本發(fā)明屬于橋梁仿真，具體涉及一種索塔爬模施工溫度場模擬仿真方法。

背景技術(shù)：

1、斜拉橋索塔是通過拉索對主梁起到彈性支撐的重要構(gòu)件，因長期遭受自身重力、索力、彎矩而處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，并且由于暴露在環(huán)境中，時(shí)常會遭受由于溫度變化、風(fēng)速變化、日照條件變化等造成的荷載作用，由于混凝土結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能差，這些環(huán)境因素變化往往會使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，在約束和變形的影響下往往會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生裂縫，一旦出現(xiàn)裂縫，橋梁的安全性和耐久性就會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2、索塔的承臺、塔座以及索塔塔柱都屬于大體積混凝土施工，由于當(dāng)代水泥普遍細(xì)度較低，水化熱偏高，水化放熱速率較快，混凝土內(nèi)部短期內(nèi)水化放熱多，而大體積混凝土散熱更加困難，熱量聚集不易釋放，造成大體積混凝土內(nèi)部溫度過高，水化熱在混凝土內(nèi)部聚集，形成很大的內(nèi)外溫升及溫差，進(jìn)而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力引起大體積混凝土裂縫。索塔塔柱施工的問題則更加復(fù)雜，因?yàn)樗魉诤穸纫话愦笥?.5m，也屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，由于塔柱鋼筋布置密集，在高空作業(yè)時(shí)振搗的難度更大，這就要求澆筑的混凝土具有更好的流動性能和自密實(shí)能力，因此塔柱混凝土中使用的凝膠材料要更多，進(jìn)一步加劇了混凝土的水化熱釋放，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)溫升、內(nèi)外溫差進(jìn)一步加大，溫度開裂風(fēng)險(xiǎn)更加突出，從而產(chǎn)生開裂。

3、索塔在爬模施工過程中溫度場變化主要取決于混凝土水化放熱和與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換兩個因素，為了更準(zhǔn)確地模擬出混凝土水化放熱以及索塔的熱邊界條件，結(jié)合實(shí)際工程資料確定實(shí)際混凝土溫升曲線，采用cfd方法計(jì)算出不同高度索塔表面實(shí)際的風(fēng)速分布，得出熱邊界層厚度對應(yīng)的風(fēng)速和對流系數(shù)，根據(jù)經(jīng)緯度、日序數(shù)等調(diào)整日照輻射是尤為必要的。

4、同時(shí)，為了考慮不同爬模施工段見也會由于溫度分布不同而對相互的溫度場產(chǎn)生影響，將索塔實(shí)際施工工況和施工進(jìn)程與混凝土溫度場分析相結(jié)合?，F(xiàn)有索塔溫度場分析方法大多是對靜態(tài)的某一節(jié)段混凝土進(jìn)行耦合分析，或是不考慮環(huán)境因素只在重力荷載的作用下計(jì)算出索塔爬模施工進(jìn)程中的應(yīng)力分布，很難得到實(shí)際施工澆筑過程中索塔溫度場分布。

5、為了實(shí)現(xiàn)對索塔爬模施工全過程中的溫度場模擬，采用綜合考慮水泥水化、日照輻射、對流換熱和施工進(jìn)程的索塔溫度場數(shù)值模擬方法是非常重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種索塔爬模施工溫度場模擬仿真方法，綜合考慮施工進(jìn)程、水化放熱和復(fù)雜熱邊界條件，解決現(xiàn)有分析方法無法得出索塔施工過程中準(zhǔn)確溫度場的問題。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種索塔爬模施工溫度場模擬仿真方法，所述方法的步驟為：

4、s1、根據(jù)混凝土材料屬性與工程資料，確定索塔混凝土的熱工參數(shù)，結(jié)合規(guī)范《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》確定索塔混凝土的水化絕熱溫升曲線，建立混凝土傳熱與水泥水化放熱模型；

5、s2、根據(jù)施工所處地的氣象條件，包括風(fēng)速和環(huán)境溫度分布，得到索塔表面的風(fēng)速分布，確定索塔表面對流換熱系數(shù)邊界條件；

6、s3、根據(jù)施工所處地區(qū)的經(jīng)緯度、計(jì)算時(shí)刻的日序數(shù)及溫度，計(jì)算出包括太陽直接輻射、散射輻射、大氣逆輻射的太陽輻射強(qiáng)度，確定日照輻射邊界條件；

7、s4、根據(jù)爬模施工劃分的爬模施工段，對索塔溫度場進(jìn)行多個工況劃分；

8、s5、利用abaqus軟件對索塔爬模施工的每個工況進(jìn)行復(fù)雜溫度邊界條件以及混凝土水化作用下的溫度場有限元分析。

9、而且，所述s1中混凝土的熱工參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)k，比熱c，所述熱工參數(shù)作為有限元分析的材料屬性輸入，所述水化絕熱溫升曲線方程為：

10、

11、其中：t(t)混凝土齡期為t時(shí)的絕熱溫升，w每立方米混凝土的膠凝材料用量，c為混凝土比熱容，ρ為混凝土質(zhì)量密度，t為混凝土齡期，m為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

12、而且，所述s2根據(jù)施工所處地得到對應(yīng)的溫度日變化為：

13、

14、其中：為日平均氣溫，為氣溫日變幅；tamax，tamin分別為日最高氣溫和日最低氣溫；t0為用來表示最高氣溫和最低氣溫出現(xiàn)的時(shí)間參數(shù)；

15、對于不同高度處的風(fēng)速，根據(jù)規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，實(shí)際高度與標(biāo)準(zhǔn)高度風(fēng)速的關(guān)系為：

16、

17、其中：z為實(shí)際高度，v為實(shí)際高度處風(fēng)速，vz為標(biāo)準(zhǔn)高度處風(fēng)速，a為底面粗糙指數(shù)；

18、為得到索塔表面準(zhǔn)確的風(fēng)速分布，基于cfd方法計(jì)算表面風(fēng)場，建立建立cfd數(shù)值模型，求解空氣與混凝土壁面在熱量交換過程的質(zhì)量、動量和能量守恒方程為：

19、

20、其中：ρ為空氣密度，u與v為全局坐標(biāo)中的速度矢量，μ為空氣粘性系數(shù)，sx與sy為施加在流體顆粒上的外力，t代表溫度，k與cp為材料的熱擴(kuò)散率和比熱容；

21、根據(jù)cfd模擬，以獲得均勻流風(fēng)速下索塔外表面周圍的局部風(fēng)場，計(jì)算出索塔表面風(fēng)速v，然后得出索塔表面對流換熱系數(shù)：

22、

23、其中：δt表示結(jié)構(gòu)表面與周圍空氣的溫度差，v表示索塔表面的風(fēng)速。

24、而且，所述s3中，太陽常數(shù)表示為在大氣層上界垂直于太陽輻射表面的太陽輻射強(qiáng)度，用i0表示，按以下公式取值：

25、

26、其中：d為當(dāng)日在一年中的日期序號，自當(dāng)年元旦日算起，d＝81；

27、太陽光線與地平面的夾角稱為太陽高度角，太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角稱為太陽方位角，太陽方位角以正南方向?yàn)榱悖赡舷驏|向北為負(fù)，由南向西向北為正；

28、計(jì)算太陽輻射量，首先必須確定出在不同季節(jié)、不同時(shí)刻該地區(qū)的太陽方位角ψs和高度角hs，用下式計(jì)算：

29、sinhhs＝sinφsinδ+cosδsinφcosω

30、

31、其中：δ表示太陽赤緯，φ表示該地區(qū)的緯度，用ω表示時(shí)角，正午時(shí)角為0，午前為負(fù)，午后為正，每小時(shí)變化15°，即ω＝15；

32、太陽赤緯是與季節(jié)有關(guān)的參數(shù)，若以一年時(shí)間為周期，夏至日太陽赤緯為+23.5°，春分日、秋分日太陽赤緯為零，用cooper方程進(jìn)行近似計(jì)算一年中不斷變化的太陽赤緯δ，即

33、

34、d為當(dāng)日在一年中的日期序號，自當(dāng)年元旦日算起；

35、太陽輻射包括太陽的直接輻射和散射輻射兩種，計(jì)算與太陽光線垂直的太陽輻射強(qiáng)度im時(shí)，太陽直接輻射計(jì)算公式如下：

36、

37、其中：為太陽直射總的透射系數(shù)；qam為太陽直射在水蒸汽、氧氣、氣溶膠和臭氧中的吸收系數(shù)；qσm為太陽直射在純大氣層分子中的散射系數(shù)；qδm為太陽直射在氣溶膠中的散射系數(shù)，

38、用以下公式計(jì)算直接投射到傾斜表面上的太陽直接輻射強(qiáng)度ia：

39、ia＝imcosi

40、其中：α為斜面的傾角，m為光線路程，i為太陽光線在斜面上的投射角，它是太陽輻射光線與斜面外法線之間的夾角；

41、

42、其中：為所在地的地理緯度，ω為時(shí)角，ω＝15t，t為當(dāng)?shù)靥枙r(shí)，正午太陽過子午圈時(shí)為零時(shí)，下午為正，上午為負(fù)；ψn斜面法線的方位角，以正南方向?yàn)榱?，向西為正，向東為負(fù)；δ為太陽緯度，hs為太陽角高度；

43、晴天水平面的太陽散射輻射強(qiáng)度可用貝爾格拉(berlage)公式計(jì)算：

44、

45、結(jié)構(gòu)物任意壁面上的散射輻射強(qiáng)度為：

46、

47、也可采用簡化公式：

48、

49、其中：i0為太陽常數(shù)，hs為太陽角高度，p2為大氣透明度，ln為自然對數(shù)。

50、而且，邊界換熱條件包括環(huán)境風(fēng)速與溫度下的對流換熱以及日照輻射，溫度有三類邊界條件：第一類邊界條件為物體邊界上的溫度函數(shù)是己知的；第二類邊界條件為物體邊界上的熱流密度q(w/m2)已知；第三類邊界條件是指與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)h為己知，對流換熱與日照輻射為第三類邊界條件，用公式表示為：

51、

52、其中：h為對流換熱系數(shù)；t為固體溫度；tf為固體周圍流體的溫度。

53、而且，所述s6中利用有限元分析軟件abaqus的生死單元實(shí)現(xiàn)對應(yīng)工況的依次澆筑，結(jié)合子程序?qū)Σ煌瑫r(shí)間段澆筑的塔柱混凝土施加對應(yīng)工況時(shí)間的混凝土水化放熱和熱邊界條件。

54、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：

55、1、本發(fā)明考慮現(xiàn)有索塔施工溫度場數(shù)值模擬方法考慮因素的不足，考慮索塔分層澆筑過程中的混凝土水化放熱，索塔在施工過程中環(huán)境因素造成的對流換熱與日照輻射，并且設(shè)立了對應(yīng)工況來考慮實(shí)際施工進(jìn)程的影響，提供一種綜合考慮了施工進(jìn)程、水化放熱和復(fù)雜熱邊界條件的索塔施工過程中的溫度場數(shù)值模擬方法，解決了現(xiàn)有分析方法由于忽略了施工進(jìn)程和環(huán)境因素的綜合影響，而無法得出索塔施工過程中準(zhǔn)確溫度場的問題，能夠真實(shí)反映索塔結(jié)構(gòu)在施工過程中的溫度場分布。

56、2、本發(fā)明能確定包括風(fēng)速、太陽輻射、環(huán)境溫度等多種環(huán)境因素影響下索塔施工過程中的復(fù)雜邊界條件，計(jì)算考慮施工過程、復(fù)雜溫度邊界以及水化熱作用下的索塔溫度場，分析施工過程中索塔溫度分布規(guī)律，對類似施工過程有指導(dǎo)意義。