土木工程桁式结构受力的实验教学探索
土木工程桁式结构受力的实验教学探索
[摘 要]
本文介绍了土木工程中常用的桁式结构在实验教学中的方法，对试验目的、实验方法、测试内容等方面进行了详细的介绍，该实验可以让学生对桁式结构的组构造及受力特点有更为深刻的认识。正确选择试验方法，是指导学生完成试验的关键。
[关键词]土木1程桁式结构 实验教学
1桁式结构介绍
桁式结构，又称桁架，是由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构。在荷载作用下，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度，故适用于较大跨度的承重结构和高耸结构，如屋架、桥梁、输电线路塔、卫星发射塔、水工闸门、起重机架等。常用的有钢桁架、钢筋混凝土桁架、预应力混凝土桁架、木桁架、钢与木组合桁架、钢与混凝土组合桁架。桁架按外形分有三角形桁架、梯形桁架、多边形桁架、平行弦桁架，及空腹桁架。在选择桁架形式时，应综合考虑桁架的用途、材料、支承方式和施工条件，在满足使用要求的前提下，力求制造和安装所用的材料和劳动量为最小。
2试验目的
对土木工程专业学生，桁式结构大量用于房屋及桥梁等结构中，在理论学习的基础上，需要通过实验教学受到更加生动的教育。本文介绍实验教学方法的主要目的有：
(i)了解桁架结构的基本构件组成，名称及受力特点：
(2)通过上下节点加载试验，了解和学习不同位置加载节点下桁架受力特点：
(3)通过测量各杆件在加载条件下的内力值，理解平面桁架和实际空间桁架的区别。
3实验教学设备
本实验由实验台支座、百分表、式三角型腹杆桁架桥模型和加载系统组成。试件为一钢桁架，跨度为4．2m，上下弦及腹杆采用等边角钢2 5O×4，节点板厚6=4mm，单根截面积=3．897cm2。
试验加载设备：自制手螺旋加载装置，静态电阻应变仪，百分表，倾角仪及表架，拉压力传感器，钢卷尺及其他工具等。试验装置图见图1所示。
4试验方法
桁架试验一般多采用垂直加荷方式，桁架试验支座的构造可以采用梁试验的支承方法，支承中心线的位置尽可能准确，其偏差对桁架端结点的局部受力影响较大，对钢筋混凝土桁架影响更大，故应严格控制。三角形屋架受荷后，下弦伸长较多，流动支座的水平位移往往较大，因此支座垫板应有足够的尺寸。
桁架试验加荷方法可采用实物加荷、吊篮加荷，也可采用螺旋千斤顶或同步液压千斤顶加荷，本文介绍的方法是试验自制手螺旋加载装置。试验时应使桁架受力稳定、对称、防止平面外失稳破坏，同时还要充分估计自制手螺旋加载装置的有效行程。
观测项目般有节点挠度和转角、杆件内力等。测量挠度，可采用挠度计或水准仪，测点一般布置于下弦结点。为测量支座沉陷，在桁架两支座的中心线上应安置垂直方向的位移计。杆件内力测量，可用电阻应变片或接触式位移计，其安装位置随杆件受力条件和测量要求而定。
本试验采用缩尺钢桁架作非破损检验，以达到熟悉的目的。杆件应变测量点设置在杆件的中间区段，为消除自重弯矩的影响，电阻应变片均安装在截面的重心线上，在支座处装倾角仪，量测在各级荷载下的转角变化。挠度测点均布置在桁架下弦结点上，同时支座处尚应装置百分表测量沉降值(及侧移值)。
为研究桁架梁的工作性能，主要测量各杆件应变、下节点挠度，具体要求如下：
4 1应变测点的布置各杆件内力是此次试验的主要内容之一，它是通过对各杆件的应变测量获取的。应变片布置应布置在型钢的中性轴处以消除弯矩的影响。应变片布置在杆件长度的中间位置，以尽量减小端部的约束效应。本次实验的应变片布置在所有的主要杆件上，包括上下弦杆和腹杆，平联杆件不需要布置。
4 2挠度测点的布置跨中下挠是考察桁架刚度的重要指标。对本次试验而言，不仅需要测量跨中挠度，对下弦杆的所有节点均测量其挠度，这样可以获得整个桁架梁的变形情况。挠度的测量通过百分表采集，要求百分表指垂直与杆件表面并对准杆件受力中心线。此外，需要强调的是需要测量两片桁片的对应节点，通过比较两片桁片对应节点的挠度值，了解空间桁架中各桁片的受力分配和变形协调。
4 3转角测点的布置对支座处节点安装倾角仪以测量荷载作用下支座处的转角。该转角与跨中挠度问有一定的关系。通过测量各级荷载下支座转角与下弦杆挠度，可以学习桁架的变形特点。
实验报告根据试验结果与理论计算的比较，讨论理论计算的准确性。并根据试验结果的综合分析，对桁架的工作状态作出结论。并将实验结果与计算结果进行比较，并计算结构检验系数：
： 詈式中：
— — 结构构件检验系数实数s：：——结构构件在加载荷载下的内力实测值：
S— — 结构构件在加载荷载下的内力计算值。
结语实验教学中应强调根据理论计算结果设计实验方案并组织整个实验，然后整理出完整的实验结果，将实际结果与理论计算值进行比较，通过正确的实验教学方法，可以帮助学生掌握桁架结构的构造及受力特点。