武世杰　焦琳青　胡仕琪　赵鑫　沈韶华　施向东

【摘 要】桁架结构实验是很多院校开设的力学实验，针对大部分桁架实验为验证性实验，结合如今大学工科类的教育加强实践内容，在力学教学中尤其十分重视学生的实践能力，本文主要介绍了一种基于研究性实验开发的多功能组合式力学实验装置的设计，该装置可以通过结构形式的自主组合、支座形式的自主选择以及多种加载方式实现多种静定、超静定桁架和刚架结构的力学实验，操作简单，功能多样，为学生自主设计综合性、设计性实验提供了一个平台。

【关键词】桁架结构；实验装置；力学实验

0 引言[1-5]

随着国民经济的持续高速发展和人们对于建筑审美要求，舞台搭建速度的不断提高，及大跨度和超高层建筑越来越多地涌现在城市建设中，成为现代化大都市的重要象征。人们对于高强度、简易型桁架的需求也越来凸显，特别是建筑用钢-混凝土桁架的应用尤为突出，这就需要专业设计人员在设计之初对桁架的承载能力进行实验研究，探究桁架的承载能力，受力情况分析，以及桁架稳定性。

通过本实验装置的研究为土木工程专业、机械专业提供可靠的实验平台，为设计人员提供便利，本实验装置可以更加准确测试桁架的承载能力，进而提高桁架的承载能力和设计出高强度、简易型桁架。同时也可以为学生提供桁架实验平台，可以让学生自主设计桁架模型进而分析桁架在不同受力情况下的变形情况，进而提高学生的动手实践能力，分析能力和创新设计能力。

国内有许多针对桁架受力实验装置的研究都是以实际工程为基础，设计出的实验装置，具有一定的局限性，且加载形式较单一。很多院校的桁架结构实验只是在已搭好的装置上进行测试，而且加载位置也是固定的，因此只能称为验证性试验。部分仪器也可以自由组合一些桁架，但测试范围仅限于平面，不仅对测试的范围有很大的局限性，而且大大增加了误差。

1 设计过程

1.1 实验装置基本原理

桁架结构搭接加载受力实验装置首先通过采用不同杆件搭接桁架模型，然后采用不同加载装置在结构不同作用点加载，实现多种不同形式的钢架或桁架的内力测定实验，弹性模量和泊松比的测定实验以及压杆稳定实验。

1.2 实验装置基本组成结构

力学实验平台，组合杆件，销钉，砝码，钢丝绳，应变片，力与应变综合参数测试仪，计算机，工具箱，组成结构如图1所示。

即可知梁AB、CD能承受的最大载荷为16.45kN，而向桁架所能加载的最大载荷为2F ≤ 32.90kN

1.2.2 螺钉连接设计

1.2.5 传动机构设计

我们设计的传动机构包括蜗轮蜗杆，齿轮与齿条等构件，通过蜗轮蜗杆传动，蜗轮带动齿轮转动，齿轮带动齿条上下移动。

蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成的，用于传递空间交错两轴之间的运动和动力。

2 设计结果

综合各个部位的设计计算可以得出：实验装置可加载0～7kN范围内的力。根据以上计算结果设计制作出来的桁架实验装置如图11所示。

桁架结构的静力测试过程为：由学生自行设计各种加载方案。采用桁架实验台蜗轮蜗杆加载装置进行逐步加载；利用力与变形测试仪测量杆件应变，并计算轴力。分析内力分布规律，及加载方案对内力的影响，并与理论值对比，分析误差。

3 总结

在科技飞速发展的今天，大学工科类的教育越来越需要更多的实践内容的融入，在力学教学中尤其十分重视学生的实践能力，这样的桁架结构搭接加载受力实验装置的推广顺应了目前科技发展的潮流，对工科类大学生的实践能力，创新思维的培养都有极大的积极意义。通过本文设计的实验装置，可以有效解决现有桁架实验装置中桁架固定、加载单一等局限问题，实现多种桁架模型搭接，多种加载方式加载载荷，具有一定的创新性和实用性。可以通过结构形式的自主组合、支座形式的自主选择以及多种加载方式实现多种静定、超静定桁架和刚架结构的力学实验，操作简单，功能多样，为学生自主设计综合性、设计性实验提供了一个平台。这样的桁架结构搭接加载受力实验装置的推广对工科类大学生的实践能力，创新思维的培养都有极大的积极意义。本实验装置参加首都高校第七届机械创新设计大赛获得二等奖。

【参考文献】

[1]肖久梅，陈章华，等.静定平面析架设计性实验教学模型的研制[J].力学与实践，2006，28（4）：84-85.

[2]楼瑜杰，童乐为，等.高铁虹桥站钢桁架-钢管混凝土柱节点性能试验研究[J].建筑钢结构进展，2010，12（6）：19-24.

[3]郭士友.空间三角管桁架受力分析[J].科协论坛，2011（3）：68-69.

[4]赵宪忠，王斌，陈以一，秦浩.上海中心大厦伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的静力性能试验研究[J].建筑结构学报，2013，24（2）：20-28.

[5]张兴虎，赵建德，等.一种多功能拟静力实验装置[J].结构工程师，2011，27（增）：249-254.

[6]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学（I）[M].北京：高等教育出版社，2009：1-369.

[7]吴宗泽，高志.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2009：1-428.

[责任编辑：杨玉洁]