[实用新型]一种拱-拉杆结构的受力教学演示装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种拱-拉杆结构的受力教学演示装置，属于教学辅助设备技术领域。

背景技术

拱结构是广泛应用的结构形式之一。最理想的受力是让拱处于轴心受压状态（内无弯矩作用），此时材料用量最省，并可用价格较便宜的石材建造。能否实现这一受力状况取决于两个因素，一是拱轴线形状，二是拱上的荷载形式，当拱轴为二次抛物线时，拱的荷载必须是满跨均匀布置，任何其他的荷载形式，如半跨均布或局部均布或集中荷载都会在拱内产生弯矩和拉应力，而各拱节段相连的接触面是不能承受拉应力的，这样就使得拱截面的受压面积迅速减小，直至拱结构破坏和丧失承载力。拱处于轴心受压固然理想，但需满跨均布荷载，而满跨均布加载方式仅是众多常见荷载形式之一，如何让拱结构也能承受其他形式的荷载而不破坏，这可通过选择不同的荷载形式和施加的先后的顺序来实现，即让拱先承受满跨均布荷载，使拱截面内有足够大的压应力存在，之后再施加其他荷载，让其他荷载产生的拉应力始终小于均布荷载的压应力，这样拱就不会破坏。

在过去的教学中，由于实际拱的加工和制作成本高，没有受力特点的演示实验，教师只能根据教科书上的部分图形对复杂的受力进行讲解，学生缺乏直观的感性认识，特别是很难得到非满跨均布荷载受力特性的直观认识，从而影响学生对拱的受力特性进行深入全面学习和正确应用。

发明内容

本实用新型针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种拱-拉杆结构的受力教学演示装置，用于解决实际拱的加工和制作成本高的问题，没有受力特点的问题，从而使学生缺乏直观的感性认识。

本实用新型技术方案是：一种拱-拉杆结构的受力教学演示装置，包括支座块1、拱2、拉杆3、锚固螺栓4、套环5、加载砝码6；所述拱2由数块拱节段相拼而成，各拱节段拱成的拱型的两端均与两块支座块1连接，拉杆3穿过支座块1，并用两个锚固螺栓4将拉杆3的两端旋紧于支座块1上，使支座块1在拱2的水平推力作用下没有水平位移，拱节段下面设有套环5，套环5上挂有加载砝码6。

所述当拉杆3的两端旋紧于支座块1上的锚固螺栓4放松时，拉杆3在拱2水平推力作用下发生水平位移，锚固螺栓4的旋紧与放松用于演示拱2结构几何不变或可变的情况。

所述拱2的形状为二次抛物线。

所述套环5上仅有一部分套环5或仅一个套环5上挂有加载砝码6。

本实用新型的工作原理是：

通过该装置可演示拱在以下3种不同荷载作用下的受力特点：

1.均布满载：均布满载使得拱2仅受压和不受弯，另外拱脚处的外推力可由水平拉杆承担，拱不会倒塌，能承受荷载。

2.集中荷载：集中荷载将在拱内产生弯矩和弯曲拉应力，由于各拱节段间不能承受拉应力，拱将倒塌和丧失承载能力。

3.先均布满载后加集中荷载：先施加的均布满载使得拱内产生均匀的压应力，后施加的集中荷载使得拱内产生弯曲拉应力，只要均布满载产生的压应力大于集中荷载产生的拉应力，拱就不会倒塌，能承受均布和集中荷载。

通过以上演示可以帮助学生直观地观察拱在不同荷载作用下的受力特征，由此可更好地正确掌握拱-拉杆结构的设计原理和设计方法。

所述支座1、拱2的材质为硬质抗压材料。

所述拉杆3、锚固螺栓4、套环5和加载砝码6均可为钢质材料。

所述拱的形状为二次抛物线，所对应的理想荷载为均布荷载，均布荷载可近似由施加等间距和等重的砝码来实现。

本实用新型的工作过程是：

1、将支座块1与拉杆3用锚固螺栓4连接好后，将拱2置放于支座块1上，这时并可进行不同加载方式的演示；

2、满跨加载：将每个套环5上均挂上一个加载砝码6，以实现拱2的轴心受压状态；

3、单个集中荷载：在任意一个套环5上挂上一个加载砝码66，可实现拱2发生破坏的偏心受压状态；

4、先均布满跨加载后再加一个集中荷载：按2和3的加载顺序加载，可实现拱不破坏的偏心受压状态。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过对拱-拉杆结构的受力教学演示，可以帮助学生直观地观察看到拱-拉杆结构的受力特征，如拱的理想受力状态（拱内无弯矩）不仅与拱的形状有关，还与荷载类型（均布、梯形、集中力）及荷载作用范围（满跨、半跨、局部）有关，以便正确掌握拱-拉杆结构的设计原理和设计方法。

附图说明

图1是本实用新型拱-拉杆结构未加载的示意图；

图2是本实用新型拱-拉杆结构施加满跨均布加载的示意图；