一种模块化结构力学实验平台拓展式杆系结构的制作方法

本发明涉及土木工程专业的教学和科研实验装置领域，具体地，涉及一种模块化结构力学实验平台拓展式杆系结构。

背景技术：

《结构力学》作为土木工程专业的核心课程，在整个专业知识体系当中起到承上启下的作用。经过多年的发展，结构力学的知识已形成了完备的理论体系。随着国家对高等教育重视程度的提高，少数高校尝试了将实践课程引入到结构力学课程的教育中来，这主要通过开展实验教学来实现。然而，这些实验教学通常基于两种形式的实验设备：一是基于材料力学实验设备，二是搭建了结构力学实验教学平台。在采用材料力学实验设备的条件下，实验教学项目通常局限于对单根杆件的实施。然而，结构力学的研究范畴囊括了杆系结构，因此仅基于材料力学实验设备的教学显然是不满足且不合适的。

一些高校尝试开发了结构力学实验教学平台，然而当前应用的实验平台通常存在着结构对象单一、实验功能局限、可操作性差等缺点。经检索发现，公告号cn104751704b，cn104332086b，cn101303813a，103761910b的中国专利分别提出了结构力学实验装置，然而未涉及实验结构的模块化设计和拼装，杆系结构不具备拓展性。公告号为cn104568601b的中国专利，同样针对杆系结构提出了一种结构力学实验装置，其实验结构可实现模块化拼装，杆系结构具有一定拓展性，然而该专利无法实现多跨多层杆系结构，而且其杆件连接件为单侧设置，连接刚度不宜得到保证，也影响了截面的对称性。

因此，设计一种能够全面满足结构力学教学需要的杆系结构，实现结构力学中各种杆系结构，包括多层杆系结构，对于满足结构力学实验教学要求和提高教学效果尤为重要。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模块化结构力学实验平台拓展式杆系结构。

本发明提供一种模块化结构力学实验平台拓展式杆系结构，包括：变截面标准杆件、节点连接部件和加固盖板；

其中，所述变截面标准杆件通过所述节点连接部件连接形成实验结构，能实现所述变截面标准杆件之间或所述变截面标准杆件与支座之间的铰接或刚接连接；

所述变截面标准杆件的端部缩窄使杆端形成变截面，以保证与所述节点连接部件相连时截面刚度的连续性；

所述加固盖板与所述节点连接部件连接，用于提升节点刚度。

优选地，所述变截面标准杆件两端沿长度方向由内到外分别设置第一螺栓孔、第二螺栓孔；

所述节点连接部件上设有若干个第三螺栓孔，且所述第三螺栓孔的孔径与所述第一螺栓孔、所述第二螺栓孔相匹配；

所述节点连接部件上设有通孔，所述通孔的方向与所述第一螺栓孔、所述第二螺栓孔的开孔方向相垂直，所述通孔用于连接所述加固盖板；

两片所述节点连接部件夹住所述变截面标准杆件的一端，实现所述变截面标准杆件的端部与所述节点连接部件连接，通过第一连接部件插入所述第三螺栓孔和所述变截面标准杆件的所述第一螺栓孔或所述第二螺栓孔形成能自由转动的连接点，即铰接节点，实现所述变截面标准杆件端部与所述节点连接部件之间的铰接；通过两个带螺纹的第二连接部件分别旋入所述第三螺栓孔和所述变截面标准杆件的所述第一螺栓孔、所述第二螺栓孔形成完全固定的连接方式，即刚接节点，实现所述变截面标准杆件端部与所述节点连接部件之间的刚接。

优选地，所述变截面标准杆件的截面变化处设有弧形结构，以实现铰接时所述变截面标准杆件端部在实验允许的位移范围内能自由转动。

优选地，所述节点连接部件包括十字型节点连接部件、t字型节点连接部件和一字型节点连接部件；其中，

所述十字型节点连接部件，用于上下左右四个方向上均有与之相连接所述变截面标准杆件的节点连接；

所述t字型节点连接部件，用于互相垂直的两个方向上有与之相连接所述变截面标准杆件的节点连接；

所述一字型节点连接部件，用于在一个方向上有两根与之相连接所述变截面标准杆件的节点连接。

优选地，所述十字型节点连接部件四个方向的直线边尺寸一致；

每个方向的所述直线边至少设置三个均匀分布的所述第三螺栓孔，用于连接所述变截面标准杆件和/或支座。

优选地，所述t字型节点连接部件两个方向的水平边和垂直边尺寸一致；

所述水平边、所述垂直边至少设置三个均匀分布的所述第三螺栓孔，用于连接所述变截面标准杆件和/或支座。

优选地，所述一字型节点连接部件两端分别至少设置三个均匀分布的所述第三螺栓孔，用于连接所述变截面标准杆件和/或支座。

优选地，模块化结构力学实验平台拓展式杆系结构具有以下一种或多种选择：

-所述变截面标准杆件的截面形状为矩形，便于结构力学实验中荷载施加和物理量测量装置的安装和精确工作；

-所述变截面标准杆件上设有刻度，所述刻度作为实验加载过程中测量位点，用于确定加载位置与截面上的应力分布；所述测量位点上粘贴应变片，用于测量截面的应力与应变。

优选地，所述加固盖板包括直角方向加固盖板和直线方向加固盖板；所述加固盖板上设有第四螺栓孔，用于连接所述节点连接部件。

优选地，模块化结构力学实验平台拓展式杆系结构包括以下一种或多种选择：

-所述变截面标准杆件的长度能按模数设置为不同长度，用于不同的实验模型拼接；

-所述节点连接部件的尺寸能根据所述变截面标准杆件的尺寸变化而定；

-根据所述变截面标准杆件两端不同的连接方式，能确定所述变截面标准杆件的计算长度，用于理论计算；所述变截面标准杆件两端与所述节点连接部件刚接时，所述变截面标准杆件计算长度为l1；所述变截面标准杆件两端与所述节点连接部件铰接时，所述变截面标准杆件计算长度为l2；所述变截面标准杆件的一端与所述节点连接部件刚接时，另一端与所述节点连接部件铰接时，所述变截面标准杆件计算长度为l3,所述变截面标准杆件计算长度l1>l3>l2。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

1)目前，结构力学实验体系尚未形成统一的实验内容和实验方式，材料力学实验如材料拉伸压缩等在高校中普遍开展，但结构力学相较于材料力学理论性更强、力学模型更复杂，本结构实验体系结构力学实验中杆件是构成结构力学实验体系结构的主要部件，也是主要的研究对象。设计中考虑杆件尺寸应与整体实验装置系统、各类支座及节点连接系统(接口)的尺寸相协调。采用主体部分的截面形状为矩形的变截面标准杆件，易于分析，同时便于荷载施加和物理量测量装置的安装和精确工作，经计算可合适荷载下产生合适的应变及位移。同时考虑杆件刚度的连续性，杆件端部缩窄截面变化处设计为弧形，以便与节点连接部件连接和铰接时的自由转动。

2)以往的设计在节点装置和节点、支座固定方面存在杆件计算长度不明确、节点弯矩施加困难等不足。在上述基础上，节点连接的设计可完美实现杆件与节点的刚接与铰接，同时根据杆件两端不同的连接方式，还能确定杆件的计算长度，更精确地进行理论计算，有利于教学实验的理论分析。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例中模块化结构力学实验平台拓展式杆系结构的整体示意图；

图2a为本发明一优选实施例中变截面标准杆件的正视图；

图2b为本发明一优选实施例中变截面标准杆件的侧视图；

图2c为本发明一优选实施例中变截面标准杆件的俯视图；

图3a为本发明一优选实施例十字型节点连接部件的正视图；

图3b为本发明一优选实施例十字型节点连接部件的侧视图；

图3c为本发明一优选实施例十字型节点连接部件的俯视图；

图4a为本发明一优选实施例t字型节点连接部件的正视图；

图4b为本发明一优选实施例t字型节点连接部件的侧视图；

图4c为本发明一优选实施例t字型节点连接部件的俯视图；

图5a为本发明一优选实施例一字型节点连接部件的正视图；

图5b为本发明一优选实施例一字型节点连接部件的侧视图；

图5c为本发明一优选实施例一字型节点连接部件的俯视图；

图6a为本发明一优选实施例直角方向加固盖板的正视图；

图6b为本发明一优选实施例直角方向加固盖板的侧视图；

图6c为本发明一优选实施例直角方向加固盖板的俯视图；

图7a为本发明一优选实施例直线方向加固盖板的正视图；

图7b为本发明一优选实施例直线方向加固盖板的侧视图；

图7c为本发明一优选实施例直线方向加固盖板的俯视图；

图8为本发明一优选实施例中连续梁实验示意图；

图9为本发明一优选实施例中刚架实验示意图；

图中标记分别表示为：变截面标准杆件1、弧形2、刻度3、十字型节点连接部件4、t字型节点连接部件5、一字型节点连接部件6、直角方向加固盖板7、直线方向加固盖板8、第一螺栓孔9、第二螺栓孔10、第三螺栓孔11、第四螺栓孔12、通孔13。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一实施例的模块化结构力学实验平台拓展式杆系结构的整体示意图，图中包括变截面标准杆件1、节点连接部件2和加固盖板；其中，节点连接部件2用于将变截面标准杆件1连接成实验结构，能实现变截面标准杆件1之间或者变截面标准杆件1与支座间的铰接或刚接连接；节点连接部件2可以包括十字型节点连接部件4、t字型节点连接部件5和一字型节点连接部件6。加固盖板与节点连接部件连接，用于提升节点刚度。

参照图2a、图2b及图2c所示，变截面标准杆件1是实验结构的基本模块，由金属制成。变截面标准杆件1的截面形状为矩形，便于结构力学实验中荷载施加和物理量测量装置的安装和精确工作。变截面标准杆件1的端部缩窄，设计以便于与节点连接部件连接，端部截面窄于中部，以保证与节点连接相连时截面刚度的连续性。在变截面标准杆件1的上下表面刻有等间距刻度3，可作为实验加载过程中测量位点，粘贴应变片后测量确定截面的应力与应变。

作为一优选实施例，变截面标准杆件1的截面变化处设有弧形2结构，以实现铰接时杆端在实验允许的位移范围内可自由转动。

在其他部分优选实施例中，变截面标准杆件1杆端两端缩窄的部分沿长度方向由内到外分别设置的不带螺纹的第一螺栓孔9、不带螺纹的第二螺栓孔10。在节点连接部件上设有若干个不带螺纹的第三螺栓孔11。第三螺栓孔11与第一螺栓孔9、第二螺栓孔10的孔径相匹配。

在具体实施时，将两片节点连接部件夹住变截面标准杆件1的一端，变截面标准杆件1的端部通过螺栓与节点连接部件连接。变截面标准杆件1的端部可以通过单个螺栓与节点连接部件连接或两个螺栓均与节点连接部件连接，实现变截面标准杆件1的端部与节点连接部件之间的铰接或刚接。

将两片节点连接部件夹住变截面标准杆件1的一端，通过第一连接部件插入节点连接部件的第三螺栓孔11以及变截面标准杆件1的第一螺栓孔9或第二螺栓孔10，变截面标准杆件1与节点连接部件形成可自由转动的连接点，实现变截面标准杆件1的端部与节点连接部件之间的铰接，即在节点连接部件形成铰接节点。作为一优选，第一连接部件可以采用光圆螺栓。

将两片节点连接部件夹住变截面标准杆件1的一端，通过两个带螺纹的第二连接部件旋入节点连接部件的第三螺栓孔11以及变截面标准杆件1的第一螺栓孔9和第二螺栓孔10，变截面标准杆件1与节点连接部件形成完全固定的连接方式，实现变截面标准杆件1的端部与节点连接部件之间的刚接，即在节点连接部件上形成刚接节点。作为一优选，第二连接部件可以采用带螺纹的螺栓。

在其他部分优选实施例中，变截面标准杆件1的杆件长度可按模数设置，可以设置不同长度，用于不同的实验模型拼接。节点连接部件尺寸可根据标准杆件尺寸变化而定。

以l长变截面标准杆件1为例，内侧两个第一螺栓孔9圆心有一定间距，根据杆件连接情况，两端刚接时需考虑节点连接部件长度，变截面标准杆件1计算长度为l1；两端铰接时其计算长度为l2；一端刚接一端铰接时取其计算长度为l3。且l1>l3>l2。

在其他部分优选实施例中，节点连接部件包括十字型节点连接部件4、t字型节点连接部件5和一字型节点连接部件6；其中，十字型节点部件4用于上下左右四个方向上均有与之相连接变截面标准杆件1的节点连接；t字型节点部件5用于除上一工况外，互相垂直的两个方向上有与之相连接杆件的节点连接；一字型节点连接部件6用于在一个方向上有两根与之相连接杆件的节点连接。

结合图3a、图3b及图3c所示，十字型节点连接部件4的每一方向的直线边的尺寸一致。每个方向的直线边开设有三个均匀分布的第三螺栓孔11，其中，位于十字型节点连接部件4中心位置的四个第三螺栓孔11，用于连接支座；位于直线边的剩余的第三螺栓孔11用于连接变截面标准杆件1。

结合图4a、图4b及图4c所示，t字型节点连接部件5两个方向的水平边、垂直边的尺寸一致；在水平边、垂直边设置等间距的三个第三螺栓孔11，其中位于t字型节点连接部件5中心位置的三个第三螺栓孔11，用于连接支座，分别位于水平边、垂直边的剩余的第三螺栓孔11，用于连接变截面标准杆件1。

结合图5a、图5b及图5c所示，一字型节点连接部件6两端分别设置等间距的三个第三螺栓孔11，其中，位于一字型节点连接部件6的中心位置的两个第三螺栓孔11，用于连接支座，剩余的第三螺栓孔11用于连接变截面标准杆件1。

在其他部分优选实施例中，在节点连接部件的主要开孔方向相垂直方向，开设有件身平行通孔13(光圆孔)，用于连接加固盖板，以提升节点刚度。结合图3a、图3b及图3c所示，在十字型节点连接部件4的四个方向的直线边上分别设置一个通孔13。结合图4a、图4b及图4c所示，在t字型节点连接部件5的水平边、垂直边上设置一个通孔13。参照图5a所示，在一字型节点连接部件6设置三个通孔13。

在其他部分优选实施例中，加固盖板包括直角方向加固盖板7和直线方向加固盖板8。结合图6a、图6b及图6c所示，在加固盖板的宽度方向开设与件身垂直的两个光圆第四螺栓孔12。加固盖板的第四螺栓孔12在与节点连接部件平面相垂直方向和节点连接部件连接。该加固盖板的板身厚度较小，两个第四螺栓孔12的中心间距与变截面标准杆件1截面宽度一致，通过光圆第四螺栓孔12连接可以防止两片节点连接部件在螺栓连接作用下不能保持平行，发生平面外变形甚至破坏。

具体实施时，将两片十字形节点连接部件将变截面标准杆件1的端部夹住后，在十字形节点连接部件的直角位置的侧面放置如图6a所示的直角加固盖板，并通过螺栓分别与两片十字形节点连接部件相连，从而增加连接稳定性。两片一字形节点连接部件将标准杆件端部夹住后，在一字形节点连接部件的上下两侧面安装如图7a所示的直线型加固盖板，并通过螺栓分别与两片十字形节点连接部件相连，从而增加连接稳定性。

参照图5所示，为实验结构体系组装的连续梁实验示意图，该连续梁包括两个变截面标准杆件、两个一字型节点连接部件6和一个t字型节点部件5，所有的节点均为铰接。

参照图6所示，为实验结构体系组装的刚架实验示意图，该刚架包括10个变截面标准杆件、8个t字型节点部件5和一个十字型节点连接部件4，10个变截面标准杆件通过节点连接部件连接为一体结构，其中，除底部的变截面标准杆件与支座的三个连接节点为铰接连接，其余变截面标准杆件之间的连接节点均为刚接。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。