[发明专利]一种将力法直观化的教学实验装置

说明书

技术领域

本发明属于土木工程专业结构力学实验教学领域，涉及一种将力法直观化的教学实验装置。

背景技术

结构力学是高等院校土木工程专业必修的学科，其中的力法是结构力学求解超静定结构在静力荷载下内力和位移的基本方法。

超静定结构在计算上不同于静定结构，超静定结构的内力不能单从静力平衡条件求出，必须同时考虑变形协调条件。为了计算问题的方便，常在超静定结构的所有未知量中选取其中一部分作为基本未知量。力法便是取某些力作基本未知量，根据变形协调条件求解超静定结构的一种方法。

目前高等院校结构力学的教学方法主要是理论教学，由于缺少对相关理论的实验验证，难免会导致部分同学对相关理论的理解不够深入，甚至对相关理论产生怀疑。在高等院校结构力学的日常教学中引入实验内容是今后结构力学教学发展的必然趋势。

发明内容

针对现有技术的不足，改变目前结构力学教学中缺少相关实验内容的现状，发明一种将力法直观化的教学实验装置，该教学实验装置能够实现结构力学力法教学内容的实验化，实现对力法理论的验证，并通过实验与理论的差别找出实验误差的原因，使同学们在亲身实践和分析中，更深入的理解位移法的理论知识。

本发明的技术方案如下：

一种将力法直观化的教学实验装置包括刚架结构、加载装置、支撑及约束装置和测量设备。

所述刚架结构由竖向空心方杆3a、横向空心方杆3b和刚结点盘4a组成。竖向空心方杆3a一端通过螺栓与带有凹槽的刚结点盘4a相连；另一端通过螺栓与带有凹槽的刚结点盘4b相连，实现刚架结构与固定支座的连接。横向空心方杆3b一端通过螺栓与带有凹槽的刚结点盘4a相连；另一端通过螺栓与带有凹槽的铰结点盘5相连，实现刚架结构与铰支座连接。刚结点盘和铰结点盘均采用与所连杆件相同的刚度，通过螺栓与结点盘连接形成等刚度模型。

所述加载装置由蜗轮蜗杆加载装置和砝码加载装置组成。所述蜗轮蜗杆加载装置由蜗轮蜗杆升降机6、加载杆9、球铰8和杆件夹具10组成；蜗轮蜗杆升降机6一端通过螺栓与小车平台12a固定连接，小车平台12a通过底部的四块滑块安装到反力架1导轨上，小车平台12a可沿反力架1导轨任意调整高度；蜗轮蜗杆升降机6另一端通过螺纹与力传感器7连接，蜗轮蜗杆升降机6通过旋转手轮对刚架结构施加荷载；力传感器7通过螺纹与球铰8连接，球铰8通过螺纹与加载杆9连接，加载杆9通过螺纹与杆件夹具10连接，球铰8通过其自身的自由转动避免加载装置对刚架结构产生弯矩的影响；杆件夹具10包括销钉21、加载杆连接件20和两块不同大小的杆件夹片22；大的杆件夹片22一侧有销孔，加载杆连接件20一侧有销孔，通过销钉21将二者连接在一起；竖向空心方杆3a垂直穿过两块杆件夹片(22)形成的凹槽，每块杆件夹片22上有四个螺栓孔，通过螺栓将矩形薄壁杆件3a和杆件夹片22连接；杆件夹具10可以实现加载装置与横向空心方杆3b或竖向空心方杆3a连接，同时通过杆件夹具10销结构避免弯矩传递。通过蜗轮蜗杆加载装置，实现对刚架结构的加载与卸载，蜗轮蜗杆加载装置可手动控制施加拉力和压力，通过力传感器7在计算机上显示所加荷载，实现刚架结构的加载与卸载。

所述砝码加载装置由砝码、托盘18、高度可调节定滑轮19组成；砝码加载装置固定在铰结点盘5上，通过砝码加载装置，实现对刚架结构竖向荷载和水平荷载的施加。

支承及约束装置由反力框架和刚架结构的约束支承组成。

所述刚架结构形式灵活多变，可组成“L”形刚架、门形刚架等多种形式，刚架结构由反力架1和底座2组成；底座2固定于反力架1的下横梁下部，用于支撑整个装置；所述反力架1由内置导轨的上下两个横梁和内置导轨的左右两个立柱组成，每个横梁和立柱上可以固定蜗轮蜗杆升降机6及小车平台，下横梁固定小车平台12b，一侧立柱固定小车平台12a。