三、实验原理
实际桁架的受力情况是比较复杂的，在理论计算中一般只是抓住主要矛盾，对实际桁架作必要的简化。通常在桁架的内力计算中采用下列假定：①桁架的结点都是光滑的铰结点；②各杆的轴线都是直线并通过铰的中心；③荷载和支座反力都作用在结点上。
这里我们以焊接钢屋架为例，来比较一下实际桁架和理想桁架的差别。首先，结点域的连接方式和理想铰接的假定是不一致的，焊接钢架的结点既可传递轴力也可传递弯矩，更接近于理想的刚接形式；其次，上、下弦杆在结点处是连续不断的，而理想的桁架杆件在结点处是断开的。虽然理想桁架和实际桁架有明显差别，但前人的科学实验和工程实践证明，结点刚性等因素对桁架内力的影响一般来说是次要的。一般规定，按照上述假定计算得到的桁架内力称为主内力，由于实际情况与上述假定不同而产生的附加内力称为次内力。
焊接钢桁架计算简图如图1-34所示，使用结构力学求解器计算焊接钢架的轴力图如图1-35所示，将刚结点改为铰结点得到的轴力图如实验三中图1-29所示。对比轴力图1-35和图1-29可以看出，由于将刚结点改为理想铰结点导致各杆件的轴力大小出现了不同程度的变化，各杆件轴力的变化幅度均小于其轴力值的2%。在理想铰接情况下中间的竖杆为零杆，而刚结点情况下零杆有了很小的轴力。原来的零杆为什么不再是零杆了呢？这是由于刚结点使杆件中产生了剪力造成的，但剪力分量相对较小，且在计算杆件的应力时贡献很小，这里我们就不再考虑剪力对应力的影响，所以在此未给出结构的剪力图。
图1-34 焊接钢桁架计算简图
图1-35 焊接钢桁架轴力图
图1-36为焊接钢桁架的弯矩图，从图中可以看出在焊接钢桁架内存在一定大小的弯矩，这部分弯矩就是所谓的次内力，由次内力产生的应力称之为次应力，次应力究竟在总的应力中占多大比重呢？可以选择一个次内力最大的位置进行分析。由双40号等边角钢焊接的钢桁架在如图1-34所示单位荷载作用下（这里以N为单位），上弦杆的加载点附近次内力（弯矩）最大，而主内力（轴力）相对较小。这是一个次内力影响最为显著的位置，我们就以该位置为例进行分析。
由此可见，在次内力影响最显著的位置，由次内力产生的次应力仅是主内力产生应力的一半左右，同时考虑到弯矩在结构内部是线性分布，从弯矩图中也可以看出弯矩会很快减小到一个较低的水平，所以说弯矩次内力影响显著的区域会非常小。
图1-36 焊接钢桁架弯矩图
通过以上分析可以看出，实际的桁架和理想桁架相比，在同样的荷载和支撑边界条件下会产生次内力，但这些次内力引起结构的应力通常比较小。所以人们习惯把一些结点性质类似的铰结点或力学特性与桁架相似的，荷载类型为结点荷载的结构称为桁架，并将桁架的力学性质作为结构计算或设计的依据。钢桁架实验就是为了验证这种选择依据的可靠性，解答很多同学对工程中的桁架并非理想桁架，但设计时依然采用理想桁架力学模型进行设计的疑惑。
根据以上分析并结合该结构的受力特点，实验时选择测量典型杆件的内力来验证上述内力分布规律。试验和过程中内力的测试通过杆件上粘贴的应变片测量，位移的测试通过位移计或百分表进行测量。需要注意的是，由于角钢的非对称结构，应变片的粘贴位置及计算方式较圆管或方管复杂一些，现以40×4角钢为例说明应变片粘贴准则及内力分析的方法。
焊接梯形钢桁架结构简图如图1-37所示，测试时在角钢的肢尖、肢背上各布置两片应变片，具体尺寸见应变片粘贴位置放大图。对于双角钢，可以根据其对称性确定其形心主轴，从而可以确定其平面弯曲的中性轴。在图1-37所示的钢屋架结构中，根据其弯曲方向可以确定边厚为4mm的40号双角钢截面的中性轴距底边11.3mm。我们知道弯矩在中性轴上产生的应力为零，这样在双角钢的中性轴上粘贴电阻应变片，便可以直接测得杆件的轴力。为了得到弯矩的大小并验证弯矩在截面上的分布规律，在双角钢截面的上、中、下3个位置粘贴3组电阻应变片。假定测得的上、中、下3个位置应变片距离中性轴的距离分别为y上、y中、y下，它们的实测应变为ε上、ε中、ε下，则该杆件的轴力为
截面弯矩的大小为
式中，ε上、ε中、ε下——实测应变，拉应力时取正，压应力时取负。
图1-37 焊接钢桁架结构简图