自反力空間鋼桁架教學(xué)模型系統(tǒng)

范亮

摘要：針對鋼結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用，教學(xué)中結(jié)合工程實踐和教學(xué)要求，自行研發(fā)了一種自反力空間鋼桁架教學(xué)模型系統(tǒng)。該教學(xué)模型系統(tǒng)包括鋼桁架結(jié)構(gòu)、自反力框架約束系統(tǒng)、電控/手控加載系統(tǒng)、應(yīng)變撓度測試系統(tǒng)。在模型設(shè)計完成后進行了有限元分析，得到模型各節(jié)點加載下結(jié)構(gòu)理論應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)，及加載位置與變形、應(yīng)力的關(guān)系，從而為教學(xué)實踐提供理論參考。

關(guān)鍵詞：桁架；鋼結(jié)構(gòu)；自反力；教學(xué)模型

中圖分類號：TU311 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）33-0217-02

針對鋼結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域的日益廣泛應(yīng)用，需要開展針對廣大橋梁工程及結(jié)構(gòu)工程專業(yè)學(xué)生關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)中最有代表性的鋼桁梁結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和學(xué)習(xí)。鋼桁架結(jié)構(gòu)作為典型鋼結(jié)構(gòu)形式，廣泛用于房屋建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)中，具有受力明確、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。

模型總體設(shè)計原則

1.邊界條件?？紤]到模型的通用性，模型采用自反力形式，即不對模型外的邊界支撐提出要求，模型在荷載作用下通過自平衡實現(xiàn)內(nèi)部靜定。自反力空間桁架模型可以移動至任何位置，避免增加實驗室額外的外部約束要求，充分利用實驗室空間。

2.加載方式。加載方式分為電控和手動兩種方式。電控加載可以增加加載大小、位置和速率的控制精度，而手動加載方式可以讓學(xué)生在試驗教學(xué)中鍛煉其動手能力，加深對加載過程的體驗。在對兩種加載方式進行討論并在教學(xué)工作中的教學(xué)效果進行分析后，模型設(shè)計時考慮將兩種加載方式均容納其中，可通過設(shè)置選擇手動或電控加載。加載點位于上弦桿，通過滑軌的方式加載點可以在上弦桿上移動。

3.模型材料及尺寸。該結(jié)構(gòu)整體為鋼結(jié)構(gòu)，總長4000mm，高為2357mm。整體分為外部框架和鋼桁架兩個部分，外框架采用Q345鋼，桁架采用Q235鋼，所有相鄰結(jié)構(gòu)采用焊接或者螺栓固結(jié)。外部框架主要采用200x200工字鋼，底部采用箱型鋼和鋼板，桁架主要采用箱型鋼和角鋼，反力架整體結(jié)構(gòu)見圖1。

模型結(jié)構(gòu)

制作完成后的自反力鋼桁架結(jié)構(gòu)具有靈活、占地少及加載方便的優(yōu)點。在進行教學(xué)中加載方案設(shè)計時，考慮到安全和足夠響應(yīng)兩個方面，將應(yīng)力響應(yīng)值50MPa作為加載設(shè)計值的設(shè)計目標(biāo)值。

教學(xué)模型測試內(nèi)容主要包括應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度。其中應(yīng)變采用電阻式應(yīng)變片+應(yīng)變儀測試，而撓度則通過百分表量測。

模型理論計算與實測結(jié)果比較

以鋼桁架最大桿件應(yīng)力為50MPa時進行所需荷載值計算，如表1及圖3-4。

當(dāng)鋼桁架最大應(yīng)力達到50MPa時，對于不同的加載位置，鋼桁架對應(yīng)的最大位移和反力架對應(yīng)的最大位移見表2，加載位置與最大位移關(guān)系圖見圖5。

參考文獻：

[1]施尚偉，項中富.橋梁結(jié)構(gòu)試驗檢測技術(shù)[M].重慶大學(xué)出版社，2012.