结构力学自由组合实验装置实验研究

结构力学自由组合实验装置实验研究

贾程1吴俊2荀勇1

1.盐城工学院土木工程学院江苏盐城224051；2.浙江省送变电工程有限公司浙江杭州310016

摘要：介绍了研制的结构力学自由组合实验装置，利用该装置进行了平面静定刚架受力分析和超静定结构力法计算原理验证实验。结果表明，实验数据与理论值较为接近。本装置以及所完成的实验能够反映结构的力学特点和说明结构力学计算原理，为结构力学实验课提供了一套可靠的装置。

关键词：结构力学，实验装置，超静定结构，计算原理

《结构力学》在整个土木工程课程体系中处于承上启下的核心地位。传统《结构力学》课程是没有实验内容的，尽管有些高校引入了电算的内容，但大多数教学活动仍是以理论教学为主。当前用人单位往往青睐那些有扎实的基础知识、较强的实践动手能力和创新意识浓厚的毕业生。这也符合卓越工程师教育培养计划的要求[1-2]。为此，结构力学课程需要开设实验课程，培养学生的动手能力、创新能力和项目设计能力[3]。2010年，国家级教学名师哈尔滨工业大学王焕定教授提出了“实验结构力学”思想。近几年，哈尔滨工业大学在逐步开设了结构力学实验课程。

在此背景下，盐城工学院土木工程学院在江苏省品牌专业的建设过程中，根据住建部新的评估标准，学习相关院校的经验并考虑到学校自身发展实际，进行了结构力学实验课程的建设，研制开发自由组合实验装置并进行了实验研究。

一、实验装置设计

实验装置由3部分组成，为实验构件部分、加载部分和采集部分。（1）实验构件部分由外部框架、水平凹形槽板、多功能杆件、连接加固件和各型支座组成。（2）加载部分有两种加载方法，其一是外购的圆饼砝码配合砝码挂钩加载，其二是拉压传感器配合蜗轮蜗杆手动加载，另外还设计了定向滑轮，可满足水平向荷载的加载要求。（3）采集部分由外购钢筋应变片、位移计和数据采集仪等组成。实验装置总装实物图如图1所示。

图1实验装置总装实物图

外部框架可自由拆装，左右两侧各有两片竖向立柱，可以用于固定可以上下移动的连续凹形槽板；在外部框架的前后两侧各设置两块水平凹形槽板，用于放置支座，水平凹形槽板可以上下升降；多功能杆件部分设计成一种可铰接和可固结的基本杆件；连接加固件包含与杆件、支座的连接及其加强措施；各型支座设计有固定铰支座、固定端支座、活动铰支座等。

二、自由组合实验装置实验

分别设计了2组实验，对平面静定刚架受力实验和超静定结构力法的计算原理进行验证。通过观测应变值和位移值，绘制出结构弯矩图，验证了组合实验装置的准确性与可靠性，验证了力法的计算原理。

（一）平面静定刚架实验

设计了一个基本的三铰式刚架结构，中间铰处施加集中力F=75N.选定了8个应变片测点，位置如图2中所示的竖线所示，每个应变片测点分别在杆件截面上下两侧的中心位置粘贴应变片。实验结构设计示意图如图2所示。

图2结构设计示意图

实验采用正向单调分级加载，使用饼型砝码，分为三级，每级为一个砝码即2.5kg。根据结构力学静定平面刚架分析方法，本组实验刚架弯矩实验结果如图3和图4所示。通过实验计算可得，结构中测点1、4、5、8弯矩值分别为0.72N•m、0.54N•m、0.66N•m和-0.64N•m，弯矩值很小，几乎可以忽略不计，与理论较接近，故不考虑。测点2、3分别在刚结点的两侧，比较其实测值与理论值如图3所示，根据所有数据绘制出弯矩分布图如图4，括号内是由结构力学方法计算的理论值。

图3测点2和测点3点的弯矩值

图4刚架弯矩图

从图3可以看出测点2和3的弯矩值几乎完全重合，且均略大于理论值。图4表明测点2、3、6、7的弯矩实测值均比较接近理论值，每个测点最大误差率分别为5.13%、7.61%、9.9%、4.43%，实验效果良好。

（二）、超静定结构力法计算原理验证实验

本组实验设计了一个较为简单的一次超静定结构，共选定了4个应变片测点和4个位移测点。图5结构示意图中所示的竖线为应变片测点、*形为位移测点。图6为结构实物图。

实验步骤：1）对超静定结构进行逐级加载，测出各级所有测点的位移值和应变值，如图5所示；2）解除右端约束，建立基本结构。在基本结构上施加和超静定情况一样的荷载，测量位移值与应变值；3）在保持基本结构不变的情况下在右端约束处慢慢施加反力，使得右端约束处位移慢慢接近并最终和原超静定结构右端约束位置重合，此时读出约束处的荷载值并记录应变值与位移值。实验采用正向单调分级加载，使用饼型砝码，分为三级，每级为一个砝码即2.5kg。

图5结构设计示意图

图6结构实物图

3个步骤的实验结果绘制于图7。根据力法原理，步骤3）基本结构在原有荷载与多余未知力共同作用下，在多余未知力方向发生与原结构相同的位移时，基本结构的内力与变形应与原结构相同。从图7可以看出，步骤3）的结果与步骤1）结果几乎完全重合，验证了力法原理的思路。图8绘出了原结构实验弯矩与力法理论值图，括号内是由力法计算的理论值，两者非常接近。

图7测点弯矩值

图8超静定梁弯矩图

三、结语

本文介绍了开发的一套自由组合实验装置，讨论了平面静定刚架受力分析和超静定结构力法计算原理验证的实验研究，实验结果与结构力学计算所得理论值非常接近，说明了力法的计算原理。该装置亦设计有刚臂，也能进行位移法原理的验证。所设计的装置装卸简单，可以自由组合形成多种结构，也可以让学生自主设计结构，能够加深学生对结构力学概念和原理的理解，培养学生的动手能力。

参考文献：

[1]孙威，刘永军，倪伟宁.高校开设结构力学实验课的探索与实践[J]．长春教育学院学报，2013，29（21）：79-80．

[2]周臻，陆金钰，尹凌峰，缪志伟.面向卓越土木工程师培养的结构力学教学改革与实践[J].高等建筑教育，2012，（04）：74-77.

[3]贾程.结构力学教学中工程实践能力的培养[J].山西建筑，2013，39（36）：266-268.

作者简介：贾程（1981-），男，博士，副教授。

基金项目：江苏高校品牌专业建设工程资助项目，盐城工学院教研规划子课题（JY2015B22-04）