混凝土结构基本原理教学试验演示的方法、系统及应用技术方案

一种可用于混凝土结构基本原理教学试验演示的方法，采用自平衡试验加载系统，使得施加在构件上的力不会传至地面，而是在试验装置内部得以平衡；另外，摄制混凝土构件裂缝发展、构件变形过程，将该过程和数据处理结果实时投影到荧幕上。其实现系统，包括自平衡反力加载试验装置系统，数据采集和处理系统，以及摄像和投影系统。本发明专利技术使得试验不需要在专门的试验场地，而可在一般教室中多次重复进行，改善了教学环境；又可在荧幕上实时显示混凝土裂缝发展过程、试验数据采集与初步处理结果，便于学生观察、讨论、分析试验现象，掌握构件受力机制。除用于教学目的外，系统同时也可进行其他合适的科学试验。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于教学仪器领域，涉及教学试验演示的方法、系统，尤其是一种 可用于混凝土结构基本原理教学试验演示的方法、系统。
技术介绍
混凝土结构基本原理教学试验系统一般包括四个部分(1)试验加载系统，(2)数据采集和处理系统，(3)试验现象与试验数据处理的演示系统，(4)相应的试验方案。试验加载系统常直接施加力于试件上，力通过试件的支座传至 地面。由于施加的力常常较大，故试验需在试验室中进行，这是因为试验室的 地面经特别处理，承载力较大。然而，在试验室场地内进行教学试验，场地常 显狭小、学生安全存在隐患。此外，混凝土构件试验常常需观察裂缝情况，为 教学需要，还需演示数据采集与处理结果。目前试验中常采用肉眼观察试件表 面裂缝，采用电脑屏幕显示数据采集与处理结果，由于裂缝细小、构件尺寸有 限、场地狭小，电脑屏幕较小、学生人数多等原因，学生难以近距离、全面细 致地观察裂缝的产生、发展情况，难以直观理解数据采集与处理情况，影响教 学效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种教学试验演示的方法、系统，可用于混凝土结 构基本原理教学，除了教学，也可用于科学研究。为达到以上目的，本专利技术的解决方案是 一种可用于混凝土结构基本原理教学试验演示的方法。采用自平衡试验加载系统，使得施加在构件上的力不会传至地面，而是在 试验装置内部得以平衡。摄制混凝土构件裂缝发展过程，将该过程和数据处理结果实时投影到荧幕上。试验演示可在一般教室试验演示。实现上述方法的系统，包括试验加载系统，数据采集和处理系统，试验 现象与试验数据处理的演示系统，该试验加载系统是自平衡反力加载试验装置 系统，该演示系统包括对试验现象进行摄像的摄像系统和将试验现象和数据处 理结果加以显示的投影系统。该自平衡反力加载试验装置系统设有竖向支柱，在两根竖向支柱中间有可 移动式的上横梁、下横梁，上横梁下表面安装有千斤顶、上横梁上表面安装有 电葫芦，另外还设有对千斤顶施加压力的加压泵。数据采集和处理系统包括工控机、通讯卡、显示屏、数据采集器和数据处理软件。该摄像系统包括摄像机及移动三脚架，投影系统包括投影仪和电动荧幕。 上述方法/系统的应用，包括适筋梁正截面受弯破坏试验、少筋梁正截面受 弯破坏试验、超筋梁正截面受弯破坏试验、梁斜截面剪压破坏试验、梁斜截面 斜压破坏试验、梁斜截面斜拉破坏试验、柱大偏心受压破坏试验、柱小偏心受 压破坏试验。由于采用了以上技术方案，本专利技术具有以下有益效果在两个方面解决了目前试验系统中存在的缺陷(1)提供了自平衡反力加 载试验装置，使试验不必在试验室场地、而可在一般教室内多次进行。(2)装 置摄像和投影系统，摄制混凝土构件裂缝发展过程等试验现象，将该现象和数 据处理结果实时投影到荧幕上。这样，便于观察试验现象和试验资料的保存， 便于课堂教学讨论与分析，改善了教学效果。附图说明图l为本专利技术的场地布置示意图。图2为本专利技术实施例的自平衡反力加载试验装置进行梁试验图。 图3为本专利技术实施例的自平衡反力加载试验装置进行柱试验图。图4为图2中所示的节点大样示意图。1.自平衡反力加载试验装置，2.数据采集与处理系统，3.千斤顶加压泵， 4.摄像机，5.投影仪，6.荧幕，7.黑板，8.教学座椅，9.竖向支柱，IO.可移动 式上横梁，11.可移动式下横梁，12.千斤顶，13.电葫芦，14.分配梁，15.梁 支座的支撑，16.柱支座的支撑柱，17.梁试件，18.柱试件。具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本专利技术作进一步的说明。本专利技术混凝土结构基本原理教学试验系统，由自平衡反力加载试验装置系 统，数据采集和处理系统，以及包括摄像和投影系统的演示系统组成。为解决 技术问题，专利技术所采用的技术方案包括两点，分别是(1)自平衡反力加载试验装置系统。装置加载能力可达100吨，采用钢结 构构件，由两个竖向支柱、可移动式的上下横梁，上横梁下表面安装的千斤顶、 上横梁上表面安装的电葫芦组成。支柱和横梁采用螺栓连接，便于拆卸和安装。 以上横梁为支座，千斤顶施加的力传至分配梁上，进一步通过分配梁的刀口式 和滚轴式支座将两个集中力传至梁试件上。通过梁试件力依次传至支座、支撑、 下横梁和两个竖向支柱上，由于竖向支柱与上横梁连接，故施加在构件上的力 不会传至地面，而是在试验装置内部得以平衡，图2中显示梁上的4个支撑点 是一边是三角的，另外一边是圆点的，分别是刀口式和滚轴式支座，模拟加载 时构件为静定结构体系，而不是静不定或超静定结构体系。从而使试验在一般 教室场地进行成为可能。上横梁上表面安装的电葫芦可提升试验构件。配合数 据采集系统，设计相应的试验方案，采用此装置可进行混凝土结构基本构件常 见受力形式的试验，如适筋梁正截面受弯破坏、少筋梁正截面受弯破坏、超筋梁正截面受弯破坏、梁斜截面剪压破坏、梁斜截面斜压破坏、梁斜截面斜拉破 坏、柱大偏心受压破坏、柱小偏心受压破坏等。(2)装置摄像和投影系统。摄像系统由摄像机及移动三脚架组成，投影系 统包括投影仪和电动荧幕组成，均应采用质量稳定、清晰度较高的产品。摄像 机将试件裂缝发展情况等试验现象录制下来，投影仪连接摄像机和数据采集与 处理系统，采用切换方式，将试验现象或数据处理结果实时投影在荧幕上。采用上述试验系统，可以在普通教室中多次重复进行混凝土结构基本原理 教学试验，改善了教学场地条件，便于学生参与试验操作。采用摄像和投影系 统可以实时摄像细微的混凝土裂缝过程并在教室前方的荧幕上显示，便于学生 观察、讨论和分析试验现象，提高了教学效果。此外，此试验系统还可进行其 他科学研究试验。在图1中，自平衡反力加载试验装置1位于试验教室前方，在其上进行梁 或柱试验，自平衡反力加载试验装置1前方设有教学座椅8，其后方分别设有教 学用黑板7和电动荧幕6。旁边设有千斤顶加压泵3，摄像机4摄制试验现象并 将其实时传输至投影仪5，投影仪5将该现象以及数据采集与处理系统2的信息 投影至电动荧幕6上。在图2和图3 (包括图4的节点大样)所示实例中，自平衡反力加载试验装 置由竖向支柱9、上横梁IO、下横梁11和电葫芦13组成。安装千斤顶12后， 采用加压泵3加压，荷载通过分配梁14分配后，借助梁支座的支撑15或柱支 座的支撑16，设计相应的试验方案后，可进行梁17和柱18试验。进行梁和柱 (或其他试件)的试验存在试件本身、试验装置、和加载制度等方面不同，这 些均反应在试验方案中。比如，设计适筋梁、少筋梁和超筋梁正截面受弯破坏 试验，可研究不同配筋率的钢筋混凝土梁正截面不同的破坏情况，包括混凝土 和钢筋应力发展不同，裂缝发展和分布不同，破坏形式不同等。设计梁斜截面 剪压、斜压和斜拉破坏试验，可研究不同剪跨不和配箍形式的钢筋混凝土梁斜 截面不同的破坏情况，包括裂缝发展和分布不同，破坏形式不同等。设计大偏 心和小偏心受压柱破坏试验。可研究不同偏心距和纵筋配筋量的钢筋混凝土柱 偏心受压破坏情况，包括混凝土和钢筋应力发展不同，裂缝出现时间和分布不 同，破坏形式不同等。上述的对实施例的描述是为便于该
的普通技术人员能理解和应用 本专利技术。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改， 并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此， 本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混凝土结构基本原理教学试验演示的方法，其特征在于：　采用自平衡试验加载系统，使得施加在构件上的力不会传至地面，而是在试验装置内部得以平衡；采用摄像和投影系统摄制混凝土构件裂缝发展、构件变形过程，将该过程和数据处理结果实时投影到荧幕 上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：顾祥林，林峰，王伟，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]