钢桁架试验与理论计算对比分析

赵旻旻，寇素霞

摘要：文章通过对简支桁架结点位移、支座沉降、杆件内力的测量及对测量结果处理分析，探究了桁架结构静力特性，验证结构力学对桁架理论计算的准确性，分析偏差的影响因素，确定对桁架静力作用下可避免的生产工作安装隐患并提出了建议。

关键词：简支桁架；测量分析；理论计算；偏差分析

在结构力学课程中，桁架的教学占有较大的比重，这种结构形式将结构的整体受力转换为各杆件的轴力，内力分布比较均匀，能较充分地发挥材料的强度，在实际工程中的应用较广。然而在学习过程中，学生对桁架这部分内容掌握得不太好，对桁架这种结构形式理解不到位。为促进学生对桁架的理解，课题组设计加工了实际的钢桁架进行试验，作为结构力学的课程试验之一。钢桁架试验要求学生先进行理论计算，然后通过试验获得数据进行分析，来验证理论计算的正确性及其与实际情况的误差，旨在加强学生的理论分析能力、试验能力、实践动手能力以及实践与理论相结合的能力。

1试件设计制作

试件采用两榀钢桁架，桁架跨度为2.4m，高为0.4m，杆件由角钢（2∟50×5，A=2×4.8×10^-4㎡）组成，两榀桁架结点处采用10mm厚钢板焊接连接，有效的模拟铰接，具体尺寸如图1所示。

2理论计算

桁架结构杆件之间相互铰接，各杆件主要承受轴向拉、压力，其中上下弦作为主要截面承受拉压力，产生较大的内力臂提高抗弯能力，腹杆作为承力、传力杆件，将剪力传给支座产生竖向位移。

2.1结点法计算杆件内力

根据结构力学分析方法，对图1所示桁架应用结点法进行内力计算，结果如图2所示。实际加载时最大荷载为，此时各杆轴力的理论计算值如表1所示。

2.2图乘法计算桁架挠度

根据结构力学分析方法，当F=100KN时，应用以下公式对桁架结点挠度进行计算，结果如表2所示。

3静载试验

3.1试验内容

测试结构荷载——挠度关系曲线，验证结构力学理论正确性；

试结构杆件内力，分析内力大小与理论计算的偏差因素，确定隐患；

通过试验总结生产工作安装所须注意问题，总结此次试验经验教训。

3.2试验方案

①桁架采用简支支撑，为防平面外失稳问题。桁架采用倒置式，自平衡模式，不需添加侧向支撑；

②垂直加载，使用手动千斤顶人为控制加载制度。根据指导教师建议采用预加载，正式加载步骤，预加载检验支座平稳，仪器仪表工作性能及平衡调零；正式加载分为十级，最大加载至F=100KN，如图3所示。反力架、力学传感器、分配梁将力作用于桁架结点；做简支支撑，支座支墩支承起偏差对桁架端结点局部受力影响大，要严格控制支撑中心点位置。

③杆件中部对称粘贴应变片，选用黄岩B2*3mm应变片，连接东华3818应变采集仪测试应力；采用哈尔滨量具厂生产百分表测量支座及结点位移，使用前，所有仪表进行标定。

④根据理论计算，确定试验终止条件：荷载超过100kN或跨中挠度大于4mm。

3.3试验结果

经试验，桁架位移应变如表3所示。

表3 桁架位移和应变试验值（单位：mm）

4.结果分析

（1） 结点实测值与理论值荷载挠度曲线，如图4所示。

（2）满载情况下下弦结点挠度实测值与理论值的差异，如表4所示。

（4）试验结果分析

其一，分级加载下，挠度比例呈现与理论计算相一致的结果，但各对应数值整体偏大，可能由于制作原因使得桁架刚度不足导致；

其二，两榀桁架对应位置应变并不一致，可能由于支座未知偏移，加載点不完全对中导致，严格控制加载点可有利于工程中出现偏压破坏现象；

其三，上下弦杆应力偏大，腹杆应力偏小，试验过程中应变片粘贴的不完全与轴线重合会导致该现象产生，必须严格对应才能真实反映轴向拉压作用产生的应变。

5结语

通过桁架静载非破坏试验，验证了理论计算数据的特殊性与代表性，认识到实际工作状态下各外界因素对构件产生的不利影响，试验进行流程仍需完善。通过此试验，可使学生进一步、直观地理解桁架的受力特性，并可提高学生的动手能力，加强学生理论指导实践、实践验证理论、理论与实践相结合的能力。

编辑∕林懿冉