太阳辐射作用下钢管混凝土截面温度分布研究

太阳辐射作用下钢管混凝土截面温度分布研究 论 文 学 位 目 态田揎挝佳题王翅筻遑猛?截面漫廑佥查硒究英文?? 一? 题 目 研究生姓名 胡鹏趱 学位 谴? 职称副塾援. . 姓名.焦鲞匿 指导老师 邮编 塑 单位名称?丕王程皇建篡堂瞳 学科专业名称 结捡王程 申请学位级别 王堂亟? 论文答辩日期 论文提交日期 生?旦. 授予日期 学位授予单 答辩委员会 年月独创性声明 本人声明,所呈的论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知,除了文中加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 签名:翅亟遂整日期:盖丛蔓日呈因 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权 保留、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部 或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后应遵守此规定 日期: ‘中文摘要 钢管混凝土大量应用在土木结构中,特别是在桥梁中得到了广泛应用。 然而目前国内较多研究的是钢管混凝土结构耐高温性能,而太阳辐射作用下的 结构性能研究较少。钢管混凝土拱桥的拱肋在太阳辐射作用下的温度效应对 整 个桥梁影响较大,因此有必要研究钢管混凝土截面的温度分布特征及其温度 效 应。 首先简述了太阳辐射的基本特点,总结了太阳辐射的计算和传热学的 基本理论,通过大型有限元分析软件,对不同截面形式的钢管混凝土构 件在太阳辐射作用下复杂的受热环境进行模拟,得出其截面的温度分布。通 过 参数敏感性分析,进行不同环境下的截面温度场分析。 主要结论如下: 通过现场测试的方法确定钢管混凝土材料的热工参数与环境参数后,采 取温度场分析方法和编制的参数化语言,可以较为准确分析太阳辐射作用 下任何地理位置、任何气候条件以及任何季节时间下的构件截面温度场。 温度变化日过程表现为正弦函数分布特征,影响截面温度分布的诸多气 象参数和混凝土热工参数中,钢管表面太阳辐射吸收率影响最大。 在圆形截面构件的温度分布中,混凝土内部的测点越靠近圆心,温度变 化范围越小,同时温度最大值出现越迟。在太阳辐射作用下,截面温度分布呈 现高度的非线性。 研究的意义如下: 研究钢管混凝土截面的温度分布及温度效应,可以帮助工程师在分析 钢管混凝土结构时正确的计算温度荷载,为运营阶段的温度应力分析提供有 效 的理论指导。 热流密度输入是利用中参数化设计语言来实现,这种方法高效且 计算结果比较准确,将来可以在结构设计进行辅助计算太阳辐射作用下构件 产 生的温度应力。 关键词:钢管混凝土;太阳辐射;温度场;温度效应;有限元, .?? . ., , . . ,. ,. .: 硼?,., . ,.地?: ?, , . , ,. ; ; ; :? ; 目录 第一章绪论 .钢管混凝土的基本原理和优点. .研究现状. ..国外研究现状?.. ..国内研究现状?.. .研究方法和内容? ..研究方法? ..研究内容? .研究意义. 第二章太阳辐射量的计算理论.. .太阳辐射的组成。 .太阳辐射量的计算??。 .部分地区太阳辐射量.太阳辐射强弱影响因素 .本章小节第三章太阳辐射温度场理论? .传热学经典理论同顾? .温度荷载的种类 ..太阳辐射产生的温度荷载??.. ..气温骤降产生的温度荷载..年温度变化产生的荷载. .热传递的方式? ..热传导??....?. ..热对流? ..热辐射? .热传导一般方程 ..热传导微分方程 ..热传导边界条件. ..太阳辐射通过表面进入内部的热流密度计算 ..对流换热通过表面进入内部的热流密度计算 ..辐射换热通过表面进入内部的热流密度计算. .本章小节 第四章钢管混凝土构件的太阳辐射模拟??. . .的热分析?。 .. 的热分析功能? .. 热分析常用单元 ..符号与单位??. .钢管混凝士的热工参数 . 圆形截面钢管混凝士构件的太阳辐射环境模拟. 模拟分析的环境条件。 ..模拟结果分析.双肢圆端形钢管混凝土构件的太阳辐射环境模拟? .. 模拟分析的各项参数? ..几何遮挡关系在参数化设计语言编写中的体现?.. ..模拟结果分析? .各项参数对温度分布的影响规律的总结.本章小结。 第五章结论与展望??. . 结论. .展望. 参考文献? 醪【谢 武汉理工大学硕士学位论文 第一章 绪论 .钢管混凝土的基本原理和优点 钢管混凝土是混凝土填入薄壁钢管内而形成的组合结构材料,其基本原理 是借助钢管对核心混凝土的套箍约束作用,使核心混凝土处于三向受压状 态, 从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。 钢管混凝土的优点如下: 在钢管混凝土构件中,混凝土由于钢管的包裹作用使其处于三向受压 状态,使混凝土开裂及压碎的同时还能继续承载【;钢管由于混凝土的存在提 高其抗侧刚度进而有效防止钢管发生局部屈曲破坏【】。混凝土由于钢管的 包裹 作用使混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏,构件的延性得到明显改 善, 同时结构的吸能性能好即结构的耗能能力大,故具有优越的抗震性能。 钢管高强膨胀混凝土可以克服高强混凝土脆性大的缺点。高强混凝土 的缺点是脆性大,延性差,这就降低了其在实际工程的使用率,尤其在复杂受 力状态下,将由脆性破坏控制,其工作的可靠性大大降低【。如果将高强度混 凝土灌入钢管中形成钢管高强度混凝土,高强度混凝土受到钢管的有效约束, 其延性将大大增强。这样,通过二者的组合,可以有效地克服高强混凝土脆性 大和延性差的弱剧昏。 钢管耐高温性能较好,在高温作用下,核心混凝土能吸收钢管外侧的 热量,使得钢管的升温相对滞后,这样钢管混凝土中钢管的承载力损失比纯钢 结构的小,同时钢管也能保护混凝土防止其发生崩裂现象卜。 施工方便,缩短旋工工期且经济效益好,在施工过程时,钢管可以作 为混凝土灌注的模板,这样节省了模板工程中的人力、物力和时间并缩短了整 体施工工期,同时钢管也可承担施工过程中的施工荷载和结构自重,而混凝 土的养护也不影响其施工进度,随着泵送混凝土技术的成熟,同时一般不在钢 管内部配置钢筋,进而方便了混凝土的浇注和捣实等施工工艺【们。大量工程实 际的经验表明:采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋混凝土承压构件约更节 约混凝土,并减轻结构自重,钢材用量略高或约相等;和钢结构相比,更节约 钢材。日照作用下,结构物的表面主要存在着七种热流,实际上,太阳辐射的众多因 素中,对结构物影响较大的主要有太阳直接辐射、太阳散射辐射和地面反射。 因此,在分析钢管混凝土构件表面的太阳辐射作用时,着重考虑这三种太阳辐 射。到达地面的太阳辐射除取决于季节、日期、时间、地理纬度和海拔高度等 规律性因素的影响外,还受到天气和气候以及大气浑浊度等随机因素的影响。 美国科学家在详细分析天气资料的基础上,用软件模拟出构件的温度分布情况, 总结出一个结论,即桥梁的温度分布与结构的热物性参数、大气环境、日照强 度等因素密不可分。随后,又在实桥观测的基础上,用线性温度分布分析了组 合梁的温度应力,从而推翻了“结构内温度为线性分布的”错误观点。英国 科学家以表面温度波幅为依据通过指数函数来拟合出构件径向的温度梯度。他 们在实验室完成了一系列的相关实际试验,根据所得数据推导出了温度梯度与 环境参数的数学表达式。通过对比不同参数对温度分布的影响程度大小,得出 结论:太阳辐射对温度分布的影响最大。 ..国内研究现状 国内学者于上世纪年代开始了对构件温度效应的研究。首先国内学者对 桥墩的温度分布进行了观测,随后对太阳辐射作用下桥墩的温度应力进行了分 析。国内学者在其论文中对构件温度问题都有详细的阐述。 徐爱民在《钢管混凝土拱桥温度特性研究》文中设计出了构件截面温 度场的试验测试方法,并考虑有无太阳辐射作用和有太阳辐射作用两种情况, 对一组圆形钢管混凝土构件进行了温度场实测研究,数据表明:在无太阳辐射 作用下,构件外侧的温度变化与大气温度变化基本相同,而在有太阳辐射作用 武汉理工大学硕士学位论文 下,钢管外侧温度略高于大气温度。 王璐在《钢管混凝土构件温变试验》冈一文中对两根不同直径的钢管混凝 土构件进行了对比试验,通过对试验数据的拟合与分析,总结出沿截面直径方 向温度非线性分布的;通过有限元分析方法对钢管混凝土构件在复杂环境 下的温度应力进行分析,得出结论:太阳辐射作用产生的非线性温度分布对构 件的应力及变形影响较大。 彭友松在《哑铃形钢管混凝土拱日照温度分布研究》口】一文中,建立哑铃 形钢管混凝土拱在太阳辐射作用下温度分布计算的有限元模型,充分考虑了构 件所在地理位置、环境条件、材料特性等因素的影响,对不同影响因素下构件 的截面温度分布进行对比研究,其结论是:在太阳辐射作用下,钢管混凝土表 面太阳辐射的吸收率是截面中产生较大温差的最主要因素。 范丙臣在《中承式钢管混凝土拱桥的温度评价及试验研究》对牡丹江 大桥进行了构件的温度场观测,说明了钢管混凝土构件整个截面的温度变化情 况,并且对截面的温度分布作深入的分析。 陈宝春在《钢管混凝土拱桥温度应力数值分析》文中运用数值分析的 方法对钢管混凝土构件温度应力进行了分析,总结出构件温度场的计算方法, 同时提出了构件温度效应中温度变化范围的取值建议。 闰雯在《钢管混凝土拱肋截面温度场》文中通过实验得出钢管混凝土 拱肋截面温度分布的特点,并总结出钢管混凝土拱桥拱肋沿截面直径方向变化 的规律;采用有限元软件进行温度场模拟分析,并将有限元分析数据与实测数 据进行对比,验证了模拟分析的准确性;并且通过有限元分析方法计算得到 构 件截面产生的温度应力,从而得出了太阳辐射作用对钢管混凝土脱空的影响, 并分析出钢管混凝土构件的承载力受温度荷载的影响程度。 林春姣在《钢管混凝土拱计算合龙温度试验研究》】一文中总结出钢管混 凝土拱肋成型过程中的构件截面温度场的变化规律,并提出了钢管混凝土拱合 龙温度的计算方法。 铁道部科学研究院学者刘兴法通过对多座桥梁大量的现场实测数据进行分 析,得出了箱梁温度应力的表达式。他将构件的温度场进行简化,分别通过计 算横向与竖向的温度场得出其温度应力,再将两者进行叠加,该方法被铁 道部科学研究院所认可。 目前学术界对钢管混凝土温度效应的研究已经取得了一定的进展,许多研 究成果在实际工程中得到广泛应用并取得较好的应用效果。国内学者的研究成武汉理工大学硕士学位论文 果总结为以下四点: 完善了钢管混凝土温度场观测的实验,改进了实验数据的分析方 法,得到了一些关于温度分布的经验公式。 太阳辐射、大气环境变化、材料特性等因素对钢管混凝土结构温度分布 所造成的差异进行了研究,并总结出对温度分布影响较大的因素。 将复杂温度场简化为二维温度场并运用叠加法对温度应力进行计算,同 时提出了控制温度荷载的有效方法。 就太阳辐射作用对钢管混凝土力学性能的影响进行了研究,总结出日照 温度对钢管混凝土构件承载力影响的计算方法。 .研究方法和内容 ..研究方法 利用中的参数化设计语言,编写出太阳辐射、对流换 热、辐射换热的热流密度计算语句,通过这些计算语句形成一个完整的程序, 从而实现对太阳辐射作用下复杂环境的模拟,得出太阳辐射作用下钢管混凝土 构件截面的温度分布情况。程序中可修改的参数较多,通过参数敏感性分析实 现不同环境的模拟并进行对比分析。 在圆形构件计算模型中,太阳辐射的热流密度大小是根据太阳方位角 的大小而发生变化,程序可以根据外侧点的坐标自动进行判断,通过极坐标的 方式将圆周外侧的分为等份,然后分别选择这个区间上的点并进行 热流密度的加载。 在双肢圆端形拱肋构件计算模型中,对热流密度实现分段加载,上部 圆弧段、中间部分圆弧段、下部圆弧段和直线段分别用不同的函数进行加载。 由于部分位置存在几何遮挡关系,可以通过程序自动判断遮挡程度,遮挡部分 接受的太阳辐射量根据太阳光照射线上的遮挡物和太阳光照射与边界线外法线 方位角之间的关系进行折减,其对流换热和辐射换热的热流密度输入仍按程序 默认的计算方法。 武汉理大学硕士学位论文 ..研究内容 通过太阳辐射量计算理论得出武汉市不同月份的日均辐照量,与统计 量对比来验证太阳辐射量计算理论的可行性。通过计算数据进行分析比较,得 出太阳辐射强弱的影响因素天气状况、纬度、海拔、日照时间。 回顾传热学的经典理论,用温度场理论来解决钢管混凝土在太阳辐射 作用下热量如何传导的问题。其次对温度荷载的种类有一个系统的分类,了解 不同种类温度荷载的特点,其中太阳辐射所产生的温度荷载影响最大。 对太阳辐射强度的确定进行研究,以确定任意朝向和倾角表面太阳辐 射的计算方法,并确定日出日没时刻、太阳的方位角、高度角,然后进行太阳 辐射作用下的钢管混凝土构件截面温度场数值模拟,得到截面在两天中不同时 刻的温度分布图,总结出其温度变化的规律。通过后处理中提取不同 测点的数据进行汇总,然后利用软件进行数据处理,绘制不同测点温度 随时问的变化图,分析不同时刻的温度分布情况,对比第二天与第一天同一时 间温度分布的差异,结合钢管混凝土材料的特点和环境条件来分析截面温度 分 布的原因。 通过参数敏感性分析模拟结构在不同环境季节、风速、截面尺寸和 吸收率等因素的太阳辐射作用下钢管混凝土构件截面温度分布,总结这些因 素对温度分布规律的影响程度。 .研究意义 研究拱肋截面的温度分布及温度效应,可以帮助工程师在分析钢管混 凝土结构时正确的计算温度荷载,为运营阶段的温度应力分析提供有效的理论 指导。 本文中热流密度输入是利用中参数化设计语言来实现,这种方法 高效且计算结果比较准确,将来可以在结构设计进行辅助计算太阳辐射作用下 构件产生的温度应力。 钢管混凝土构件吸收的太阳辐射量是与众多参数相关的复杂函数。要理解 函数计算表达式的含义,首先要对太阳辐射的基本组成和计算方面知识有很好 的掌握。本章将对太阳辐射的组成和计算进行详细的描述,并列举部分地区的 太阳辐射量,为后续的有限元分析提供有效的理论指导。 .太阳辐射的组成 太阳辐射在穿过大气层的过程中,太阳直接辐射被大气层中各种气体介质 吸收而减弱【。同时,大气散射的辐射部分传到地面,另外部分直接辐射和散 射辐会被地面反射。因此,地表接收的太阳辐射分为直接辐射、散射辐射和地 面反射辐射引。 太阳直接辐射是指从太阳自身发出的辐射经过地球大气层时,被大气层吸 收、反射和透射的那部分直接投射到地球表面。太阳散射辐射由大气层中不同 方向介质传来,这些介质的反射和散射作用使得太阳辐射的方向是无规律的, 也可称为漫射辐射【。漫射辐射与倾斜面的方位角、是否处于阴影状态无关, 主要和太阳高度角、大气的浑浊程度及倾斜面的倾角相关。地面反射辐射是地 球表面反射水平面总太阳辐射水平面直接辐射和散射辐射之和,同时地面 反射辐射的作用会影响结构物的温度场。 .太阳辐射量的计算 构件吸收的太阳辐射包括直接太阳辐射、天空散射辐射和地面反射辐射, 其表达式为: 珥矾玩见 直接太阳辐射量的表达式为: /.吼恐 式中:%为水平面上直接辐射量;心为倾斜面与水平面直接辐射量的比 武汉理工大学硕士学位论文 值; 天空散射辐射量的表达式为: 亿, 玩吼见..岬一挚?历 式中:巩为水平面上直接辐射量,%为水平面上散射辐射量;冠为倾斜 面与水平面直接辐射量比值;为大气层外水平面上太阳辐射量;‖为倾角。 . 地面反射辐射量的表达式为: 。..一? 式中:‖为倾角;为地球表面反射率,不同类型地面的反射率如表 所示。 表地球表面反射率 地表种类 杂草丛生地带 灰色砂 干燥黑土 花岗岩 白色砂 新的积雪 ~ 矗. 反射率% 水平面上总辐射量的表达式为:二 七 构件截面吸收的太阳辐射量表达式为: 厶坼%民吼陪%”爿鲁口历删一励 . 将珥对‖求导。令/,可得: 二 矾忡丽×陪也一亿,一叫 再由%对‖求导得: 器胎删‖?咖训嵋一孟啪伊 ,孙?缈万孟一 武汉理工大学硕士学位论文 将吱一代入上式,整理后可得: 。 、,伊孟 ×???????????? . .巩‘丝一鲁 舢一孟哆 驴一伊铲辩 上述分析中%是最大辐射量年均值,同样也能通过?式算出某个月 份最大辐射量。最佳倾角在不同季节差异明显,冬季较大,夏天较小。因此通 过调整倾角可以得到构件最大太阳辐射量【加】。 .部分地区太阳辐射量 部分地区的太阳辐射量如表、表?、表所示,本文中计 算模型选取的是武汉当地的太阳辐射参数。 表部分地区的全年最佳倾角及其各月日均辐射量./ 乌鲁 哈尔 南宁 广州 拉萨 武汉 成都 上海 西安 银川 木齐 滨 . . . . . . . . . . 纬度,。 /。 月 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 。 月 . 月 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 月 . . . . . . . . 月 . . 月 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 月 月 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 月 . . 月 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 月 . . . . 月 . . . . . . . . . . . . . . . . 平均 武汉理工大学硕士学位论文 表部分地区全年最佳倾角时,不同方位角的日均辐射量/? 乌鲁 哈尔 南宁 广州 拉萨 武汉 成都 上海 西安 银川 、 木齐 滨 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 表武汉地区月日均辐射量的统计 纬度:,,经度: ’,高度:. 武汉 月份. . . . . . . . . . 乃 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 瓯 式中 :月平均室外气温,? :水平面太阳总辐射月日均辐射量,/? 仍:水平面太阳散射辐射月日均辐射量,/? 见:水平面太阳直射辐射月日均辐射量,/? 日:倾角等于当地纬度倾斜表面上的太阳总辐射月日均辐射量,/? 瓯:月平均日照小时数;:大气晴朗指数。 武汉理工大学硕士学位论文 .太阳辐射强弱影响因素 太阳辐射强弱的影响因素如下: 纬度位置 纬度低则正午太阳高度角大,太阳辐射经过大气的的路程少,被大气削弱 较小,到达地面的太阳辐射就强。反之,纬度高,到达地面的太阳辐射就弱。 因此,太阳辐射从低纬向两极递减。 天气状况 晴朗的天气,由于云层稀薄,大气对太阳辐射的削弱作用小,地球表面接 收的太阳辐射较强;反之,阴雨的天气,由于云层厚浓厚,地球表面接收的太 阳辐射较弱。 海拔高低 海拔高,空气稀薄,大气对太阳辐射的削弱作用小,地球表面接收的太阳 辐射强;反之,海拔高, 地球表面接收的太阳辐射弱。 日照长短 日照时间长,太阳辐射强,日照时间短,太阳辐射弱。’ 具体情况如下表、表.、表、表.所示。 表纬度位置对太阳辐射的影响 太阳辐射削弱作用 地球表面接收的太阳辐射 纬度值 正午太阳高度角 较小 较大 低 较大 较大 较小 高 较小 表?天气状况对太阳辐射的影响 天气 云层厚度 太阳辐射削弱作用 地球表面接收的太阳辐射 较大 晴朗 稀薄 较小 较小 阴雨 浓厚 较大 表海拔高低对太阳辐射的影响 地球表面接收的太阳辐射 海拔高度 云层厚度 太阳辐射削弱作用 较小 较大 高 稀薄 浓厚 较大 较小 低 表.季节对太阳辐射的影响 季节 白昼时间 各月最佳倾角 地球表面接收的太阳辐射 夏至日 长 较小或为负值 较大 短 冬至日 较大 较小 .本章小节 本章首先介绍了太阳辐射的组成,并详细阐述了太阳辐射量的计算方法, 通过微分方程的方法推导出部分地区最大辐射量年均值,并就太阳辐射强弱 的 影响因素纬度位置、天气状况、海拔高低、季节进行了探讨。武汉理丁大学 硕士学位论文 第三章太阳辐射温度场理论 本章是太阳辐射温度场的理论研究部分,将介绍三种不同的热传递方式, 并详细表述热传导方程,为下一步有限元分析提供有效的理论指导。 .传热学经典理论回顾 热分析应按照能量守恒定律进行。 对于一个封闭的系统有:一形?刖晒址堰 式中:表示热量;形表示作功;?表示系统内能; 表示系统动能;刖堰表示系统势能; . 对于多数传热问题:; 通常认为没有做功:,则为表.所示。 表.不同类型的热分析的表述 稳态热分析 流入系统的热量等于流出系统的热量 瞬态热分析 流入或流出的热传递速率等于系统内能的变化 百 .温度荷载的种类 钢管混凝土构件外侧与内部温度随时间而发生变化,并且与构件的方位、 朝向、地理位置、环境条件有关。钢管混凝土构件置于自然环境条件变化所产 生的温度荷载,可以分为以下三类:太阳辐射产生的温度荷载、气温骤降产生 的温度荷载和年温变化产生的温度荷载。 ..太阳辐射产生的温度荷载 太阳辐射产生的温度荷载的影响因素有:太阳高度角、太阳方位角、太阳 武汉理工大学硕士学位论文 入射角,构件的朝向、地理纬度、地表反射率、气温变化、风速等。因此,太 阳辐射通过表面进入内部的热流密度是一个随时问变化的复杂函数。同时构件 在太阳辐射作用下存在遮挡问题,向阳面和背阳面的接收的辐射量存在数值上 的差别,向阳面可以接收直接辐射和地表反射辐射,而背阳面只能接收地表反 射辐射,由此导致钢管表面产生较大的温度差别。同时,混凝土内部材料会有 一些不均匀的特征,使得导热系数有小幅度的变化,因此本文模拟的温度分布 只是近似结果,误差将控制在最合理的范围内。此外重点考虑风速因素的影响, 原因是其对温差的影响较大。本文取风速为/,这时候算得截面温差最大,温 度应力最大,荷载是最不利的,结果偏于安全。 ..气温骤降产生的温度荷载 气温骤降温度变化有两类:在强冷空气的作用下,构件表面温度突然降 低,使得外部温度低于内部温度;太阳落山后,构件外侧热量迅速散失,内 部温度基本无变化,使得外部温度低于内部温度。 其中风速对热量的散失影响很大,风速越大,构件与空气的对流换热系越 大。导致构件表面散热越快,进而使得内外温差越大。强冷空气的作用造成的 构件降温,其降温速度比太阳光直接照射产生的温度提升速度小。 ..年温度变化产生的荷载 年温变化对钢管混凝土构件的作用范围是一个构件整体,发生的是一个均 匀的、长期和缓慢温度变化,对结构产生整体位移较大【“。在本文中年温变 化相对简单,因此本文重点分析太阳辐射作用下的温度分布对钢管混凝土构件 的影响。 不同类型温度荷载的特性总结为表.所示。 表.不同类型温度荷载的特性 温度类型 作用范围 作用时间 变化 分布状态 影响因素 对结构的影响 短 急 太阳辐射 局部 不均匀 太阳辐射 局部应力大 气温骤降 整体 短 急 较均匀 强冷空气 应力大 长 年气温变化 整体 缓 均匀 缓慢温变 整体位移大叫。 .,为导热系数 式中,,为热流密度 ..热对流 热对流是固体与表面接触流体之间或流体中温度较高与温度较低部分之间 温度差产生的热量传递过程。热对流可为两类:自然对流与强制对流。自然 对 流在不受外界影响的条件发生,产生的主要原因是温度不均匀分布。强迫对 流 是受外界影响的条件发生的,比如说人为改变流体的运动状态。热对流用以 下 公式表述: 一:五一瓦 式中表示对流换热系数。明,五表示固体表面温度,瓦表示周围流体温 度。 ..热辐射 热辐射是物体吸收外界产生的电磁能并在其内部产生热量的过程。发射磁 能的物体越热,产生的辐射越大。热辐射是电磁波能在真空中进行传递,方向 性很强,当物体温度非常高时,热能会连续地转变为辐射能,向周围空间发出 热辐射。 物体之间的净热量传递表达式为: 式中为热流率;占为辐射率;仃为斯蒂芬一波尔兹曼常数,等于 .×.?;为号面的面积;为由号面到号面的形状系数; 互为号面的绝对温度;五为号面的绝对温度。由此可见,热辐射产生的温 度分布是非线性的。 .热传导一般方程 ..热传导微分方程 温度场是一个复杂的变量,它是关于空间和时间的函数。 温度场函数的表达式如下所示 厂,,, 假定结构材料均质且各向同性,常温下材料导热系数在不同方向均为一常 数,依据傅立叶热传导理论,得出瞬态温度场的导热微分方程: ?, 。 瓦砷等等窘吼/ 瓦邓.【丽矿萨严 式中:丁表示瞬态温度:,/表示导温系数;表示材料的密度;表示 材料的比热;吼表示物体的内热源强度;表示过程进行的时间;,,表示三 维坐系的直角坐标。 各种不同环境下的导热微分方程总结为表.所示 表.不同环境下导热微分方程 导热微分方程 各种不同的环境条件 ‘ 物理参数为常数且无内热源时 。?‘瑟窘】 有热源稳态温度场 苏‘砂:。如,/ 无内热源稳态温度场 『,嬖;.嬖;.罢;:?、 反’砂。如厂 武汉理工大学硕士学位论文 ..热传导边界条件 、一般边界条件的描述如表所示。 表边界条件的描述 边界条件 情况描述 数学表达式 备注与说明 一固体的边界,方 向为逆时针; 固体边界上的温度函 第一类 、 广已知同体表面 。 数已知 或砟乙 温度: 一已知热流密度; 固体边界上的热流密 ?.. 第二类 , ,,一已知热 度已知 一七挈叫训力、.? 抑 流密度函数 固体接触的流体介质 ?流体介质的温 第三类 的温度和换热系数已 度: 。 一七挚:一嘣. 知 卜换热系数 接触面上温度和热流 不同物理的温 第四类 ’ 密度都是连续的 度,瞄热系数 毛鼍乞鲁, 、钢管混凝土表面与外界热交换的边界条件 钢管混凝土通过其表面与外界进行热交换,其边界条件为第二类或第三类, 其热传导的边界条件为: 刭:吼甄 叩, 式中:丁表示截面边界,,为边界外法线;吼表示太阳辐射产生的热流密度 ;表示对流换热产生的热流密度/.;吼表示辐射换热产 生的热流密度矿。 /?? 口孱 式中:,为地理纬度;为时角,表达式为: 一 式中:为赤纬角,表达式为: ? .?。?式中?表示元月一日算起的日序数; 太阳辐射的相关几何关系如图.所示。 ,, 图. 太阳辐射的相关参数 ?为太阳射线入射角图一中一与孑的夹角,通过几何关系得出 ? 屈尾屈尾一% 武汉理工大学硕士学位论文 式中:%为边界点处表面外法线/的方位角 计算得出小于时,太阳辐射是被遮挡的,或是构件处于背阳面取 到达地球大气层上界辐射量表达式为: ? ,山.百。.式中:山表示太阳常数,取 地球表面的直接辐射强度表达式为: 凰.” 式中:表示大气浑浊度因子;以表示大气光学质量系数。 甩:土 ? 式中:屯表示为不同海拔高度的相对气压,如图所示。 ? 帖 ? ? ? 西量\坦茛罂 拍 阳 ? 海拔高度/ 图.不同海拔高度的相对气压图 由巩与屈的比值表达式为: . , 瓦厦. 虹 武汉理工大学硕士学位论文 水平面上的天空散射强度表达式如下: %.一.屈 式中:孱表示太阳高度角;表示到达地球大气层上界辐射量;地球表 面的直接辐射强度。 太阳辐射通过表面进入内部的热流密度的计算公式如下: 吼玩矽%生竽风%上等 式中:见地球表面的直接辐射强度,吼天空散射的辐射强度,为构件 表面太阳辐射吸收率,为地表反射率,矽为太阳射线入射角图中与, 的夹角,‖为计算边界表面处的倾角。 从?式看出,太阳辐射通过表面进入内部的热流密度与表面太阳辐射吸 收系数是成正比的,因此涂层太阳辐射吸收系数会影响钢管混凝土温度分布 结 果的准确性。不同表面涂层太阳辐射吸收系数如表.所示。 表.不同表面涂层太阳辐射吸收系数 表面颜色 涂层类犁 表面性质 太阳辐射吸收系数 黑色漆 光滑 深黑色 . . 灰色漆 光滑 深灰色 . 褐色漆 光滑 淡褐色 . 绿色漆 光滑 深绿色 . 棕色漆 光滑 深棕色 . 蓝色漆、天蓝色漆 光滑 深蓝色 . 中棕色漆 光滑 中棕色 . 浅棕色漆 光滑 浅棕色 光亮 中棕色 . 棕色喷泉漆 光亮 大红 . 红油漆 武汉理工大学硕士学位论文 . 浅色涂料 光平 浅黄、浅红 . 银色漆 光亮 银色 ..对流换热通过表面进入内部的热流密度计算 构件表面与大气对流换热,其热流密度表达式为: 一丁 式中:乃表示气温,丁表示边界温度,取风速.?一:表示对流换热 系数,其经验公式为: .?乙一丁.,形?。。 气温变化的日过程表达式为: 三亿一一曲一×。三瓦一瓦血 试中乙一为日最高气温,瓦曲为日最低气温,乙峨和乙曲的差值对构件温 度分布的影响很大。 在本文的模拟环境中,夏季大暑日最高气温?,最低气温,冬季大 寒日最高气温。,最低气温.。,气温变化函数为正弦函数,变化图如图? 所示。 ? 筠 ? 为 ? 侣 一赠 竹 时间小时 图.一天内小时大气温度随时间变化图 武汉理工大学硕士学位论文 ..辐射换热通过表面进入内部的热流密度计算 辐射热交换通过表面进入内部的热流密度可表达式为: 吼 占表示构件 式中表示常数,其值为.罐?。; 表面辐射率;巳表示大气的长波辐射率,表示式为: ..× .本章小节 本章首先对热传学的经典理论进行了回顾,并介绍了三种不同的热传递方 式:热传导、热对流、热辐射,然后详细表述了热传导一般方程、不同类型的 边条件和不同环境下导热微分方程。通过分析得出钢管混凝土表面与外界热交 换的边界条件为第二类或第三类,根据这些原理总结出太阳辐射、对流换热和 辐射换热的计算公式,为下一章构件有限元分析模拟分析提供了理论依据。 武汉理工大学硕士学位论文 第四章钢管混凝土构件的太阳辐射模拟 上一章详述的各种热流密度的计算,在中是通过参数化设计语言实 现。本章将分别对圆形和双肢圆端形截面构件在太阳辐射作用下的复杂环境进 行模拟,分别得出两个构件在不同时刻的温度分布图和不同测点温度随时问的 变化图,从中总结出温度分布受各项参数的影响规律,并结合太阳辐射温度 场 理论和钢管混凝土材料的特性逐个分析各项参数影响温度分布的原因。 . 的热分析 .. 的热分析功能 热分析功能,包括/、/、 /、/、/五种产品模块。 软件可以进行热传导、热对流等不同类型的复杂热问题的分析求解。 热分析可以做稳态热分析和瞬态热分析,本文所做模拟分析的是 瞬态热分析,温度随时间明显的变化,通过选择节点加载热流密度再进行温 度分布和效应的分析,分析结果呈现高度的非线性。瞬态热分析的步骤与稳 态热的大致相同【】。两者的区别是在瞬态热分析中的,温度载荷是温度 随时间变化函数瞪。两种不同传热方式的表述见表.所示。 表. 两种不同传热方式的表述 传热方式 公式 备注 【】为传导矩阵,包含导热系数、对流系数及辐 射率和形状系数; 稳态传热 . 【】丁 为节点温度向量; 为节点热流率向量,包含热生成 【足】为传导矩阵,包含导热系数、对流系数及辐 【】对“】丁 瞬态传热 射率和形状系数; ?武汉理工大学硕士学位论文 .. 热分析常用单元 热分析涉及到的单元有大约种,其中纯粹用于热分析的有 种: 线性: 两维二节点热传导单元 三维二节点热传导单元 二节点热对流单元 二节点热辐射单元 四节点四边形单元 二维实体: 八节点四边形单元 三节点三角形单元 四节点轴对称单元 八节点轴对称单元 三维实体: 六节点四面体单元 八节点六面体单元 二十节点六面体单元 ., 本文研究的构件是个三维实体,为了研究截面的温度变化,将构件模 型简化为二维进行计算,选择二维单元。 ..符号与单位 本文所用符号的单位见表所示。 表符号和单位 项目 国际单位 英制单位 代号长度时间 质量 温度 武汉理工大学硕士学位论文力 能量热量 / 功率热流率 / 热流密度 /? / /生热速率 / 导热系数 /. /. /.. 对流系数 / 密度 / / 比热 /? / / 焓 在分析中,摄氏度和华氏温度的换算表达式如下: ? / 热分析单位换算表 在本文分析使用的是国际单位,所引用资料中的英制单位必须转化为国际 单位,以保证单位的一致性,符号和单位见表.所示。 表热分析单位换算表 换算系数 物理量 符号 国际单位 英制单位 / . 压力 ./? /. 比热容 . 。 . 居 . 热流率功率 . ’ / /.铲 ? . 。 热流密度 . ?,/? /?【..× 导热系数 . /? /?瞥? 对流换热系数 。 . 武汉理工大学硕士学位论文 .钢管混凝土的热工参数 钢管和混凝土的热工性能对钢管混凝土构件在日照等复杂环境下的热量的 传导和热量的散失有着直接的影响。因此在分析构件截面的温度分布时,钢 管 和混凝土的热物性参数是必不可少的。基本的物性参数包括:导热系数,比 热,容重密度。导热系数:钢的导热系数在不同环境下数值不同,当温度 大于某一值时,其导热系数不发生变化。比热与密度:钢材的密度随温度基本 不变,不同种类的钢材的比热不同。本文中选取的材料热物性参数如表所 示。 表材料热物性参数 材料 密度? 比热容... 导热系数?. 钢. 混凝土. . 圆形截面钢管混凝土构件的太阳辐射环境模拟 建立合理的钢管混凝土结构有限元模型是十分重要的, 热分析主 要包括以下几个步骤:建立构件截面二维模型;施加热流荷载;设置相 关参数;求解并查看结果。 建立构件截面二维模型 本文对圆形截面钢管混凝土构件模型进行了连续小时的温度场分析,两 种不同材料用二维热分析单元进行建模。分别定义材料热物性参数,包 括导热系数?.、比热.季?、密度?。钢管混土构件尺寸为 内径.,外径为.,然后对钢管和混凝土的接触面进行耦合,以 保证两者之间能够充分传热。 网格划分图如图.所示。武汉理工大学硕士学位论文 图. 圆形截面网格划分 施加热流荷载 首先进行的是稳态热分析,就是设定环境的初始温度,比如说 ?,然后进行瞬态热分析,运用参数化设计语言,施加太阳 辐射的荷载。 设置相关参数 本文中,以小时为单位,~天中加载个小时,加载两天,分钟为一 个载荷步。载荷子步为?秒之间,程序默认为秒。 求解并查看结果 查看两天小时内不同时刻钢管和混凝土的温度分布情况,找出本时刻温 度最大值的点,然后将不同时刻温度分布的变化规律进行总结。 .. 模拟分析的环境条件 根据武汉市气象资料,选取日序数,也就是取月/日,此 时为农历二十四节气中的第十二个节气“大暑日”以确定太阳赤纬角。武汉 市的 经度为’,纬度为’:表面太阳辐射吸收率。.;地表反射率 .;日最低气温锄,,?;日最高气温?;风速./ .常数.‘.;钢管混凝土表面辐射率.。武汉理工大学硕士学位论文 ..模拟结果分析 、测点温度随时间变化分析 钢管混凝土沿半径方向设置四个测点,用测点,,,温度数据来研究 温度随时间变化规律。测点布置情况如图所示。 。 。。、、、 //一’ 飞 \\ ‖ . ? 一? 犍 / 一 \ 。/ 图圆形截面测点布置 选取沿半径方向有代表性的个测点,将结果文件中的温度数据 提取出来,用软件进行处理,得出沿半径方向的测点温度随时间变化如 图.所示。 号测点 号测点 鸵 ? ? ? 弘 款 ? 一一髑赠 嚣 孙 私 教 时问小时 图圆形截面测点、、、温度随时间变化武汉理工大学硕士学位论文 构件沿截面半径方向测点的温度随时间变化规律分析: 从图可以看出,几个测点温度随时间的变化图呈现出正弦曲线变化形态, 第二天的测点最高温度明显高于第一天的。两天中同一测点出现最高温度的 时 刻是基本相同。 测点中心温度为例,第一天出现最高温度的时间是点左右。 钢管混凝土构件测点,第一天出现最高温度的时间是点左右。 钢管混凝土构件测点,第一天出现最高温度的时间是点左右。 钢管混凝土构件测点最外侧的点,第一天出现最高温度的时间是点 左右。 最高气温出现在下午:左右,两天的最大气温温差分别为.?、 .?。 通过比较上述测点的图,可以得出以下规律:从混凝土内部的测点越靠近 圆心,温度变化范围越小,同时温度最大值出现时间也越迟。在太阳辐射作用 下,温度非线性分布在构件截面上。 、两天中不同时间的钢管混凝土构件截面温度分布规律 将结果文件中的相关温度图形读取出来加以分析,两天中的不同 时刻的温度分布如图一所示。 ?,“ ,~ ?钉 ?. ‘., . . . 图第一天:圆形截面温度分布武汉理工大学硕士学位论文.毙 ?。日. .铭‘?” ,,.,??”. 图.第一天:圆形截面温度分布 ?, ?,,。 ‘.粤 .?, .? ‘.‘? ., 图第一天:圆形截面温度分布 日? 。卯口” . .,?? ‘.? ., ? :圆形截面温度分布 图.第一天武汉理工大学硕士学位论文‘’ ?? ?. .,????. ?. ,. 图第一天:圆形截面温度分布” ?? ~ 日.‘ .舶 ‘. .弱 . 图第一天:圆形截面温度分布? .,’ .记?“., ?.,?铷.,蚰? 图.第一天:圆形截面温度分布武汉理工大学硕士学位论文 ?啪? 鸺 .“ ?.“ . .乳 .? 图.第一天:圆形截面温度分布 ?日 ?盯‘.妮 .鲴? .皿 ?”.? .胡 图?第二天:圆形截面温度分布 ? ?跏. . 日., .? . 图.第二天:圆形截面温度分布武汉理工大学硕士学位论文 . ?? ‘?.“?“ . ?. .? . 图.第二天:圆形截面温度分布 ?盯 ?盯?.? ?“‘.‘ ?.? ‘.卵 ,.业?’ 图.第二天:圆形截面温度分布? ,. 量. ??‘,?.‘ ?. .? 图.第二天:圆形截面温度分布