自反力空间钢桁架教学模型系统

摘要：针对钢结构在工程中的应用，教学中结合工程实践和教学要求，自行研发了一种自反力空间钢桁架教学模型系统。该教学模型系统包括钢桁架结构、自反力框架约束系统、电控/手控加载系统、应变挠度测试系统。在模型设计完成后进行了有限元分析，得到模型各节点加载下结构理论应力及变形数据，及加载位置与变形、应力的关系，从而为教学实践提供理论参考。

关键词：桁架；钢结构；自反力；教学模型

中图分类号：TU311 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）33-0217-02

针对钢结构在土木工程领域的日益广泛应用，需要开展针对广大桥梁工程及结构工程专业学生关于钢结构中最有代表性的钢桁梁结构的认识和学习。钢桁架结构作为典型钢结构形式，广泛用于房屋建筑结构、桥梁结构中，具有受力明确、结构简单等优点。

模型总体设计原则

1.边界条件。考虑到模型的通用性，模型采用自反力形式，即不对模型外的边界支撑提出要求，模型在荷载作用下通过自平衡实现内部静定。自反力空间桁架模型可以移动至任何位置，避免增加实验室额外的外部约束要求，充分利用实验室空间。

2.加载方式。加载方式分为电控和手动两种方式。电控加载可以增加加载大小、位置和速率的控制精度，而手动加载方式可以让学生在试验教学中锻炼其动手能力，加深对加载过程的体验。在对两种加载方式进行讨论并在教学工作中的教学效果进行分析后，模型设计时考虑将两种加载方式均容纳其中，可通过设置选择手动或电控加载。加载点位于上弦杆，通过滑轨的方式加载点可以在上弦杆上移动。

3.模型材料及尺寸。该结构整体为钢结构，总长4000mm，高为2357mm。整体分为外部框架和钢桁架两个部分，外框架采用Q345钢，桁架采用Q235钢，所有相邻结构采用焊接或者螺栓固结。外部框架主要采用200x200工字钢，底部采用箱型钢和钢板，桁架主要采用箱型钢和角钢，反力架整体结构见图1。

模型结构

制作完成后的自反力钢桁架结构具有灵活、占地少及加载方便的优点。在进行教学中加载方案设计时，考虑到安全和足够响应两个方面，将应力响应值50MPa作为加载设计值的设计目标值。

教学模型测试内容主要包括应变（应力）和挠度。其中应变采用电阻式应变片+应变仪测试，而挠度则通过百分表量测。

模型理论计算与实测结果比较

以钢桁架最大杆件应力为50MPa时进行所需荷载值计算，如表1及图3-4。

当钢桁架最大应力达到50MPa时，对于不同的加载位置，钢桁架对应的最大位移和反力架对应的最大位移见表2，加载位置与最大位移关系图见图5。

参考文献：

[1]施尚伟，项中富.桥梁结构试验检测技术[M].重庆大学出版社，2012.