鋼桁架試驗與理論計算對比分析

趙旻旻，寇素霞

摘要：文章通過對簡支桁架結點位移、支座沉降、桿件內力的測量及對測量結果處理分析，探究了桁架結構靜力特性，驗證結構力學對桁架理論計算的準確性，分析偏差的影響因素，確定對桁架靜力作用下可避免的生產工作安裝隱患并提出了建議。

關鍵詞：簡支桁架；測量分析；理論計算；偏差分析

在結構力學課程中，桁架的教學占有較大的比重，這種結構形式將結構的整體受力轉換為各桿件的軸力，內力分布比較均勻，能較充分地發揮材料的強度，在實際工程中的應用較廣。然而在學習過程中，學生對桁架這部分內容掌握得不太好，對桁架這種結構形式理解不到位。為促進學生對桁架的理解，課題組設計加工了實際的鋼桁架進行試驗，作為結構力學的課程試驗之一。鋼桁架試驗要求學生先進行理論計算，然后通過試驗獲得數據進行分析，來驗證理論計算的正確性及其與實際情況的誤差，旨在加強學生的理論分析能力、試驗能力、實踐動手能力以及實踐與理論相結合的能力。

1試件設計制作

試件采用兩榀鋼桁架，桁架跨度為2.4m，高為0.4m，桿件由角鋼（2∟50×5，A=2×4.8×10^-4㎡）組成，兩榀桁架結點處采用10mm厚鋼板焊接連接，有效的模擬鉸接，具體尺寸如圖1所示。

2理論計算

桁架結構桿件之間相互鉸接，各桿件主要承受軸向拉、壓力，其中上下弦作為主要截面承受拉壓力，產生較大的內力臂提高抗彎能力，腹桿作為承力、傳力桿件，將剪力傳給支座產生豎向位移。

2.1結點法計算桿件內力

根據結構力學分析方法，對圖1所示桁架應用結點法進行內力計算，結果如圖2所示。實際加載時最大荷載為，此時各桿軸力的理論計算值如表1所示。

2.2圖乘法計算桁架撓度

根據結構力學分析方法，當F=100KN時，應用以下公式對桁架結點撓度進行計算，結果如表2所示。

3靜載試驗

3.1試驗內容

測試結構荷載——撓度關系曲線，驗證結構力學理論正確性；

試結構桿件內力，分析內力大小與理論計算的偏差因素，確定隱患；

通過試驗總結生產工作安裝所須注意問題，總結此次試驗經驗教訓。

3.2試驗方案

①桁架采用簡支支撐，為防平面外失穩問題。桁架采用倒置式，自平衡模式，不需添加側向支撐；

②垂直加載，使用手動千斤頂人為控制加載制度。根據指導教師建議采用預加載，正式加載步驟，預加載檢驗支座平穩，儀器儀表工作性能及平衡調零；正式加載分為十級，最大加載至F=100KN，如圖3所示。反力架、力學傳感器、分配梁將力作用于桁架結點；做簡支支撐，支座支墩支承起偏差對桁架端結點局部受力影響大，要嚴格控制支撐中心點位置。

③桿件中部對稱粘貼應變片，選用黃巖B2*3mm應變片，連接東華3818應變采集儀測試應力；采用哈爾濱量具廠生產百分表測量支座及結點位移，使用前，所有儀表進行標定。

④根據理論計算，確定試驗終止條件：荷載超過100kN或跨中撓度大于4mm。

3.3試驗結果

經試驗，桁架位移應變如表3所示。

表3 桁架位移和應變試驗值（單位：mm）

4.結果分析

（1） 結點實測值與理論值荷載撓度曲線，如圖4所示。

（2）滿載情況下下弦結點撓度實測值與理論值的差異，如表4所示。

（4）試驗結果分析

其一，分級加載下，撓度比例呈現與理論計算相一致的結果，但各對應數值整體偏大，可能由于制作原因使得桁架剛度不足導致；

其二，兩榀桁架對應位置應變并不一致，可能由于支座未知偏移，加載點不完全對中導致，嚴格控制加載點可有利于工程中出現偏壓破壞現象；

其三，上下弦桿應力偏大，腹桿應力偏小，試驗過程中應變片粘貼的不完全與軸線重合會導致該現象產生，必須嚴格對應才能真實反映軸向拉壓作用產生的應變。

5結語

通過桁架靜載非破壞試驗，驗證了理論計算數據的特殊性與代表性，認識到實際工作狀態下各外界因素對構件產生的不利影響，試驗進行流程仍需完善。通過此試驗，可使學生進一步、直觀地理解桁架的受力特性，并可提高學生的動手能力，加強學生理論指導實踐、實踐驗證理論、理論與實踐相結合的能力。

編輯∕林懿冉