本發(fā)明屬于土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，涉及一種多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可用于位移法?shí)驗(yàn)、雙自由度體系的自由振動實(shí)驗(yàn)、雙自由度體系的強(qiáng)迫振動實(shí)驗(yàn)、近似法求三層框架基頻實(shí)驗(yàn)。

背景技術(shù)：

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，其中多層框架是結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中的重要模型，此模型涉及到的兩類問題(位移法求解超靜定結(jié)構(gòu)問題、剛度法求解結(jié)構(gòu)動力特性及動力響應(yīng)問題)均為結(jié)構(gòu)力學(xué)經(jīng)典教學(xué)例題。

位移法是結(jié)構(gòu)力學(xué)求解超靜定結(jié)構(gòu)在靜力荷載下內(nèi)力和位移的基本方法。超靜定結(jié)構(gòu)在計算上不同于靜定結(jié)構(gòu)，超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力不能單從靜力平衡條件求出，必須同時考慮變形協(xié)調(diào)條件。為了計算問題的方便，常在超靜定結(jié)構(gòu)的所有未知量中選取其中一部分作為基本未知量。位移法便是取某些位移作基本未知量，根據(jù)靜力平衡條件求解超靜定結(jié)構(gòu)的一種方法。

剛度法是結(jié)構(gòu)力學(xué)求解結(jié)構(gòu)動力特性的基本方法。剛度法從力系平衡角度建立微分方程，其中考慮慣性力作用，通過求解方程得到結(jié)構(gòu)動力特性及動力響應(yīng)。

目前高等院校結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)方法主要是理論教學(xué)，由于缺少對相關(guān)理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，難免會導(dǎo)致部分同學(xué)對相關(guān)理論的理解不夠深入，甚至對相關(guān)理論產(chǎn)生懷疑。在高等院校結(jié)構(gòu)力學(xué)的日常教學(xué)中引入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是今后結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。

本發(fā)明多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?加載裝置部分的靜力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(xué)實(shí)驗(yàn)裝置；2015107079593一種將位移法直觀化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)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作用，不為本發(fā)明的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，本發(fā)明激振器加載裝置、振動臺加載裝置基其他結(jié)構(gòu)與之前專利公開的內(nèi)容完全不同，本發(fā)明能夠能夠用于位移法實(shí)驗(yàn)、雙自由度體系的自由振動實(shí)驗(yàn)、雙自由度體系的強(qiáng)迫振動實(shí)驗(yàn)和近似法求三層剛架基頻實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對目前結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的現(xiàn)狀，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)化，實(shí)現(xiàn)對位移法理論、剛度法理論的驗(yàn)證，并通過實(shí)驗(yàn)與理論的差別找出實(shí)驗(yàn)誤差的原因，使學(xué)生在親身實(shí)踐和分析中，更深入的理解結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論知識。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ǘ鄬涌蚣芙Y(jié)構(gòu)、靜力加載裝置、激振器加載裝置、振動臺加載裝置和測量設(shè)備。

所述的多層框架結(jié)構(gòu)包括多個橫梁3、底層梁4、兩個立柱5、橫梁夾具6和底層梁夾具7；所述的橫梁數(shù)目根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整，為1至3個，每個橫梁的高度和質(zhì)量均能夠調(diào)整，橫梁與質(zhì)量塊8連接，調(diào)整橫梁質(zhì)量；所述的每個橫梁兩端通過橫梁夾具6與立柱5夾持連接，實(shí)現(xiàn)梁柱剛性連接；所述的底層梁4兩端通過底層梁夾具7與立柱5底端夾持連接，實(shí)現(xiàn)梁柱剛性連接；底層梁4中部與小車平臺連接。由于橫梁剛度遠(yuǎn)大于立柱剛度，可以視橫梁剛度相對于立柱剛度無窮大，當(dāng)多層框架結(jié)構(gòu)只受橫向荷載時，可認(rèn)為梁柱節(jié)點(diǎn)處無角位移，只有線位移。

所述的靜力加載裝置包括蝸輪蝸桿升降機(jī)9、力傳感器10、球鉸11、加載桿12、螺紋轉(zhuǎn)換桿13、立柱加載夾具14；所述的蝸輪蝸桿升降機(jī)9一端與小車平臺15固定連接，小車平臺15安裝到反力架1導(dǎo)軌上，小車平臺15能夠沿反力架1導(dǎo)軌任意調(diào)整位置；所述的蝸輪蝸桿升降機(jī)9另一端與力傳感器10一端連接；所述的力傳感器10的另一端、球鉸11、加載桿12、螺紋轉(zhuǎn)換桿13的一端依次通過螺紋連接；所述的螺紋轉(zhuǎn)換桿13的另一端通過螺紋與橫梁夾具6連接，橫梁夾具6側(cè)面有匹配的螺紋孔；或者螺紋轉(zhuǎn)換桿13的另一端通過螺紋與立柱加載夾具14連接，立柱加載夾具14通過夾持的方式安裝在立柱5的任一位置。所述的球鉸11通過其自身的自由轉(zhuǎn)動避免加載裝置對框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩的影響，實(shí)驗(yàn)者加載或卸載時，能夠通過旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿升降機(jī)上的手輪，實(shí)現(xiàn)對框架結(jié)構(gòu)的加載與卸載，并通過力傳感器10在計算機(jī)上顯示所加荷載。

所述的激振器加載裝置包括激振器16、轉(zhuǎn)接板17、連接桿18、功率放大器和振動控制儀；所述的激振器16一端通過螺栓與轉(zhuǎn)接板17固定連接，轉(zhuǎn)接板17再與小車平臺15相連；所述的激振器16另一端通過螺紋與連接桿18連接，連接桿18通過螺紋與橫梁夾具6連接；激振器16通過數(shù)據(jù)線與功率放大器、振動控制儀相連，后兩者控制激振器16，激發(fā)動力荷載，并通過電腦輸入激振頻率，通過振動控制儀上的增益旋鈕調(diào)整激振力幅值。

所述的振動臺加載裝置包括大功率激振器19、激振器固定裝置20、振動臺底板21和連接板22；所述的激振器固定裝置20與振動臺底板21的底端均通過螺栓與實(shí)驗(yàn)室地面連接；所述的大功率激振器19通過螺栓與激振器固定裝置20一側(cè)固定連接；連接板22通過滾珠與振動臺底板21上部連接，所述的連接板22與振動臺底板21能夠相對滑動，連接板22上設(shè)有螺栓孔；底層梁4通過螺栓與連接板22連接；所述的大功率激振器19通過數(shù)據(jù)線與功率放大器、振動控制儀相連，后兩者用來控制大功率激振器19，激發(fā)動力荷載，通過電腦輸入激振頻率，通過振動控制儀上的增益旋鈕調(diào)整激振力幅值。

所述的測量設(shè)備包括力傳感器10、加速度傳感器24和千分表。所述的力傳感器測量蝸輪蝸桿升降機(jī)對多層框架結(jié)構(gòu)所施加的靜荷載值；所述的千分表，表體通過磁性表座固定在表架上，測量桿可直接接觸在多層框架結(jié)構(gòu)的任意位置，用來測量多層框架結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下的各點(diǎn)位移；所述的加速度傳感器可固定在多層框架結(jié)構(gòu)橫梁夾具6上，用來測量多層框架結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的橫梁的絕對加速度值。千分表可以直接在自帶的液晶屏上讀數(shù)，其它測量設(shè)備通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)連接，并通過計算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)使各項(xiàng)數(shù)據(jù)可視化。

上述多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蛴糜谖灰品▽?shí)驗(yàn)、雙自由度體系的自由振動實(shí)驗(yàn)、雙自由度體系的強(qiáng)迫振動實(shí)驗(yàn)和近似法求三層框架基頻實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

當(dāng)上述多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜谖灰品▽?shí)驗(yàn)時，具體步驟如下：

第一步，組裝兩層框架結(jié)構(gòu)，并確定各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置，底層梁4兩端標(biāo)注A、B，第一層橫梁3標(biāo)注C、D，第二層橫梁3標(biāo)注E、F，A、C、E位于左側(cè)立柱，B、D、F位于右側(cè)立柱；F和D的中部標(biāo)注G。測試橫梁3之間的間距，即AC、CE、BD、DF的長度，對多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行預(yù)加載，并平衡力傳感器。

第二步，在G點(diǎn)通過靜力加載裝置施加荷載F_p，測出第一層橫梁3的水平位移Δ_{CD實(shí)測}和第二層橫梁3的水平位移Δ_{EF實(shí)測}。

第三步，重復(fù)第二步實(shí)驗(yàn)至少三次。

第四步，在第一層橫梁3C點(diǎn)和第二層橫梁3E點(diǎn)分別通過兩個靜力加載裝置同時施加水平約束，如圖7組裝實(shí)驗(yàn)裝置，在G點(diǎn)施加荷載F_p，測出C點(diǎn)和E點(diǎn)兩個靜力加載裝置的反力V_CP和V_EP。

第五步，重復(fù)第四步實(shí)驗(yàn)至少三次。

第六步，去除G點(diǎn)的靜力加載裝置，平衡力傳感器；在C點(diǎn)施加分級水平位移Δ_C，測出C點(diǎn)和E點(diǎn)兩個靜力加載裝置的反力V_CC和V_EC；加載到最高級位移后，卸載。

第七步，重復(fù)第六步實(shí)驗(yàn)至少三次，通過公式求出剛度系數(shù)k_CC、k_EC。

第八步，平衡力傳感器，在E點(diǎn)施加分級水平位移Δ_E，測出C點(diǎn)和E點(diǎn)兩個靜力加載裝置的反力V_CE和V_EE；加載到最高級位移后，卸載。

第九步，重復(fù)第八步實(shí)驗(yàn)至少三次，通過公式求出剛度系數(shù)k_CE和k_EE。

第十步，以上步驟得到的結(jié)果根據(jù)位移法基本方程組，求出推導(dǎo)值Δ_{CD推導(dǎo)}、Δ_{EF推導(dǎo)}。

第十一步，對比分析Δ_{CD實(shí)測}、Δ_{EF實(shí)測}和Δ_{CD推導(dǎo)}、Δ_{EF推導(dǎo)}，分析誤差，得出結(jié)論。

當(dāng)上述多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜陔p自由度體系的自由振動實(shí)驗(yàn)時，步驟如下：

第一步，組裝兩層框架結(jié)構(gòu)，并確定各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置，底層梁4兩端標(biāo)注A、B，第一層橫梁3標(biāo)注C、D，第二層橫梁3標(biāo)注E、F，A、C、E位于左側(cè)立柱，B、D、F位于右側(cè)立柱；F和D的中部標(biāo)注G。測試橫梁3之間的間距，即AC、CE、BD、DF的長度；

第二步，采用測剛度系數(shù)法確定結(jié)構(gòu)的動力特性

2.1)組裝實(shí)驗(yàn)裝置，平衡力傳感器；在C點(diǎn)施加分級水平位移Δ_C，測出C點(diǎn)和E點(diǎn)兩個靜力加載裝置的反力V_CC和V_EC；加載到最高級位移后，卸載。

2.2)重復(fù)第六步實(shí)驗(yàn)至少三次，通過公式求出剛度系數(shù)k_CC、k_EC。

2.3)平衡力傳感器，在E點(diǎn)施加分級水平位移Δ_E，測出C點(diǎn)和E點(diǎn)兩個靜力加載裝置的反力V_CE和V_EE；加載到最高級位移后，卸載。

2.4)重復(fù)第八步實(shí)驗(yàn)至少三次，通過公式求出剛度系數(shù)k_CE和k_EE。

2.5)利用剛度系數(shù)及橫梁質(zhì)量計算框架結(jié)構(gòu)的動力特性，包括結(jié)構(gòu)自振頻率與振型。

第三步，采用突卸荷載法確定結(jié)構(gòu)的動力特性

3.1)組裝實(shí)驗(yàn)裝置，使用細(xì)線23把蝸輪蝸桿升降機(jī)9與框架結(jié)構(gòu)連接，在點(diǎn)F施加初始位移y₀，

3.2)系統(tǒng)靜止后，剪斷細(xì)線，通過加速度傳感器24測得的反應(yīng)譜得出D、F兩點(diǎn)加速度變化曲線，得到結(jié)構(gòu)自振頻率及各階自振頻率對應(yīng)振型。

第四步，對比分析測剛度系數(shù)法、突卸荷載法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析誤差，得出結(jié)論。

當(dāng)上述多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜陔p自由度體系的強(qiáng)迫振動實(shí)驗(yàn)時，步驟如下：

第一步，組裝兩層框架結(jié)構(gòu)，并確定各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置，底層梁4兩端標(biāo)注A、B，第一層橫梁3標(biāo)注C、D，第二層橫梁3標(biāo)注E、F，A、C、E位于左側(cè)立柱，B、D、F位于右側(cè)立柱；F和D的中部標(biāo)注G。測試橫梁3之間的間距，即AC、CE、BD、DF的長度；

第二步，采用振動臺激振法確定結(jié)構(gòu)的動力特性：

2.1)組裝實(shí)驗(yàn)裝置，測出AC、CE、BD、DF長度及橫梁、立柱截面尺寸，將多層框架結(jié)構(gòu)安裝在振動臺加載裝置上，輸入白噪聲信號，通過加速度傳感器24測得的反應(yīng)譜得出結(jié)構(gòu)自振頻率。

2.2)給振動臺輸入第一階頻率對應(yīng)的正弦波信號，通過加速度傳感器24得到的反應(yīng)譜得出D、F兩點(diǎn)加速度幅值。

2.3)給振動臺輸入第二階頻率對應(yīng)的正弦波信號，通過加速度傳感器24得到的反應(yīng)譜得出D、F兩點(diǎn)加速度幅值。

2.4)對振動臺激振法的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到結(jié)構(gòu)自振頻率及各階自振頻率對應(yīng)振型。

第三步，采用激振器激振法確定結(jié)構(gòu)的動力特性：

3.1)組裝實(shí)驗(yàn)裝置，測出AC、CE、BD、DF長度及橫梁、立柱截面尺寸；

3.2)使用激振器在D點(diǎn)利用激振器施加動力荷載，通過加速度傳感器24測得的反應(yīng)譜得出D、F兩點(diǎn)加速度變化曲線得出自振頻率及振型

第四步，對比分析振動臺激振法、激振器激振法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析誤差，得出結(jié)論。

當(dāng)上述多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜诮品ㄇ笕龑涌蚣芑l實(shí)驗(yàn)時，步驟如下：

第一步，組裝實(shí)驗(yàn)裝置，將多層框架結(jié)構(gòu)安裝在振動臺上，輸入白噪聲信號，通過加速度傳感器24測得的反應(yīng)譜得出結(jié)構(gòu)自振頻率。

第二步，組裝實(shí)驗(yàn)裝置，在C、E、G點(diǎn)施加等同于各橫梁重量的荷載，測得D、F、H各點(diǎn)的位移。

第三步，對第二步原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用近似法公式得到結(jié)構(gòu)自振頻率，與第一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。

本發(fā)明的有益效果是：通過采用不同加載裝置和測量設(shè)備，多層框架模型可進(jìn)行多個實(shí)驗(yàn)，包括兩層框架的位移法實(shí)驗(yàn)、多自由度體系的自由振動實(shí)驗(yàn)、多自由度體系的強(qiáng)迫振動實(shí)驗(yàn)、近似法求三層鋼架基頻實(shí)驗(yàn)。同時，由于多層框架結(jié)構(gòu)橫梁高度可調(diào)，橫梁質(zhì)量可通過質(zhì)量塊調(diào)整，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ挽`活可變，學(xué)生可在不同參數(shù)下獨(dú)立進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果可于不同參數(shù)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互對比，也可與理論計算結(jié)果對比。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退脤?shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)計算所得理論值相比誤差很小，適合高校開展相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)及進(jìn)一步設(shè)計拓展。

附圖說明

圖1是二層框架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是三層框架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是靜力加載裝置示意圖；

圖4是激振器加載裝置示意圖；

圖5是振動臺加載裝置示意圖；

圖6是位移法實(shí)驗(yàn)原結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是位移法實(shí)驗(yàn)基本結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)示意圖；

圖8是測多層框架剛度系數(shù)示意圖；

圖9是突卸荷載法實(shí)驗(yàn)示意圖；

圖10是振動臺激振實(shí)驗(yàn)示意圖；

圖11是激振器激振實(shí)驗(yàn)示意圖；

圖12是三層鋼架振動臺實(shí)驗(yàn)示意圖；

圖13是近似法求三層鋼架基頻實(shí)驗(yàn)示意圖。

圖中：1反力架；2反力架底座；3橫梁；4底層梁；5立柱；6橫梁夾具；7底層梁夾具；8質(zhì)量塊；9蝸輪蝸桿升降機(jī)；10力傳感器；11球鉸；12加載桿；13螺紋轉(zhuǎn)換桿；14立柱加載夾具；15小車平臺；16激振器；17轉(zhuǎn)接板；18連接桿；19大功率激振器；20激振器固定裝置；21振動臺底板；22連接板；23細(xì)線；24加速度傳感器。

具體實(shí)施方式

一種多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ǘ鄬涌蚣芙Y(jié)構(gòu)、靜力加載裝置、激振器加載裝置、振動臺加載裝置和測量設(shè)備。

所述的多層框架結(jié)構(gòu)中每個橫梁兩端通過橫梁夾具6與立柱5夾持連接，實(shí)現(xiàn)梁柱剛性連接；所述的底層梁4兩端通過底層梁夾具7與立柱5底端夾持連接，實(shí)現(xiàn)梁柱剛性連接；底層梁4中部通過2個螺栓與小車平臺連接。由于橫梁剛度遠(yuǎn)大于立柱剛度，可以視橫梁剛度相對于立柱剛度無窮大，當(dāng)多層框架結(jié)構(gòu)只受橫向荷載時，可認(rèn)為梁柱節(jié)點(diǎn)處無角位移，只有線位移。

所述的靜力加載裝置如圖3所示，包括蝸輪蝸桿升降機(jī)9、力傳感器10、球鉸11、加載桿12、螺紋轉(zhuǎn)換桿13、立柱加載夾具14；所述的蝸輪蝸桿升降機(jī)9一端通過螺栓與小車平臺15固定連接，小車平臺15通過底部的四塊滑塊安裝到反力架1導(dǎo)軌上，小車平臺15能夠沿反力架1導(dǎo)軌任意調(diào)整位置；所述的蝸輪蝸桿升降機(jī)9另一端通過螺紋與力傳感器10一端連接；所述的力傳感器10的另一端、球鉸11、加載桿12、螺紋轉(zhuǎn)換桿13的一端依次通過螺紋連接；所述的螺紋轉(zhuǎn)換桿13的另一端通過螺紋與橫梁夾具6連接，橫梁夾具6側(cè)面有匹配的螺紋孔；或者螺紋轉(zhuǎn)換桿13的另一端通過螺紋與立柱加載夾具14連接，立柱加載夾具14通過夾持的方式安裝在立柱5的任一位置。所述的球鉸11通過其自身的自由轉(zhuǎn)動避免加載裝置對框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩的影響，實(shí)驗(yàn)者加載或卸載時，能夠通過旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿升降機(jī)上的手輪，實(shí)現(xiàn)對框架架結(jié)構(gòu)的加載與卸載，并通過力傳感器10在計算機(jī)上顯示所加荷載。

所述的激振器加載裝置如圖4所示，包括激振器16、轉(zhuǎn)接板17、連接桿18、功率放大器和振動控制儀；所述的激振器16一端通過螺栓與轉(zhuǎn)接板17固定連接，轉(zhuǎn)接板17再通過螺栓與小車平臺15相連；所述的激振器16另一端通過螺紋與連接桿18連接，連接桿18通過螺紋與橫梁夾具6連接；激振器16通過數(shù)據(jù)線與功率放大器、振動控制儀相連，后兩者控制激振器16，激發(fā)動力荷載，并通過電腦輸入激振頻率，通過振動控制儀上的增益旋鈕調(diào)整激振力幅值。

所述的振動臺加載裝置如圖5所示，包括大功率激振器19、激振器固定裝置20、振動臺底板21和連接板22；所述的激振器固定裝置20與振動臺底板21的底端均通過螺栓與實(shí)驗(yàn)室地面連接；所述的大功率激振器19通過螺栓與激振器固定裝置20一側(cè)固定連接；連接板22通過滾珠與振動臺底板21上部連接，所述的連接板22與振動臺底板21能夠相對滑動，連接板22上設(shè)有螺栓孔；底層梁4通過螺栓與連接板22連接；所述的大功率激振器19通過數(shù)據(jù)線與功率放大器、振動控制儀相連，后兩者用來控制大功率激振器19，激發(fā)動力荷載，通過電腦輸入激振頻率，通過振動控制儀上的增益旋鈕調(diào)整激振力幅值。

所述的測量設(shè)備包括力傳感器10、加速度傳感器24和千分表。所述的力傳感器測量蝸輪蝸桿升降機(jī)對多層框架結(jié)構(gòu)所施加的靜荷載值；所述的千分表，表體通過磁性表座固定在表架上，測量桿可直接接觸在多層框架結(jié)構(gòu)的任意位置，用來測量多層框架結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下的各點(diǎn)位移；所述的加速度傳感器可固定在多層框架結(jié)構(gòu)橫梁夾具6上，用來測量多層框架結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的橫梁的絕對加速度值。千分表可以直接在自帶的液晶屏上讀數(shù)，其它測量設(shè)備通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)連接，并通過計算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)使各項(xiàng)數(shù)據(jù)可視化。

上述多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蛴糜谖灰品▽?shí)驗(yàn)、雙自由度體系的自由振動實(shí)驗(yàn)、雙自由度體系的強(qiáng)迫振動實(shí)驗(yàn)和近似法求三層框架基頻實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

當(dāng)上述多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜谖灰品▽?shí)驗(yàn)時，具體步驟如下：

第一步，組裝兩層框架結(jié)構(gòu)，如圖6所示，并確定各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置，如圖1所示，底層梁4兩端標(biāo)注A、B，第一層橫梁3標(biāo)注C、D，第二層橫梁3標(biāo)注E、F，A、C、E位于左側(cè)立柱，B、D、F位于右側(cè)立柱；F和D的中部標(biāo)注G。測試橫梁3之間的間距，即AC、CE、BD、DF的長度，對多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行預(yù)加載，并平衡力傳感器。

第二步，在G點(diǎn)通過靜力加載裝置施加荷載F_p，測出第一層橫梁3的水平位移Δ_{CD實(shí)測}和第二層橫梁3的水平位移Δ_{EF實(shí)測}。

第三步，重復(fù)第二步實(shí)驗(yàn)至少三次。

第四步，在第一層橫梁3C點(diǎn)和第二層橫梁3E點(diǎn)分別通過兩個靜力加載裝置同時施加水平約束，如圖7組裝實(shí)驗(yàn)裝置，在G點(diǎn)施加荷載F_p，測出C點(diǎn)和E點(diǎn)兩個靜力加載裝置的反力V_CP和V_EP。

第五步，重復(fù)步驟(4)實(shí)驗(yàn)至少三次。

第六步，如圖8組裝實(shí)驗(yàn)裝置，去除G點(diǎn)的靜力加載裝置，平衡力傳感器；在C點(diǎn)施加分級水平位移Δ_C，測出C點(diǎn)和E點(diǎn)兩個靜力加載裝置的反力V_CC和V_EC；加載到最高級位移后，卸載。

第七步，重復(fù)第六步實(shí)驗(yàn)至少三次，通過公式求出剛度系數(shù)k_CC、k_EC。

第八步，平衡力傳感器，在E點(diǎn)施加分級水平位移Δ_E，測出C點(diǎn)和E點(diǎn)兩個靜力加載裝置的反力V_CE和V_EE；加載到最高級位移后，卸載。

第九步，重復(fù)步驟(8)實(shí)驗(yàn)至少三次，通過公式求出剛度系數(shù)k_CE和k_EE。

第十步，以上步驟得到的結(jié)果根據(jù)位移法基本方程組，求出推導(dǎo)值Δ_{CD推導(dǎo)}、Δ_{EF推導(dǎo)}。

第十一步，對比分析Δ_{CD實(shí)測}、Δ_{EF實(shí)測}和Δ_{CD推導(dǎo)}、Δ_{EF推導(dǎo)}，分析誤差，得出結(jié)論。

當(dāng)上述多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜陔p自由度體系的自由振動實(shí)驗(yàn)時，步驟如下：

第一步，組裝兩層框架結(jié)構(gòu)，如圖6所示，并確定各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置，如圖1所示，底層梁4兩端標(biāo)注A、B，第一層橫梁3標(biāo)注C、D，第二層橫梁3標(biāo)注E、F，A、C、E位于左側(cè)立柱，B、D、F位于右側(cè)立柱；F和D的中部標(biāo)注G。測試橫梁3之間的間距，即AC、CE、BD、DF的長度；

第二步，采用測剛度系數(shù)法確定結(jié)構(gòu)的動力特性

2.1)如圖8組裝實(shí)驗(yàn)裝置，平衡力傳感器；在C點(diǎn)施加分級水平位移Δ_C，測出C點(diǎn)和E點(diǎn)兩個靜力加載裝置的反力V_CC和V_EC；加載到最高級位移后，卸載。

2.2)重復(fù)第六步實(shí)驗(yàn)至少三次，通過公式求出剛度系數(shù)k_CC、k_EC。

2.3)平衡力傳感器，在E點(diǎn)施加分級水平位移Δ_E，測出C點(diǎn)和E點(diǎn)兩個靜力加載裝置的反力V_CE和V_EE；加載到最高級位移后，卸載。

2.4)重復(fù)步驟(8)實(shí)驗(yàn)至少三次，通過公式求出剛度系數(shù)k_CE和k_EE。

2.5)利用剛度系數(shù)及橫梁質(zhì)量計算框架結(jié)構(gòu)的動力特性，包括結(jié)構(gòu)自振頻率與振型。

第三步，采用突卸荷載法確定結(jié)構(gòu)的動力特性

3.1)如圖9組裝實(shí)驗(yàn)裝置(各點(diǎn)位置參照圖1)，使用細(xì)線23把蝸輪蝸桿升降機(jī)(9)與框架結(jié)構(gòu)連接，在點(diǎn)F施加初始位移y₀，

3.2)系統(tǒng)靜止后，剪斷細(xì)線，通過加速度傳感器24測得的反應(yīng)譜得出D、F兩點(diǎn)加速度變化曲線，得到結(jié)構(gòu)自振頻率及各階自振頻率對應(yīng)振型。

第四步，對比分析測剛度系數(shù)法、突卸荷載法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析誤差，得出結(jié)論。

當(dāng)上述多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜陔p自由度體系的強(qiáng)迫振動實(shí)驗(yàn)時，步驟如下：

第一步，組裝兩層框架結(jié)構(gòu)，如圖6所示，并確定各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置，如圖1所示，底層梁4兩端標(biāo)注A、B，第一層橫梁3標(biāo)注C、D，第二層橫梁3標(biāo)注E、F，A、C、E位于左側(cè)立柱，B、D、F位于右側(cè)立柱；F和D的中部標(biāo)注G。測試橫梁3之間的間距，即AC、CE、BD、DF的長度；

第二步，采用振動臺激振法確定結(jié)構(gòu)的動力特性：

2.1)如圖10組裝實(shí)驗(yàn)裝置(各點(diǎn)位置參照圖1)，測出AC、CE、BD、DF長度及橫梁、立柱截面尺寸(各點(diǎn)位置參照圖1)，將多層框架結(jié)構(gòu)安裝在振動臺加載裝置上，輸入白噪聲信號，通過加速度傳感器24測得的反應(yīng)譜得出結(jié)構(gòu)自振頻率。

2.2)給振動臺輸入第一階頻率對應(yīng)的正弦波信號，通過加速度傳感器24得到的反應(yīng)譜得出D、F兩點(diǎn)加速度幅值。

2.3)給振動臺輸入第二階頻率對應(yīng)的正弦波信號，通過加速度傳感器(24)得到的反應(yīng)譜得出D、F兩點(diǎn)加速度幅值。

2.4)對振動臺激振法的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到結(jié)構(gòu)自振頻率及各階自振頻率對應(yīng)振型。

第三步，采用激振器激振法確定結(jié)構(gòu)的動力特性：

3.1)如圖11組裝實(shí)驗(yàn)裝置(各點(diǎn)位置參照圖1)，測出AC、CE、BD、DF、長度及橫梁、立柱截面尺寸(各點(diǎn)位置參照圖1)

3.2)使用激振器在D點(diǎn)利用激振器施加動力荷載，通過加速度傳感器24測得的反應(yīng)譜得出D、F兩點(diǎn)加速度變化曲線得出自振頻率及振型

第四步，對比分析振動臺激振法、激振器激振法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析誤差，得出結(jié)論。

當(dāng)上述多層框架教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜诮品ㄇ笕龑涌蚣芑l實(shí)驗(yàn)時，步驟如下：

第一步，如圖12組裝實(shí)驗(yàn)裝置(各點(diǎn)位置參照圖2)，將多層框架結(jié)構(gòu)安裝在振動臺上，輸入白噪聲信號，通過加速度傳感器24測得的反應(yīng)譜得出結(jié)構(gòu)自振頻率。

第二步，如圖13組裝實(shí)驗(yàn)裝置(各點(diǎn)位置參照圖2)在C、E、G點(diǎn)施加等同于各橫梁重量的荷載，測得D、F、H各點(diǎn)的位移。

第三步，對第二步原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用近似法公式得到結(jié)構(gòu)自振頻率，與第一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。