一種土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析方法及系統(tǒng)，該方法包括如下步驟：確定結(jié)構(gòu)所在位置的地理經(jīng)度和緯度，通過在結(jié)構(gòu)上安裝傳感裝置測量結(jié)構(gòu)的環(huán)境空氣溫度和表面風(fēng)速。采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)太陽輻射模型計算確定作用于結(jié)構(gòu)表面的直接輻射強度、散射強度和反射強度。依據(jù)結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射強度，建立動態(tài)溫度邊界條件，采用有限元方法求解結(jié)構(gòu)的三維熱傳導(dǎo)方程即可確定土木工程結(jié)構(gòu)表面及其內(nèi)部任何一點的動態(tài)溫度效應(yīng)。本發(fā)明適用于各種不同類型土木工程結(jié)構(gòu)在太陽輻射作用下的溫度效應(yīng)分析及評估，特別適用于具有較小幾何尺的結(jié)構(gòu)以及周邊存在復(fù)雜遮蔽的結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)的分析評估。
【專利說明】
一種土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及溫度效應(yīng)評估技術(shù)，尤其涉及一種土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分 析方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 土木工程結(jié)構(gòu)長期于露天服役，不可避免的承受外界荷載和自然環(huán)境的作用。結(jié) 構(gòu)在太陽輻射和氣溫變化等環(huán)境因素的影響下，將引起不均勻非線性溫度分布，從而產(chǎn)生 明顯的溫致效應(yīng)。國內(nèi)外研究表明，強烈的時變溫度荷載作用下將導(dǎo)致非常嚴(yán)重的溫致效 應(yīng):如大跨度橋梁結(jié)構(gòu)在一天之內(nèi)的由于時變溫度所引起的頻率變化可高達(dá)5 %。土木工程 結(jié)構(gòu)在強烈的溫度荷載作用下極易引起強烈的非線性時變溫差效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的 溫致應(yīng)力集中和溫致大變形，從而進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)性能退化甚至溫致?lián)p傷，進(jìn)而導(dǎo)致 結(jié)構(gòu)使用功能受到削弱，難以滿足長期服役條件下的安全性、適用性和耐久性的要求。因 此，如何保證土木工程結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的安全性和耐久性，是擺在廣大工程技術(shù)人 員和科研工作者面前的一個現(xiàn)實問題，具有重要的科學(xué)意義和實際工程意義。
[0003] 由于土木工程結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)分析涉及到天文物理學(xué)、傳熱學(xué)、新材料科學(xué)、風(fēng)工 程、有限元理論等眾多方面的基礎(chǔ)理論，是一個典型的多學(xué)科交叉的問題。因此，溫度效應(yīng) 問題較為復(fù)雜，現(xiàn)有的理論方法和技術(shù)手段還不完善。早期對工程結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的研究并 沒有考慮溫度的時變效應(yīng)，往往簡單的基于結(jié)構(gòu)環(huán)境的溫差來研究結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)。由于 這種方法無法有效地考慮瞬態(tài)溫度場，因此往往通過人為地放大結(jié)構(gòu)的靜態(tài)溫度荷載的方 法進(jìn)行溫度荷載估計，這本質(zhì)上是一種非常粗糙的溫致效應(yīng)處理方法，只能獲得結(jié)構(gòu)溫致 效應(yīng)的大致變化范圍。國外自上世紀(jì)70年代末開始工程結(jié)構(gòu)的太陽輻射溫度效應(yīng)研究，但 研究對象主要集中于簡單的混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)。其主要原因是混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)形式簡 單，因此溫度荷載模型簡單，結(jié)構(gòu)的溫致效應(yīng)也相對容易確定。
[0004]目前土木工程結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)分析主要是采用基于傳統(tǒng)的天文學(xué)太陽輻射模型， 通過建立作用于結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射強度以及溫度邊界效應(yīng)來求解結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)。目前 對于土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)的機理的認(rèn)識較為簡單、分析評估方法和手段還非常 匱乏，這直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度荷載取值和溫度效應(yīng)計算出現(xiàn)較大的誤差，現(xiàn)有基于傳統(tǒng)天文 學(xué)太陽輻射模型的結(jié)果與實測結(jié)果往往存在較大差別，難以吻合。現(xiàn)有方法沒有考慮結(jié)構(gòu) 服役環(huán)境因素如濕度、風(fēng)速、環(huán)境遮蔽、結(jié)構(gòu)自遮蔽等因素的影響，缺乏從機理出發(fā)的對溫 度荷載模型和時變溫度效應(yīng)的基本科學(xué)問題的相關(guān)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種土木工程結(jié)構(gòu)太 陽輻射溫度效應(yīng)分析方法及系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效 應(yīng)分析方法，包括以下步驟：
[0007] 1)通過傳感裝置測量結(jié)構(gòu)的環(huán)境空氣溫度和表面風(fēng)速，所述環(huán)境空氣溫度和表面 風(fēng)速信息用于計算換熱系數(shù)；
[0008] 2)根據(jù)結(jié)構(gòu)所在位置的地理經(jīng)度和煒度，計算結(jié)構(gòu)所在位置一天中任何時刻的太 陽高度角；然后采用結(jié)構(gòu)太陽輻射模型計算確定作用于結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射強度，具體如 下：
[0009] 2.1)設(shè)一天中的第i時刻，作用于土木結(jié)構(gòu)的太陽福射強度為：
[0013]其中：ts為一天中結(jié)構(gòu)表面承受太陽輻射的時間；tkl為上午時間系數(shù); tk2為下午時 間系數(shù);t#Pt2分別為日出太陽時刻和日落太陽時刻;U為結(jié)構(gòu)表面受到最大強度的太陽輻 射的時刻;t表不太陽福射時刻;a和b為福射模型的系數(shù)；
[0014] 2.2)確定作用于土木結(jié)構(gòu)的太陽輻射強度Γ1νι1:
[0015] Icivil = Im. (l-Se〇)
[0016] &〇為兩種結(jié)果的太陽輻射強度誤差：
[0018]其中：采用傳統(tǒng)太陽輻射模型所得的結(jié)構(gòu)表面在一天中受到的太陽輻射強度 總和;SIm為基于修正的結(jié)構(gòu)太陽輻射模型所得的結(jié)構(gòu)表面在一天中受到的太陽輻射強度總 和；
[0020] 其中：L·為第i時刻土木結(jié)構(gòu)表面所受到的總太陽輻射強度;Sl為第i時刻太陽輻射 強度因子;t#Pt 2分別為日出太陽時和日沒太陽時；
[0021] 3)根據(jù)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)以及作用于結(jié)構(gòu)的表面的直接輻射強度、散射強度和反射 強度等信息，建立適用于結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析的動態(tài)溫度邊界條件；
[0022] 4)根據(jù)已經(jīng)建立的結(jié)構(gòu)表面太陽輻射強度以及熱邊界條件，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)任意位置 的溫度場分布及溫度效應(yīng)。
[0023] 按上述方案，所述結(jié)構(gòu)動態(tài)溫度邊界條件為：
[0024] U = e(T*-Ts)
[0026] 式中：U為結(jié)構(gòu)外表面和大氣環(huán)境之間的能量交換率;e為等效熱交換系數(shù);?"為等 效溫度;Ts為土木結(jié)構(gòu)表面溫度;T a為實測的環(huán)境空氣溫度;α為結(jié)構(gòu)表面輻射吸收系數(shù)。
[0027] 按上述方案，所述結(jié)構(gòu)內(nèi)任意位置的溫度場分布及溫度效應(yīng)通過求解結(jié)構(gòu)的三維 熱傳導(dǎo)方程確定。
[0028]按上述方案，所述步驟2.2)中S:是基于傳統(tǒng)天文學(xué)輻射模型，確定結(jié)構(gòu)表面的太 陽直射輻射強度、反射輻射強度和散射輻射強度，然后獲得結(jié)構(gòu)的總輻射強度。
[0029] 一種土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析系統(tǒng)，其特征在于，包括：
[0030]結(jié)構(gòu)環(huán)境溫度監(jiān)測模塊，用于通過傳感裝置測量結(jié)構(gòu)的環(huán)境空氣溫度和表面風(fēng) 速；
[0031]結(jié)構(gòu)環(huán)境風(fēng)速監(jiān)測模塊，用于實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)周邊的風(fēng)速，獲取作用于結(jié)構(gòu)表面的 風(fēng)速?目息；
[0032]結(jié)構(gòu)太陽輻射強度分析模塊，用于根據(jù)結(jié)構(gòu)所在位置，確定作用于結(jié)構(gòu)外表面的 直接輻射強度、散射強度和反射強度；
[0033] 結(jié)構(gòu)溫度邊界條件分析模塊，用于根據(jù)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)以及作用于結(jié)構(gòu)的表面的 直接輻射強度、散射強度和反射強度信息，建立適用于結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析的熱邊界條件；
[0034] 結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析評定模塊，用于根據(jù)已經(jīng)建立的結(jié)構(gòu)表面太陽輻射強 度以及熱邊界條件，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)任意位置的溫度場分布及溫度效應(yīng)。
[0035]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：
[0036] 一、本發(fā)明提出的土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射模型具有物理概念清晰、分析快速有效 的的優(yōu)點。該太陽輻射模型具有很好的適用性，適用于各種不同土木工程結(jié)構(gòu)在太陽輻射 作用下的結(jié)構(gòu)時變溫度場和溫度效應(yīng)的分析計算。
[0037] 二、傳統(tǒng)的基于天文學(xué)的太陽輻射模型往往適用于很大尺度的大氣、地表等對象。 而對于幾何尺度只有數(shù)十米數(shù)百米的土木工程結(jié)構(gòu)而言，傳統(tǒng)模型和方法不能充分考慮周 邊樹木、建筑物、交通工具等小型物體的遮蔽干擾效應(yīng)對輻射強度的影響。而本發(fā)明提出的 新模型具有很好的適用性，可以充分考慮工程結(jié)構(gòu)的周邊環(huán)境干擾，具有很好的分析精度。 可以有效地克服傳統(tǒng)模型方法分析誤差大的明顯不足。
[0038] 三、由現(xiàn)有的模型和方法所得的輻射強度峰值在中午12點，響應(yīng)計算所得的結(jié)構(gòu) 表面峰值溫度時間約為下午13:30至14:00之間。而實測結(jié)果則表明結(jié)構(gòu)表面的溫度峰值往 往要延后1~2個小時。顯然，傳統(tǒng)天文學(xué)模型方法直接使用于土木工程結(jié)構(gòu)存在明顯不足。 而本發(fā)明提出的修正模型可以準(zhǔn)確的分析出結(jié)構(gòu)的峰值溫度所在時刻，與實測結(jié)果吻合很 好，克服了目前方法的一個明顯不足。
[0039] 四、現(xiàn)有的模型方法分析所得工程結(jié)構(gòu)溫度升溫過程和降溫過程均與實測結(jié)果存 在明顯差異。而采用本發(fā)明提出的方法，可以改進(jìn)不正確的升溫過程和降溫過程，實現(xiàn)土木 工程結(jié)構(gòu)動態(tài)溫度變化的準(zhǔn)確分析和評估，克服了目前方法的一個明顯不足。
【附圖說明】
[0040] 下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：
[0041 ]圖1為本發(fā)明的一種土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析方法的流程示意圖； [0042]圖2為太陽輻射效應(yīng)示意圖；
[0043] 圖3為大型土木橋梁結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖4為橋梁鋼箱梁截面示意圖；
[0045] 圖5為鋼混組合橋面板示意圖；
[0046]圖6為鋼混組合橋面板不意圖構(gòu)成圖；
[0047]圖7為橋面板混凝土面層與鋼板結(jié)合部示意圖；
[0048] 圖8為夏季時作用于橋面板上的太陽輻射強度；
[0049] 圖9為夏季時測點1和測點2的橋面板表面溫度結(jié)果；
[0050] 圖10為夏季時測點3和測點4的橋面板表面溫度結(jié)果；
[0051] 圖11為夏季時測點5和測點6的橋面板表面溫度結(jié)果；
[0052] 圖12為夏季時測點3處的豎向溫度梯度結(jié)果；
[0053] 圖13為冬季時作用于橋面板上的太陽輻射強度；
[0054] 圖14為冬季時測點1、測點2和測點3的橋面板表面溫度結(jié)果；
[0055] 圖15為冬季時測點3處的豎向溫度梯度結(jié)果；
[0056]圖16為一種土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0057] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限 定本發(fā)明。
[0058] 本實施首先確定結(jié)構(gòu)所在位置的地理經(jīng)度和煒度。進(jìn)一步的采用傳感裝置測量結(jié) 構(gòu)所在地的環(huán)境空氣溫度和表面風(fēng)速。基于所提出的結(jié)構(gòu)太陽輻射模型確定結(jié)構(gòu)的直接輻 射強度、散射強度和反射強度。依據(jù)分析所得作用于土木結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射強度，建立溫 度邊界條件，采用有限元方法求解結(jié)構(gòu)的三維熱傳導(dǎo)方程即可確定土木工程結(jié)構(gòu)表面及其 內(nèi)部任何一點的動態(tài)溫度效應(yīng)。本實施例中的太陽輻射溫度效應(yīng)分析方法解決了傳統(tǒng)方法 識別精度不高、峰值溫度時刻存在差異、結(jié)構(gòu)升溫和降溫過程與實際不吻合的缺陷。
[0059]具體而言通過以下步驟建立土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析方法：
[0060]步驟一:建立結(jié)構(gòu)表面的太陽直射輻射強度
[0061] 由于大氣的作用，土木結(jié)構(gòu)表面所受到的總太陽輻射強度I由三部分組成：（1)來 自太陽的方向不變的光束輻射或稱太陽直接輻射Ιι; (2)來自天空的、由于大氣的反射和散 射而方向發(fā)生變化的那部分太陽輻射所形成的太陽散射輻射12;(3)太陽輻射到達(dá)地面后 反射到結(jié)構(gòu)表面的地面反射輻射1 3。
[0062] I = Ii+l2+l3
[0063] 對需要研究結(jié)構(gòu)輻射溫度效應(yīng)的某一天而言，確定其自1月1日起算的日序數(shù)η。
[0064] 太陽垂直照射下，土木結(jié)構(gòu)外表面的太陽直接輻射1:可表示為：
[0065] Ii = ScCa
[0066] 式中：計算溫度效應(yīng)的某一天(即從1月1日起算的第η天)的太陽常數(shù)Sc可表示為：
[0068] 結(jié)構(gòu)所在地的大氣透明度系數(shù)匕可表示為：
[0069] Ca=03AC^
[0070] 其中：pa為該天的大氣相對氣壓;ma為大氣光學(xué)質(zhì)量。渾池系數(shù)C。隨大氣狀況和季 節(jié)變化，它可由經(jīng)驗公式計算：
[0072] 式中：^和!〇2為地形地貌參數(shù)，其取值可依據(jù)不同地貌選取。
[0073] 太陽光線通過大氣層的路徑長度是表征太陽輻射被大氣衰減程度的重要參數(shù)。通 常計量光程并不用實際長度而是用的大氣光學(xué)質(zhì)量叫表示。大氣光學(xué)質(zhì)量與太陽高度角Φ 相關(guān)：
[0075] 太陽光線通過大氣層的路徑長度是表征太陽輻射被大氣衰減程度的重要參數(shù)。若 太陽光線與結(jié)構(gòu)表面的傾角為Θ時，直接太陽輻射強度可表示為：
[0076] Il = ScCaCOS0
[0077] 步驟二:建立結(jié)構(gòu)表面的太陽散射輻射強度
[0078] 試驗觀測表明：天空散射大致均勻地投射到地球表面，因此結(jié)構(gòu)表面所受到天空 散射與表面方位角無關(guān)，只與表面傾角有關(guān)。水平面上的散射強度可表示為：
[0080]式中：
[0081 ] P = {).9p<
[0082]在傾角為邱勺斜面上的散射太陽輻射可表示為：
[0084] 步驟三:建立結(jié)構(gòu)表面的太陽反射輻射強度
[0085] 太陽福射(包括直接福射和散射)投射到地表后，將有一部分被地表反射，即地表 短波反射，投射到結(jié)構(gòu)表面的反射輻射強度可表示為
[0086] I3 = Cr(Ii+I2)
[0087] 式中：Cr為地表短波反射率系數(shù)。在傾角為β的斜面上的反射太陽輻射強度可表示 為：
[0089] 步驟四：建立結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射強度因子
[0090] 天空之太陽的具體位置可由太陽高度角Φ和方位角丫5確定，如圖2所示。太陽高度 角Φ和方位角ys與時角ω、太陽赤煒δ以及結(jié)構(gòu)所在地的煒度ε是有關(guān)系的，太陽高度角φ可 按下列關(guān)系式進(jìn)行計算：
[0092] 則日出太陽時t和日沒太陽時t2可分別表示為：

[0095] -天中結(jié)構(gòu)表面承受太陽輻射的時間長度可計算得到：
[0096] ts = t2-ti
[0097] 天文學(xué)上發(fā)生峰值太陽輻射強度的時刻to為：
[0099]上式所表示的結(jié)構(gòu)表面的太陽峰值輻射強度時基于傳統(tǒng)天文學(xué)模型得到的。對于 實際土木工程結(jié)構(gòu)而言，在很多情況下并不能與實際結(jié)構(gòu)所受到的太陽輻射強度相吻合， 這主要是由于天空中零散云層、結(jié)構(gòu)地貌、樹木、建筑物車輛等的影響。事實上，結(jié)構(gòu)表面受 到最大強度的太陽輻射的時刻U某些時候并不和上式結(jié)果一致。時刻U有可能比時刻to稍 微滯后。此外，由于前述自然環(huán)境的影響，作用于土木工程結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射強度在上午 和下午并不相等，這與傳統(tǒng)天文學(xué)的模型是不一致的。因此有必要建立適用于土木結(jié)構(gòu)的 太陽輻射模型。在上午時刻，太陽輻射強度因子可表達(dá)為：
[0101] 上午的時間系數(shù)〖以可表示為：
[0102] tki = t2-ti+2 (tm-to)
[0103] 在下午時刻，太陽輻射強度因子可表達(dá)為：
[0105] 下午的時間系數(shù)tk2可表示為：
[0106] tk2 = 2(t2-tm)
[0107] 式中：t表示太陽輻射時刻;a和b為兩個正的模型修正系數(shù)，其數(shù)值可根據(jù)實際情 況選取。
[0108] 因此，一天中的第i時刻，作用于土木結(jié)構(gòu)的太陽輻射強度可表示為：
[0109] if (??先.）
[011 0]步驟五:建立針對土木工程結(jié)構(gòu)的太陽輻射模型
[0111]傳統(tǒng)的天文學(xué)太陽福射模型中，構(gòu)件表面在一天中接收的太陽福射強度總和為：
[0113]新太陽輻射模型，構(gòu)件表面在一天中收到的太陽輻射強度總和為：
[0115]兩者的太陽輻射強度誤差為：
[0117] 采用修正因子后，可對模型的太陽輻射總量進(jìn)行修正，這樣可以保證一天中的總 太陽輻射量保持不變。結(jié)構(gòu)太陽輻射模型的總強度可表示為：
[0118] Icivil = Im. (l-Se〇)
[0119] 步驟六:土木工程結(jié)構(gòu)的太陽福射效應(yīng)分析計算
[0120] 土木結(jié)構(gòu)混凝土屋面結(jié)構(gòu)體系時變溫度場與結(jié)構(gòu)所處的地理位置及其方位、太陽 輻射強度、大氣溫度和風(fēng)速以及結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境等眾多因素相關(guān)。結(jié)構(gòu)外邊界主要是通 過對流和輻射與周圍環(huán)境進(jìn)行熱能傳遞和交換。輻射作用根據(jù)波的長短不同，可以分為長 波輻射和短波輻射。短波輻射即為太陽輻射，長波輻射主要是熱輻射，盡管長波輻射強度比 短波輻射小得多，但在夜間結(jié)構(gòu)外邊界與周圍環(huán)境的熱交換主要是熱輻射。土木結(jié)構(gòu)外表 面和大氣環(huán)境之間的能量交換率U可表示為：
[0121] U = Ui+U2+U3
[0122] 式中:山為對流換熱能量輸入;1]2為長波輻射能量輸入;U3為日照輻射能量輸入。
[0123] 結(jié)構(gòu)表面由太陽射線獲得的熱量(即短波輻射)U3可以表示為：
[0124] U3 = alcivil
[0125] 式中：α(0〈α〈1)α為結(jié)構(gòu)表面輻射吸收系數(shù)，對于一般未加處理的混凝土表面取 0.5或0.65，瀝青鋪裝層表面可取0.85或0.9。
[0126] 對流熱交換ΙΛ依賴于空氣流動速度和邊界條件，按牛頓對流定律可表示為：
[0127] Ui = ei(Ta-Ts)
[0128] 式中：ei為對流熱交換系數(shù);Ts為土木結(jié)構(gòu)表面溫度;1為實測的環(huán)境空氣溫度。對 流熱交換系數(shù)通常由試驗公式計算：
[0129] ei = 4.0v+5.8
[0130] 式中：v為實測的結(jié)構(gòu)表面風(fēng)速。
[0131] 土木結(jié)構(gòu)表面和大氣環(huán)境之間以長波的輻射形式產(chǎn)生的熱交換U2可按Stefan-Boltzman定律表示為：
[0132] U2 = e2(Ta-Ts)
[0133] 式中：e2為輻射換熱系數(shù)：
[0134] e2 = es · [4.8+0.075(Ta_5)]
[0135] 式中：es為材料表面發(fā)射系數(shù)。綜合前述結(jié)果，土木工程結(jié)構(gòu)和大氣環(huán)境之間的能 量交換率U可表不為：
[0136] U = e(Ta-Ts)+aIcivil
[0137] 式中等效熱交換系數(shù)e可表示為：
[0138] e = ec+er
[0139] 由此前式可轉(zhuǎn)換為下式：
[0141] 上式給出了土木工程結(jié)構(gòu)等效溫度邊界條件的一種簡化表達(dá)，即結(jié)構(gòu)表面的熱傳 遞過程可表示為結(jié)構(gòu)表面溫度Ts和等效溫度f之間的熱對流過程。
[0142] U = e(T*-Ts)
[0144]等效溫度包含空氣溫度和太陽輻射的影響，這樣對流換熱、和太陽輻射就可以 統(tǒng)一用熱邊界條件的形式引入到溫度場計算中。
[0145] 土木工程結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)問題屬于三維熱傳導(dǎo)問題，可基于熱力學(xué)三維熱傳導(dǎo)方 程采用有限元方法進(jìn)行求解。依據(jù)Fourier熱傳導(dǎo)理論，結(jié)構(gòu)的三維熱傳導(dǎo)方程為：
[0147] 式中：T為結(jié)構(gòu)某點的溫度;kx，ky和kz為三個正交方向的材料導(dǎo)熱系數(shù);P為材料密 度;c為材料比熱。通過求解上式并考慮熱邊界條件，即可確定工程結(jié)構(gòu)的太陽輻射溫度效 應(yīng)。通過上述一系列步驟，即可實現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)在太陽輻射溫度效應(yīng)的分析和評估。
[0148] 下面以幾個具體案例來說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剛度損傷監(jiān)測方法及系統(tǒng)的有效性。本 案例考察某橋梁結(jié)構(gòu)橋面板的太陽輻射溫度效應(yīng)分析過程和分析計算效果。
[0149] 圖3為某大型橋梁結(jié)構(gòu)的示意圖，該橋梁位于我國南方沿海地區(qū)，屬于南回歸線以 南地區(qū)。以該結(jié)構(gòu)為對象，描述了結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析方法及系統(tǒng)的實施過程。該橋 梁主跨1000多米，兩側(cè)有兩個邊跨。這類大跨度橋梁通常采用鋼箱梁截面，圖4給出了鋼箱 梁的橫截面示意圖。由圖中結(jié)果可知該鋼箱梁由多個鋼框架和鋼支撐所組成。在上下橋面 上均鋪有橋面板以實現(xiàn)車輛通行。
[0150] 圖5、圖6和圖7給出了橋面板的示意圖。橋面板由帶有U肋的鋼板所組成，鋼板上部 鋪裝有38mm的瀝青混凝土面層。鋼板厚度為14mm，U肋厚度為10mm。表2給出了橋面板各組成 部分的材料特性參數(shù)。為了考察本發(fā)明的實施效果，在該橋鋼箱梁截斷上選取了 6個測點， 分析了實測溫度場與分析計算溫度場的差異，同時重點考察了橋面板的豎向溫度梯度的變 化特點和規(guī)律。其中測點1至4為上表面橋面板的溫度測點，測點5為下表面橋面板測點，測 點6為鋼箱梁側(cè)表面維護(hù)板的測點。
[0151] 表1
[0154] 圖8給出了本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)輻射模型與傳統(tǒng)天文輻射模型所獲得橋面板表面的 太陽輻射強度結(jié)果比較，結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)考慮為夏季，具體時間為7月1日。由圖8結(jié)果可知:傳 統(tǒng)天文學(xué)輻射模型所得到的輻射強度在上下午是等均勻分布，其輻射強度峰值為中午12 時。而結(jié)構(gòu)輻射模型通過修正因子的調(diào)整，其輻射強度上下午略有不同，輻射強度峰值出現(xiàn) 在約13點。
[0155] 圖9和圖10給出了橋梁截斷上部橋面板的四個測點的時變溫度分析結(jié)果與實測結(jié) 果的對比。由圖中結(jié)果可知，實測的橋面板表面的峰值溫度出現(xiàn)在約下午16點。實測結(jié)果是 在16點之前一直處于升溫，然后熱能輸入與輸出達(dá)到平衡，溫度達(dá)到峰值。隨后熱能輸入大 于輸出，因此橋面板表面溫度開始逐漸下降。而基于傳統(tǒng)天文學(xué)輻射模型的分析結(jié)果表明， 其峰值溫度出現(xiàn)在約下午14點，與實測結(jié)果相差了 2個小時。而且分析的升溫過程和降溫過 程與實測結(jié)果也存在較大差異。而基于傳統(tǒng)天文學(xué)輻射模型的結(jié)果卻是在14點之前既已完 成升溫過程，然后即開始降溫，這與實測結(jié)果明顯不符。而采用本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)輻射模 型，可以準(zhǔn)確的描述一天之中結(jié)構(gòu)的時變溫度變化，峰值溫度時刻以及升溫降溫過程均與 實測結(jié)果吻合。
[0156] 圖11給出了測點5和測點6的分析結(jié)果與實測結(jié)果的比較。由圖中結(jié)果可知，采用 結(jié)構(gòu)輻射模型得到的下部橋面板以及外圍護(hù)板時變溫度場與實測結(jié)果吻合較好。圖12給出 了測點3的所在位置的鋼板與瀝青混凝土鋪裝層的豎向溫度梯度分析結(jié)果。結(jié)果表明：由于 瀝青混凝土面層的安裝，有效地阻擋了由于太陽輻射引起的結(jié)構(gòu)豎向熱能的傳遞，鋪裝層 上下表面存在明顯的溫度差，溫度差可達(dá)12度左右。而鋼板由于導(dǎo)熱系數(shù)大，因此其上下表 面的溫差很小。
[0157] 前述給出了橋面板在夏天高溫強輻射下的時變溫度場的變化情況。為了驗證本發(fā) 明所提出分析模型和方法的有效性，在此還研究了溫度最低的冬季時的結(jié)構(gòu)動態(tài)溫度場的 狀況。圖13給出了結(jié)構(gòu)輻射模型與傳統(tǒng)天文輻射模型所獲得橋面板表面的太陽輻射強度結(jié) 果比較，結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)考慮為冬季，具體時間為1月1日。冬季的太陽輻射強度對比結(jié)果與圖 8顯示的夏季的結(jié)論類似。由圖13結(jié)果可知:傳統(tǒng)天文學(xué)輻射模型所得到的輻射強度在上下 午是等均勻分布，其輻射強度峰值為中午12時。而結(jié)構(gòu)輻射模型通過修正因子的調(diào)整，其輻 射強度上下午略有不同，輻射強度峰值出現(xiàn)在約13點。
[0158] 圖14給出了在冬季的測點1、2和3的時變溫度分析結(jié)果與實測結(jié)果的對比。顯然與 夏季的結(jié)果類似，采用結(jié)構(gòu)輻射模型的時變溫度場與實測結(jié)果吻合很好，可以準(zhǔn)確的描述 一天之中結(jié)構(gòu)的時變溫度變化，峰值溫度時刻以及升溫降溫過程均與實測結(jié)果吻合。而采 用傳統(tǒng)天文學(xué)輻射模型所得結(jié)果無論在峰值溫度時刻還是升溫降溫全過程均與實測存在 一定差異。
[0159] 圖15給出了冬季時測點3所在位置的鋼板與瀝青混凝土鋪裝層的豎向溫度梯度分 析結(jié)果。結(jié)果表明：瀝青混凝土面層有效的阻擋了由于太陽輻射引起的結(jié)構(gòu)豎向熱能的傳 遞。鋪裝層上下表面存在明顯的溫度差，冬季時溫度差可達(dá)7度左右。而鋼板的上下表面的 溫差很小。
[0160] 本發(fā)明的一種新的土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射效應(yīng)分析系統(tǒng)中各個模塊其具體功能 的實現(xiàn)可采用上述的方法。
[0161] 如圖16所示，一種土木工程結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析系統(tǒng)，包括：
[0162] 結(jié)構(gòu)環(huán)境溫度監(jiān)測模塊，用于通過傳感裝置測量結(jié)構(gòu)的環(huán)境空氣溫度和表面風(fēng) 速；
[0163] 結(jié)構(gòu)環(huán)境風(fēng)速監(jiān)測模塊，用于實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)周邊的風(fēng)速，獲取作用于結(jié)構(gòu)表面的 風(fēng)速?目息；
[0164] 結(jié)構(gòu)太陽輻射強度分析模塊，用于根據(jù)結(jié)構(gòu)所在位置，確定作用于結(jié)構(gòu)外表面的 直接輻射強度、散射強度和反射強度；
[0165] 結(jié)構(gòu)溫度邊界條件分析模塊，用于根據(jù)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)以及作用于結(jié)構(gòu)的表面的 直接輻射強度、散射強度和反射強度信息，建立適用于結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析的熱邊界條件；
[0166] 結(jié)構(gòu)太陽輻射溫度效應(yīng)分析評定模塊，用于根據(jù)已經(jīng)建立的結(jié)構(gòu)表面太陽輻射強 度以及熱邊界條件，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)任意位置的溫度場分布及溫度效應(yīng)。
[0167]應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換， 而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種±木工程結(jié)構(gòu)太陽福射溫度效應(yīng)分析方法，其特征在于，包括W下步驟： 1) 通過傳感裝置測量結(jié)構(gòu)的環(huán)境空氣溫度和表面風(fēng)速，所述環(huán)境空氣溫度和表面風(fēng)速 信息用于計算換熱系數(shù)； 2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)所在位置的地理經(jīng)度和締度，計算結(jié)構(gòu)所在位置一天中任何時刻的太陽高 度角;然后采用結(jié)構(gòu)太陽福射模型計算確定作用于結(jié)構(gòu)表面的太陽福射強度，具體如下： 2.1) 設(shè)一天中的第i時刻，作用于±木結(jié)構(gòu)的太陽福射強度為：其中：ts為一天中結(jié)構(gòu)表面承受太陽福射的時間；tkl為上午時間系數(shù);tk2為下午時間系 數(shù);tl和t2分別為日出太陽時刻和日落太陽時刻;U為結(jié)構(gòu)表面受到最大強度的太陽福射的 時刻;t表示太陽福射時刻;a和b為福射模型的系數(shù)； 2.2) 確定作用于±木結(jié)構(gòu)的太陽福射強度rivii: rivil=r. (1-SeO) SeO為兩種結(jié)果的太陽福射強度誤差：其中：Si為采用傳統(tǒng)太陽福射模型所得的結(jié)構(gòu)表面在一天中受到的太陽福射強度總和； Sim為基于修正的結(jié)構(gòu)太陽福射模型所得的結(jié)構(gòu)表面在一天中受到的太陽福射強度總和；其中：Ii為第i時刻±木結(jié)構(gòu)表面所受到的總太陽福射強度;Si為第i時刻太陽福射強度 因子;tl和t2分別為日出太陽時和日沒太陽時； 3) 根據(jù)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)W及作用于結(jié)構(gòu)的表面的直接福射強度、散射強度和反射強度 等信息，建立適用于結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析的動態(tài)溫度邊界條件； 4) 根據(jù)已經(jīng)建立的結(jié)構(gòu)表面太陽福射強度W及熱邊界條件，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)任意位置的溫 度場分布及溫度效應(yīng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的±木工程結(jié)構(gòu)太陽福射溫度效應(yīng)分析方法，其特征在于，所述 結(jié)構(gòu)動態(tài)溫度邊界條件為：式中：U為結(jié)構(gòu)外表面和大氣環(huán)境之間的能量交換率;e為等效熱交換系數(shù);為等效溫 度;了3為±木結(jié)構(gòu)表面溫度;Ta為實測的環(huán)境空氣溫度;α為結(jié)構(gòu)表面福射吸收系數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的±木工程結(jié)構(gòu)太陽福射溫度效應(yīng)分析方法，其特征在于，所述 結(jié)構(gòu)內(nèi)任意位置的溫度場分布及溫度效應(yīng)通過求解結(jié)構(gòu)的Ξ維熱傳導(dǎo)方程確定。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的±木工程結(jié)構(gòu)太陽福射溫度效應(yīng)分析方法，其特征在于，所述 步驟2.2)中Si是基于傳統(tǒng)天文學(xué)福射模型，確定結(jié)構(gòu)表面的太陽直射福射強度、反射福射 強度和散射福射強度，然后獲得結(jié)構(gòu)的總福射強度。5. -種±木工程結(jié)構(gòu)太陽福射溫度效應(yīng)分析系統(tǒng)，其特征在于，包括： 結(jié)構(gòu)環(huán)境溫度監(jiān)測模塊，用于通過傳感裝置測量結(jié)構(gòu)的環(huán)境空氣溫度和表面風(fēng)速； 結(jié)構(gòu)環(huán)境風(fēng)速監(jiān)測模塊，用于實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)周邊的風(fēng)速，獲取作用于結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)速 ?目息； 結(jié)構(gòu)太陽福射強度分析模塊，用于根據(jù)結(jié)構(gòu)所在位置，確定作用于結(jié)構(gòu)外表面的直接 福射強度、散射強度和反射強度； 結(jié)構(gòu)溫度邊界條件分析模塊，用于根據(jù)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)W及作用于結(jié)構(gòu)的表面的直接 福射強度、散射強度和反射強度信息，建立適用于結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析的熱邊界條件； 結(jié)構(gòu)太陽福射溫度效應(yīng)分析評定模塊，用于根據(jù)已經(jīng)建立的結(jié)構(gòu)表面太陽福射強度W 及熱邊界條件，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)任意位置的溫度場分布及溫度效應(yīng)。
【文檔編號】G01M99/00GK106092628SQ201610402627
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】陳波, 郅倫海, 李冬明
【申請人】武漢理工大學(xué)