(jīng)公開的中國專利(2015107123346一種將力法直觀化的教學實驗裝置；2015107079593一種將位移法直觀化的教學實驗裝置)中的內(nèi)容相似，公開的內(nèi)容在在整個裝置中的僅起到加載和支撐的作用，不為本發(fā)明的創(chuàng)新結構，本發(fā)明的剛架結構包括兩種結構，與之前專利公開的內(nèi)容完全不同；剛架結構可根據(jù)需要自主設計，不同數(shù)量、不同形式的桿件和結點組成不同形式的模型，用于進行不同的結構力學剛架實驗，以驗證結構力學相關理論，桿件和結點可重復使用?？沈炞C的結構力學相關理論包括：1)剛架幾何組成分析；2)結構內(nèi)力分布；3)剛架主從結構判定；4)功的互等定理；5)探究柔度系數(shù)之間的關系；6)非荷載因素對結構的影響。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，改變目前結構力學教學中缺少相關實驗內(nèi)容的現(xiàn)狀，發(fā)明一種可實現(xiàn)多種結構力學原理的多功能剛架實驗模型，該教學實驗裝置能夠實現(xiàn)結構力學教學內(nèi)容的實驗化，使學生在親身實踐和分析中，更深入地理解結構力學相關理論知識。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種多功能剛架實驗模型包括剛架結構、剛架結構的約束支撐、支撐及約束裝置、加載裝置和測量設備。

所述的剛架結構由桿件和結點連接而成，剛架結構分為兩類，分別用于I類基本結構和II類基本結構。

所述的桿件根據(jù)使用功能及制作工藝的不同分為柱式桿件和梁式桿件。所述的柱式桿件包括固接柱式桿件3d和鉸接柱式桿件3a、3b、3c。所述的固接柱式桿件3d的桿身24的一側與帶有斜撐的圓形剛結點盤25焊接，保證固接柱式桿件3d與支座連接的剛度；固接柱式桿件3d的桿身24的另一側自由端不作任何處理，根據(jù)剛度不同分為空心方桿、實心方桿和實心矩形桿。所述的鉸接柱式桿件3a、3b、3c一端有一個通孔，另一端為自由端不作任何處理，根據(jù)剛度不同分為空心方桿、實心方桿和實心矩形桿。所述的梁式桿件4a、4b、4c、4d的桿身26一端與帶有斜撐的L型剛結點夾具I 27焊接；L型剛結點夾具I 27通過螺栓與另一塊形狀相同的L型剛結點夾具II 5a、5b、5c、5d連接；梁式桿件4a、4b、4c、4d另一端為圓形接頭，可與結點通過螺栓直接相連。

所述的結點分為L型剛結點、鉸結點、組合結點和一字型剛結點。L型剛結點由梁式桿件與柱式桿件連接處組合而成，具體實施方式為梁式桿件4a、4b、4c、4d上的焊接L型剛結點夾具I 27與L型剛結點夾具II 5通過螺栓與柱式桿件3a、3b、3c、3d進行夾持連接，通過這種方式可以保證柱式桿件剛度發(fā)生變化時L型剛結點的剛度隨之改變，確保結點連接的合理性；鉸結點由一對扇形鉸結點片6a通過螺栓連接梁式桿件4a、4b而成，兩扇形鉸結點片可繞軸靈活轉動；組合結點由一個扇形鉸結點片6b與鉸接柱式桿件3b通過螺栓組合而成，可根據(jù)需要與不同數(shù)量的桿件組合成不同類型的組合結點；一字型剛結點在剛架結構上的位置與鉸結點一致，用于實施例中替換鉸結點的位置形成約束更強的剛架結構，提高結構的靈活性；一字型剛結點由一個剛結點片6c通過螺栓連接梁式桿件4a、4b而成，具有和梁式桿件4a、4b相同的剛度。

所述的用于I類基本結構的剛架結構具體為：所述的梁式桿件4a、4b的圓形接頭一端通過鉸結點的一對扇形鉸結點片6a連接，梁式桿件4a、4b的另一端分別通過L型剛結點夾具5a、5b安裝在鉸接柱式桿件3a、3b上，安裝時梁式桿件4a、4b、扇形鉸結點片6a和L型剛結點夾具5a、5b組成的整體可沿鉸接柱式桿件3a、3b的軸線方向上下調整高度，便于根據(jù)使用需要形成不同高度的剛架結構；梁式桿件4c一端通過組合結點的扇形鉸結點片6b與鉸接柱式桿件3b鉸接連接，另一端通過L型剛結點夾具5c固接在鉸接柱式桿件3c上。

所述的用于II類基本結構的剛架結構具體為：所述的梁式桿件4d的一端通過L型剛結點夾具5d安裝在鉸接柱式桿件3d上，另一端與安裝在牛腿22上的活動鉸支座上，安裝時梁式桿件4d和L型剛結點夾具5d組成的整體可通過牛腿22的移動沿固接柱式桿件3d的軸線方向上下調整高度，便于形成不同高度的剛架結構。

所述的固接柱式桿件3d能夠根據(jù)需要與方形墊塊18a、18b、鉸支座水平導軌19或者轉動支座20連接。所述的鉸接柱式桿件3a、3b、3c鉆有通孔的一端能夠與鉸支座盤17a、17b、17c連接，鉸支座盤17a、17b、17c能夠根據(jù)需要與方形墊塊18a、18b或鉸支座水平導軌19連接。所述的梁式桿件4a與梁式桿件4b能夠根據(jù)需要通過一對扇形鉸結點片6a或剛結點片6c相連。模型可根據(jù)需要自主設計，不同數(shù)量、不同形式的桿件和結點組裝成不同形式的剛架結構，桿件和結點可重復使用。

所述的剛架結構的約束支承包括固定鉸支座、活動鉸支座和能夠施加轉角的固定支座；所述的固定鉸支座和活動鉸支座用于I類基本結構，所述的活動鉸支座和能夠施加轉角的固定支座用于II類基本結構。

所述的固定鉸支座具體為：鉸接柱式桿件3a、3b的一側與鉸支座盤17a、17b相連，鉸支座盤17a、17b通過螺栓與方形墊塊18a、18b連接，方形墊塊18a、18b通過螺栓與小車平臺21b、21c相連，形成固定鉸支座，所述的小車平臺21b、21c安裝在反力架1的下橫梁上。

所述的活動鉸支座具體為：所述的鉸接柱式桿件3c或梁式桿件4d與鉸支座盤17c相連，鉸支座盤17c通過螺栓與鉸支座水平導軌19相連，鉸支座水平導軌19通過螺栓與小車平臺21d或牛腿22相連，形成活動鉸支座；所述的小車平臺21d安裝在反力架1的下橫梁上，所述的牛腿22通過小車平臺21h安裝在反力架1的一側立柱上。

所述的能夠施加轉角的固定支座具體為：所述的固接柱式桿件3d通過螺栓與轉動支座20相連，轉動支座20通過螺栓與矩形墊板16相連，矩形墊板16通過螺栓與小車平臺21f相連，小車平臺21f安裝在反力架1的下橫梁上，形成能夠施加轉角的固定支座；所述的轉動支座20能夠在平行于剛架結構的平面上施加一定的轉角。

所述的加載裝置包括蝸輪蝸桿加載裝置、電動伺服加載裝置和轉角施加裝置，根據(jù)需要選取其中一種或兩種加載裝置進行剛架結構的加載和卸載。蝸輪蝸桿加載裝置和電動伺服加載裝置功能相同，可替換使用，用于I類、II類基本結構，轉角施加裝置用于II類基本結構。

所述的蝸輪蝸桿加載裝置包括蝸輪蝸桿升降機7、加載桿10a、球鉸9和桿件夾具11a；所述的蝸輪蝸桿升降機7的一端通過螺栓與小車平臺21a固定連接，小車平臺21a通過滑塊安裝到反力架1導軌上，蝸輪蝸桿升降機7的另一端通過螺紋與力傳感器8a連接，蝸輪蝸桿升降7通過旋轉手輪對剛架結構施加荷載；所述的力傳感器8a通過螺紋與球鉸9連接，球鉸9通過螺紋與加載桿10a連接，加載桿10a通過螺紋與桿件夾具11a連接，球鉸9通過其自身的自由轉動避免加載裝置對剛架結構產(chǎn)生彎矩的影響；桿件夾具11a包括銷釘30、加載桿連接件29和兩塊不同大小的桿件夾片31，大的桿件夾片31和加載桿連接件29的一側有銷孔，二者通過銷釘連接；桿件垂直穿過兩塊桿件夾片31形成的凹槽，每塊桿件夾片31上有四個螺栓孔，通過螺栓將矩形薄壁桿件和桿件夾片連接；桿件夾具11a可以實現(xiàn)加載裝置與梁式桿件或柱式桿件連接，同時通過桿件夾具11a銷結構避免彎矩傳遞。通過蝸輪蝸桿加載裝置，實現(xiàn)對剛架結構的加載與卸載，蝸輪蝸桿加載裝置可手動控制施加拉力和壓力，通過力傳感器8a在計算機上顯示所加荷載，實現(xiàn)剛架結構的加載與卸載。

所述的電動伺服加載裝置包括電動缸12、加載桿10b和桿件夾具11b。所述的電動缸12底座配有連接板，通過螺栓與小車平臺21g固定連接，電動缸12頂部通過螺紋與力傳感器8b連接，力傳感器8b通過螺紋與加載桿10b連接，加載桿10b通過螺紋與桿件夾具11b連接，桿件夾具11b能夠實現(xiàn)加載裝置與桿件的連接。電動缸12通過控制臺自動施加荷載，靈活方便，實現(xiàn)對剛架結構的加載和卸載。

所述的轉角施加裝置包括絲杠減速機13、扭矩傳感器14和墊板16。所述的扭矩傳感器14一端通過螺栓與轉動支座20相連，另一端插入絲杠減速機13內(nèi)；絲杠減速機13通過螺栓安裝到矩形墊板16上；矩形墊板16通過螺栓與轉動支座20下部相連，保證轉角施加裝置與轉動支座20在相同高度處運行。所述的轉角施加裝置通過對剛架結構固接柱式桿件3d上的圓形剛結點盤25施加扭矩，使剛架結構在結點處產(chǎn)生角位移，通過轉角傳感器28可測出角位移數(shù)值；轉角施加裝置還可用于約束剛架結構在固接柱式桿件的轉動，通過扭矩傳感器14可測出剛架結構在結點處產(chǎn)生的扭矩。

所述的支承及約束裝置包括反力框架和剛架結構的約束支承。

所述的反力框架為“L”形剛架、門形剛架等多種形式，包括反力架1、底座2和活動立柱23；所述的底座2固定于反力架1的下橫梁下部，用于支撐整個裝置；所述的活動立柱23通過螺栓與小車平臺21e連接，小車平臺21e滑塊與反力架1下橫梁連接，活動立柱23能夠沿著反力架1下橫梁導軌左右滑動；所述的反力架1由內(nèi)置導軌的上下兩個橫梁和內(nèi)置導軌的左右兩個立柱組成，每個橫梁和立柱上能夠固定小車平臺及牛腿22。

所述的測量設備包括力傳感器8a、8b、應變片、轉角傳感器28和百分表32a、32b、32c。所述的力傳感器8a、8b用于測得蝸輪蝸桿升降機7或電動缸12對剛架結構所施加的荷載值；應變片粘貼在桿件兩側不同位置，通過所測應變值計算桿件內(nèi)力大?。晦D角傳感器28測得轉角施加裝置施加在支座處的轉角；百分表32a、32b、32c測得剛架結構某點的水平或豎向位移；以上測量設備均通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)與計算機連接，通過計算機對各項數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。

上述多功能剛架實驗模型能夠根據(jù)需要自主設計，不同數(shù)量、不同形式的桿件和結點組成不同形式的模型，用于進行不同的結構力學剛架實驗，以驗證結構力學相關理論，桿件和結點可重復使用。

上述多功能剛架實驗模型能夠用于剛架幾何組成分析實驗、結構內(nèi)力分布實驗、剛架主從結構判定實驗、功的互等定理實驗、探究柔度系數(shù)之間的關系實驗、非荷載因素對結構的影響實驗、力法實驗，具體實施步驟如下：

當上述多功能剛架實驗模型用于剛架幾何組成分析實驗時，具體步驟如下：

第一步，進行幾何不變體系實驗。

1.1)組裝單跨剛架結構，即在I類基本結構的基礎上去除右側鉸接柱式桿件和梁式桿件，只保留左側兩根鉸接柱式桿件(空心方桿)分別通過L型剛結點與兩根梁式桿件相連，梁式桿件之間通過一對鉸結點片相連。測量鉸接柱式桿件和梁式桿件的長度和L型剛結點到蝸輪蝸桿加載位置及應變片貼片位置的間距，對多功能剛架實驗模型進行預加載，平衡力傳感器和所有應變片測點，并記錄百分表初始讀數(shù)。

1.2)在蝸輪蝸桿加載位置處通過加載裝置施加分級位移，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄百分表讀數(shù)、力傳感器讀數(shù)和各測點應變值。加載裝置加載到最高級位移后，對模型進行卸載。

1.3)重復步驟1.2至少三次。

1.4)實驗結束，拆卸模型，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，得出結論。

第二步，進行幾何可變體系實驗。

按照步驟1.1組裝實驗模型，并將模型右側墊塊換成鉸支座水平導軌，其余步驟與步驟1.1～步驟1.4一致。

第三步，進行有多余約束的幾何不變體系實驗。

按照步驟1.1組裝實驗模型，并將模型一對鉸結點片換成剛結點片，其余步驟與步驟1.1～步驟1.4一致。

第四步，將三種體系的試驗結果進行對比分析，得出幾何可變體系與幾何不變體系的區(qū)別。

當上述多功能剛架實驗模型用于結構內(nèi)力分布實驗時，具體步驟如下：

第一步，進行靜定結構內(nèi)力分布實驗。

2.1)與步驟1.1一致。

2.2)在蝸輪蝸桿加載位置處通過加載裝置施加分級荷載，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄力傳感器讀數(shù)和各測點應變值。加載裝置加載到最高級荷載后，對模型進行卸載。

2.3)重復步驟2.2至少三次。

2.4)將模型最左側的鉸接柱式桿件(空心方桿)換成鉸接柱式桿件(實心方桿)，重復步驟2.2～步驟2.3。

2.5)將模型最左側的鉸接柱式桿件(空心方桿)換成鉸接柱式桿件(實心矩形桿)，重復步驟2.2～步驟2.3。

2.6)實驗結束，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，將實驗結果進行對比，得出結論。

第二步，進行一次超靜定結構內(nèi)力分布實驗。

3.1)按照步驟1.1組裝實驗模型，并將模型最左側的鉸接柱式桿件換成固接柱式桿件(空心方桿)，重復步驟2.2～步驟2.3。

3.2)將固接柱式桿件(空心方桿)換成固接柱式桿件(實心方桿)，重復步驟2.2～步驟2.3。

3.3)將固接柱式桿件(空心方桿)換成固接柱式桿件(實心矩形桿)，重復步驟2.2～步驟2.3。

3.4)與步驟2.6一致。

第三步，將兩種結構的實驗結果進行對比分析，得出桿件剛度的改變對靜定結構與超靜定結構內(nèi)力分布的影響。

當上述多功能剛架實驗模型用于剛架主從結構判定實驗時，具體步驟如下：

第一步，組裝雙跨主從剛架結構，即按照I類基本結構形式組裝實驗模型，蝸輪蝸桿加載裝置與最左側鉸接柱式桿件連接。測量鉸接柱式桿件和梁式桿件的長度、L型剛結點到蝸輪蝸桿加載位置及應變片貼片位置的間距，對多功能剛架實驗模型進行預加載，平衡力傳感器和所有應變片測點。

第二步，重復步驟2.2～步驟2.3。

第三步，拆卸蝸輪蝸桿加載裝置，轉移至右側安裝在反力架右立柱上，并將蝸輪蝸桿加載裝置與最右側鉸接柱式桿件連接。測量L型剛結點到蝸輪蝸桿加載位置的間距，對多功能剛架實驗模型進行預加載，平衡力傳感器和所有應變片測點。

第四步，重復步驟2.2～步驟2.3。

第五步，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，得出靜定主從剛架中基本部分和附屬部分的內(nèi)力傳力區(qū)別。

當上述多功能剛架實驗模型用于功的互等定理實驗時，具體步驟如下：

第一步，按照II類基本結構形式組裝實驗模型。測量固接柱式桿件和梁式桿件的長度、L型剛結點到蝸輪蝸桿加載位置及電動伺服系統(tǒng)加載位置的間距、L型剛結點到各應變片貼片位置的間距，通過蝸輪蝸桿、電動伺服加載裝置對多功能剛架實驗模型進行預加載，平衡力傳感器、轉角傳感器和所有應變片測點。

第二步，在蝸輪蝸桿加載位置處通過加載裝置對模型施加荷載F₁，在電動伺服系統(tǒng)加載位置處通過加載裝置對模型施加荷載F₂。同時通過轉角施加裝置調整轉動支座，使安裝在轉動支座上的轉角傳感器示數(shù)為零，通過扭矩傳感器測出轉動支座承受的扭矩，并記錄各測點應變值。

第三步，拆卸蝸輪蝸桿加載裝置和電動伺服加載裝置，通過轉角施加裝置對多功能剛架實驗模型進行預加載，平衡轉角傳感器和所有應變片測點，記錄百分表讀數(shù)。

第四步，轉動轉角施加裝置，使轉角傳感器讀數(shù)為α，并記錄此時安裝在蝸輪蝸桿加載位置及電動伺服系統(tǒng)加載位置處的百分表讀數(shù)S₁及S₂。

第五步，基于第四步的位移狀態(tài)，利用功的互等定理計算出加載裝置對模型施加荷載F₁和F₂時轉動支座處的扭矩，并與第二步實驗測得的扭矩值進行對比，驗證功的互等定理。

當上述多功能剛架實驗模型用于柔度系數(shù)相關性質實驗時，具體步驟如下：

第一步，組裝一次超靜定模型，即在II類基本結構基礎上去除轉動支座，使固接柱式桿件直接固定在小車平臺上。測量固接柱式桿件和梁式桿件的長度、L型剛結點到蝸輪蝸桿加載位置及電動伺服系統(tǒng)加載位置的間距、L型剛結點到各應變片貼片位置的間距。

第二步，拆卸蝸輪蝸桿加載裝置，通過電動伺服加載裝置對多功能剛架實驗模型進行預加載，平衡力傳感器，記錄蝸輪蝸桿加載裝置加載點處百分表的讀數(shù)。

第三步，對實驗模型施加分級荷載，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄力傳感器讀數(shù)和百分表讀數(shù)。加載裝置加載到最高級荷載后，對模型進行卸載。

第四步，重新安裝蝸輪蝸桿加載裝置，拆卸電動伺服加載裝置，對多功能剛架實驗模型進行預加載，平衡力傳感器，記錄電動伺服加載裝置加載點處百分表的讀數(shù)。

第五步，重復第三步的實驗內(nèi)容。

第六步，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，得出柔度系數(shù)之間的關系。

當上述多功能剛架實驗模型用于非荷載因素下結構內(nèi)力分布實驗時，具體步驟如下：

第一步，組裝一次超靜定模型，即在II類基本結構基礎上去除蝸輪蝸桿加載裝置和電動伺服加載裝置，測量固接柱式桿件和梁式桿件的長度以及L型剛結點到各應變片貼片位置的間距，通過轉角施加裝置對多功能剛架實驗模型進行預加載，平衡轉角傳感器和所有應變片測點。

第二步，通過轉角施加裝置對多功能剛架實驗模型施加支座分級角位移，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄轉角傳感器讀數(shù)和各測點應變值。加載裝置加載到最高級位移后，對模型進行卸載。

第三步，重復第二步的實驗內(nèi)容至少三次。

第四步，實驗結束，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，得出非荷載因素下超靜定結構的內(nèi)力分布。

當上述多功能剛架實驗模型用于力法實驗時，具體步驟如下：

第一步，組裝一次超靜定模型，即在II類基本結構基礎上去除電動伺服加載裝置和轉動支座，調整牛腿位置使固接柱式桿件固定在小車平臺上。測量固接柱式桿件和梁式桿件的長度以及L型剛結點到各應變片貼片位置的間距、L型剛結點到蝸輪蝸桿加載位置的間距。

第二步，在蝸輪蝸桿加載位置處通過加載裝置施加分級荷載，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄力傳感器讀數(shù)和各測點應變值。加載裝置加載到最高級荷載后，對模型進行卸載。

第三步，拆卸模型的可動鉸支座，將百分表置于原可動鉸支座位置處，重復第二步的實驗內(nèi)容，并記錄百分表讀數(shù)。

第四步，將蝸輪蝸桿加載裝置與桿件的連接位置轉移至原可動鉸支座位置處，通過加載裝置施加分級位移，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄力傳感器讀數(shù)、百分表讀數(shù)和各測點應變值。加載裝置加載到最高級位移后，對模型進行卸載。

第五步，通過第三步和第四步靜定結構得出的應變值繪制彎矩圖，根據(jù)位移協(xié)調條件進行彎矩圖疊加，并與第二步得出的結果進行對比，通過力法原理求解超靜定結構內(nèi)力。

本發(fā)明的有益效果是：多功能剛架實驗模型集結構力學實驗模型、加載裝置、支承及約束裝置、測量設備于一體，根據(jù)實驗內(nèi)容需要可組裝出不同的實驗模型，用于進行不同的結構力學剛架實驗，以驗證結構力學相關理論。模型桿件、結點及支承裝置可重復利用，且可在桿件的不同位置粘貼應變片，在桿件的不同位置加載，根據(jù)實驗原理的要求可選擇不同測量設備，靈活可變；通過實驗驗證，本裝置所得實驗結果與結構力學計算所得理論值相比誤差很小，適合各高校進行相關教學實驗及進一步的研究拓展。

附圖說明

圖1是I類基本結構內(nèi)部詳圖。

圖2是II類基本結構內(nèi)部詳圖。

圖3是固接柱式桿件詳圖。

圖4是鉸接柱式桿件詳圖。

圖5是梁式桿件詳圖。

圖6是轉角施加裝置詳圖。

圖7是蝸輪蝸桿加載裝置詳圖。

圖8是電動伺服加載裝置詳圖。

圖9是桿件連接裝置詳圖。

圖10是鉸支座盤詳圖。

圖11是剛結點片詳圖。

圖中：1反力架；2底座；3a、3b、3c鉸接柱式桿件；3d固接柱式桿件；4a、4b、4c、4d梁式桿件；5a、5b、5c、5dL型剛結點夾具II；6a一對鉸結點片；6b一個鉸結點片；6c剛結點片；7蝸輪蝸桿升降機；8a、8b力傳感器；9球鉸；10a、10b加載桿；11a、11b桿件夾具；12電動缸；13絲杠減速機；14扭矩傳感器；16墊板；17a、17b、17c鉸支座盤；18a、18b方形墊塊；19鉸支座水平導軌；20轉動支座；21a、21b、21c、21d、21e、21f、21g、21h小車平臺；22牛腿；23活動立柱；24固接柱式桿件桿身；25圓形剛結點盤；26梁式桿件桿身；27L型剛結點夾具I；28轉角傳感器；29加載桿連接件；30銷釘；31桿件夾片；32a、32b、32c百分表。

具體實施方式

本發(fā)明能通過相同桿件和結點不同方式的組合連接和荷載布置，實現(xiàn)多種結構力學原理的驗證，下面結合附圖和實施實例對本發(fā)明的實施方式做進一步說明。

多功能剛架實驗模型由剛架結構、加載裝置、支承及約束裝置、測量設備組成，剛架結構由桿件和結點組成，該實驗裝置可以通過不同類型及數(shù)量的桿件、結點、加載裝置、支承及約束裝置、測量設備之間的靈活組合，進行多種結構力學原理的驗證，將結構力學分析與求解方法用實驗的方式進行體現(xiàn)。該實驗裝置可組裝成兩種基本結構圖如圖1、圖2所示，在圖1、圖2的基礎上進行相關變換可以實現(xiàn)不同原理的實驗驗證。

圖1實驗裝置的具體安裝方式如下：

反力架1和底座2組成反力框架；

剛架結構由三根鉸接柱式桿件和三根梁式桿件通過三個L型剛結點夾具和三個鉸結點片連接而成。鉸接柱式桿件3a、3b、3c和梁式桿件4a、4b、4c相互垂直，梁式桿件4a與L型剛結點夾具5a通過螺栓將鉸接柱式桿件3a夾持連接，梁式桿件4b與L型剛結點夾具5b通過螺栓將鉸接柱式桿件3b夾持連接，梁式桿件4c與L型剛結點夾具5c通過螺栓將鉸接柱式桿件3c夾持連接。百分表32a測頭通過磁性表座固定在夾具5b表面中點處，方向與梁式桿件4b軸線方向一致。梁式桿件4a和梁式桿件4b分別通過螺栓與鉸結點的左右兩個鉸結點片6a相連。鉸接柱式桿件3b在與組合結點的鉸結點片6b連接處打有孔洞，桿件通過直桿與組合結點的鉸結點片6b相連，鉸結點片6b通過螺栓與梁式桿件4c相連。鉸接柱式桿件3a通過直桿與鉸支座盤17a相連，鉸支座盤17a通過螺栓與墊塊18a相連，墊塊18a通過螺栓與小車平臺21b相連。鉸接柱式桿件3b通過直桿與鉸支座盤17b相連，鉸支座盤17b通過螺栓與墊塊18b相連，墊塊18b通過螺栓與小車平臺21c相連。鉸接柱式桿件3c通過直桿與鉸支座盤17c相連，鉸支座盤17c通過螺栓與鉸支座水平導軌19相連，鉸支座水平導軌19相通過螺栓與小車平臺21d相連。L型剛結點夾具和鉸結點片均采用與所連桿件相同的剛度，通過螺栓連接形成等剛度模型。每根桿件上均粘貼有相同數(shù)量的應變片。

蝸輪蝸桿加載裝置一端蝸輪蝸桿升降機7通過螺栓與小車平臺21a固定連接，另一端通過桿件夾具11a與固接柱式桿件3a相連，對剛架結構施加荷載。

圖2實驗裝置的具體安裝方式如下：

反力架1和底座2組成反力框架；

剛架結構由一根固接柱式桿件和一根梁式桿件通過一個L型剛結點夾具連接而成。固接柱式桿件3d和梁式桿件4d相互垂直，梁式桿件4d上焊接的L型剛結點夾具與L型剛結點夾具5d通過螺栓相連以充分保證結點的剛度。固接柱式桿件3d通過螺栓與轉動支座20相連，轉動支座20通過螺栓與與矩形墊板16相連，矩形墊板16通過螺栓與小車平臺21f相連。梁式桿件4d通過直桿與鉸支座盤17c相連，鉸支座盤17c通過螺栓與鉸支座水平導軌19相連，鉸支座水平導軌19相通過螺栓固定在牛腿22上，牛腿22側面通過螺栓與小車平臺21h相連。每根桿件上均粘貼有相同數(shù)量的應變片。

蝸輪蝸桿加載裝置一端蝸輪蝸桿升降機7通過螺栓與小車平臺21a固定連接，另一端通過桿件夾具11a與固接柱式桿件3d相連，對剛架結構施加荷載。百分表32b測頭通過磁性表座固定在夾具11a表面中點處，方向與固接柱式桿件3d軸線方向垂直。電動伺服加載裝置一端電動缸12通過螺栓與小車平臺21g固定連接，另一端通過桿件夾具11b與梁式桿件4d相連，對剛架結構施加荷載。百分表32c測頭通過磁性表座固定在夾具11b表面中點處，方向與梁式桿件4d軸線方向垂直。轉角傳感器28固定在轉動支座20一側，轉動支座20發(fā)生轉動時轉角傳感器28隨之轉動。

圖1實驗裝置可驗證的結構力學原理有：

幾何組成分析，見實施例1。通過改變剛架結構的部分結點和支座，進行不同體系的幾何構造分析，分析不同體系間的區(qū)別。

結構內(nèi)力分布，見實施例2。通過改變剛架結構的部分結點和支座，構成靜定結構和不同多余約束個數(shù)的超靜定結構，同時通過改變柱式桿件的剛度，分析不同結構內(nèi)力與剛度的關系。

剛架主從結構性質，見實施例3。通過改變加載裝置在剛架結構上荷載的施加位置，分析剛架結構的基本部分與附屬部分的內(nèi)力傳遞區(qū)別。

圖2實驗裝置可驗證的結構力學原理有：

功的互等定理，見實施例4。通過施加支座位移，利用功的互等定理求解結構內(nèi)力；通過施加荷載，驗證功的互等定理的正確性。

柔度系數(shù)相關性質，見實施例5。通過施加荷載，分析柔度系數(shù)之間的關系。

非荷載因素下結構內(nèi)力分布，見實施例6。通過施加支座位移，分析支座位移對結構內(nèi)力的影響。

力法，見實施例7。通過將超靜定結構去除多余約束轉化成靜定結構，把多余約束轉化成未知力作為基本未知量；基于位移連續(xù)條件，通過在靜定結構上施加原荷載，以及在基本未知量方向上施加反向位移，建立力法方程，求解超靜定結構。

實施例1：幾何組成分析實驗

在圖1結構的基礎上，去除梁式桿件4c、夾具5c、鉸接柱式桿件3c，構成無多余約束的幾何不變體系實驗裝置。百分表32a測頭通過磁性表座固定在L型剛結點夾具5b表面中點處，方向與梁式桿件4b軸線方向一致。通過上述蝸輪蝸桿加載裝置對剛架施加荷載，同時百分表32a測得相應位移值，應變片測得相應位置應變值。

在圖1結構的基礎上，去除梁式桿件4c、夾具5c、鉸接柱式桿件3c，同時將與鉸支座盤17b相連的墊塊18b換成鉸支座水平導軌19,構成幾何可變體系實驗裝置。通過上述蝸輪蝸桿加載裝置對剛架施加荷載，同時百分表32a測得相應位移值，應變片測得相應位置應變值。

在圖1結構的基礎上，去除梁式桿件4c、夾具5c、鉸接柱式桿件3c，同時將一對鉸結點片6a換成剛結點片6c，構成有多余約束的幾何不變體系實驗裝置。通過上述蝸輪蝸桿加載裝置對剛架施加荷載，同時百分表32a測得相應位移值，應變片測得相應位置應變值。

實施例2：結構內(nèi)力分布實驗

在圖1結構的基礎上，去除梁式桿件4c、夾具5c、鉸接柱式桿件3c，構成靜定結構內(nèi)力分布實驗裝置。將鉸接柱式桿件3a換成空心方桿、實心方桿和實心矩形桿，通過上述蝸輪蝸桿加載裝置對剛架施加荷載，同時應變片測得不同桿件情況下的相應位置應變值。

在圖1結構的基礎上，去除梁式桿件4c、夾具5c、鉸接柱式桿件3c、鉸支座盤17a，同時將鉸接柱式桿件3a換成固接柱式桿件3d，構成一次超靜定結構內(nèi)力分布實驗裝置。將固接柱式桿件3d換成空心方桿、實心方桿和實心矩形桿，通過上述蝸輪蝸桿加載裝置對剛架施加荷載，同時應變片測得不同桿件情況下的相應位置應變值。

實施例3：剛架主從結構判定實驗

按圖1組裝結構。步驟1，將上述蝸輪蝸桿加載裝置與鉸接柱式桿件3a中點處相連，對剛架施加荷載，同時應變片測得相應位置應變值；步驟2，將蝸輪蝸桿加載裝置及小車平臺21a從反力架1左立柱處拆開，轉移到右立柱位置，小車平臺21a與反力架1右立柱相連，夾具11a與鉸接柱式桿件3c中點處相連，對剛架施加荷載，同時應變片測得相應位置應變值。

實施例4：功的互等定理實驗

按圖2組裝結構。步驟1，用蝸輪蝸桿加載裝置和電動伺服加載裝置同時對剛架結構施加荷載，通過轉角施加裝置控制剛架結構在轉角傳感器28處轉角為零，同時測得轉角施加裝置所承受的扭矩。步驟2，旋開桿件夾具11a螺栓使蝸輪蝸桿加載裝置和固接柱式桿件3d分離，旋開桿件夾具11b螺栓使電動伺服加載裝置和梁式桿件4d分離，通過轉角施加裝置對轉動支座20處施加轉角，轉角通過安裝于轉動支座20上的轉角傳感器28測得；分別在桿件夾具11a和11b中點處架上百分表32b和32c，用于測量施加轉角時桿件夾具11a中點處的水平位移和桿件夾具11b中點處的豎向位移，根據(jù)功的互等定理求出能夠施加轉角的固定支座處的扭矩，與步驟1測得的扭矩進行對比。

實施例5：柔度系數(shù)相關性質實驗

在圖2結構的基礎上，去除轉動支座20，調整牛腿22位置，并將固接柱式桿件3d直接固定在小車平臺21f上。在電動伺服加載裝置桿件夾具11b中點處安裝百分表32c測量豎向位移，在蝸輪蝸桿加載裝置桿件夾具11a中點處安裝百分表32b測量水平位移。首先，去除蝸輪蝸桿加載裝置，只用電動伺服加載裝置進行加載，通過百分表32b測量蝸輪蝸桿加載裝置加載點處的水平位移；其次，去除電動伺服加載裝置，只用蝸輪蝸桿加載裝置進行加載，通過百分表32c測量電動伺服加載裝置加載點處的豎向位移。

實施例6：非荷載因素下結構內(nèi)力分布實驗

在圖2結構的基礎上，去除蝸輪蝸桿加載裝置和電動伺服加載裝置。通過轉角施加裝置對剛架結構施加分級角位移，同時應變片測得相應位置應變值。

實施例7：力法實驗

在圖2結構的基礎上，去除電動伺服加載裝置、轉動支座20，調整牛腿22位置，并將固接柱式桿件3d固接在小車平臺21f上。步驟1，通過蝸輪蝸桿加載裝置對剛架結構施加分級荷載，同時應變片測得相應位置應變值；步驟2，去除鉸支座水平導軌19和鉸支座盤17c，將百分表32c置于鉸支座盤17c與梁式桿件4d連接位置處，通過蝸輪蝸桿加載裝置對剛架結構施加分級荷載，通過百分表32c測量豎向位移，同時應變片測得相應位置應變值；步驟3，將蝸輪蝸桿加載裝置轉移至鉸支座盤17c與梁式桿件4d連接位置處，通過蝸輪蝸桿加載裝置對剛架結構施加分級位移，通過力傳感器8a測量豎向力，同時應變片測得相應位置應變值；步驟4，通過步驟2和步驟3靜定結構得出的應變值繪制彎矩圖，根據(jù)位移協(xié)調條件進行彎矩圖疊加，并與步驟1得出的結果進行對比。