考虑逆辐射下的混凝土温度场日变化过程研究.pdf

第9 期 2 0 0 8 年9 月 广东 土木 与建筑 GU ANGD0NG ARC HI I IE C T URE CI V I L E NGI NE ERI NG N o 9 S E P 2 o 0 8 考虑逆辐射下的混凝土温度场 日变化过程研究 敖增 慧 1 王卫锋 2 ( 1 、 广州市广园市政建设有限公司 广州 5 1 0 0 1 0 ；2 、 华南理工大学 广州5 1 0 6 4 0 ) 摘 要 ： 为 了准确获得混凝 土箱梁构件任一 时刻的温度场分布 ， 采 用对 气象站取得 的太阳辐射 资料进 行分析处 理 ， 得到 包含混凝土逆辐射 的等效 太阳辐射 强度数据 ； 再根据桥 梁构件 的物理 热学性能 ， 应 用 A N S Y S软件对构 件 温度场进行模拟分析 ， 其计算结果与实测值更吻合 ， 该法进一步完善后可减 少或替代现场测试。 关 键 词 ： 温 度 场 ：太 阳辐 射 ：逆 辐 射 1 引言 混凝土箱梁 由于外界太阳照射以及气温的周期 变化作用 、 加之混凝土的热传导性能较差 因此其内 部处于不同的温度状态 本文提出一种根据气象站 提供的太阳辐射强度等气象资料和混凝土构件的物 理热学性能 采用大型通用有限元程序 A N S Y S的热 分析模块快速计算该构件内部任一时刻的瞬态三维 温度 场 的方法 并将 其应 用 到 巴江河 大 桥 的温度 场 模拟分析中 其计算结果与实测结果较为吻合。 1 1 太 阳辐射 太阳辐射在经过大气 时 约有 2 0 被大气中的 臭氧、 水和二氧化碳所吸收 ， 约有 3 0 被空气分子 、 尘 埃、 小水滴等所散射 剩下的部分可直接到达地面。 到达地面的太阳总辐射 由两部分组成 一是通过大 气直接到达地面的平行光线 。 称为太阳直接辐射 ： 二 是被大气所散射的 来 自天空各方 向的非平行光线 称为散射辐射 地 面向天空作出的辐射 其能量集中在红外线 表 1气象站测定的太阳辐射 参数 注) S与水平面夹角不为9 0 。 ， 故 S 会减少， 其值与太阳高度角有关。 42 部分 波长也远大于太阳辐射 又称地面辐射或长波 辐射 其辐射强度远小于太阳辐射 1 2 气象站对太阳辐射的测定及分析 太阳辐射是气象观测指标中的重要内容 根据 国际气象组织 WMO标准要求 太阳辐射标准观测分 为总辐射 、 散射辐射 、 直接辐射 、 反射辐射 、 净全辐射 等 主要参数及关系式见表 1 本文的气象数据由广州中心气象台提供 为气 象辐射观测一级站 ， 共进行总辐射 、 散射辐射 、 太阳 直接辐射、 反射辐射和净全辐射等 5组观测。笔者在 2 0 0 6年 7月 2 2日8 ： 0 0开始对广州西二环高速公路 巴江河大桥的混凝土箱粱进行了 2 4 h 连续温度观测 监测数据详见表 2 表 2测试 当日的时太 阳辐射测定数据 j_ ： ： ： 整 塑 蔓 堇 ! 宣 塑 堑 ! 的 混 凝 土 温 度 场 日 变 化 过 程 研 究 S E P 2 0 0 8 N o 9O lll = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一。 o 由于气象站没有测定地面辐射 ，而从 表 2中可 知 日落后( 约 1 8 ： 0 0 ) 的太阳直接辐射量为 0 但此时 的净辐射却为负数 ， 表明地面辐射仍然存在 因此在 实际计算 中应考虑混凝土逆辐射的影响 。又 因为 短 波反射辐射 为在空 中测量得到的数据 ，是到 达地 球表面的太阳辐射部分被反射 回到空气 中的量 因 此在实际计算 中， 用净辐射量加上短波反射辐射量 的和作为到达混凝土的总太阳辐射减去混凝土 自身 的逆辐射。考虑混凝土逆辐射的等效太阳辐射为 ： H= H J t 日 + t ( 1 ) 式( 1 ) 为时太阳辐射表达式 ， 但在程序计算中输 入 的是单位太 阳辐射热流密度 ，因此 还 需 进行 公 式 转换， 即I = H 3 6 0 0 x l O 6 W m 2 2 A N S Y S建模方 法 2 1 热流方程 对于本文， 由于桥梁的温度变化范围较小 且 将 混凝土看作各 向同性材料 ，故其导热系数 、 比热 和材料密度 P均可作为常数计算。 同时本文研究的 箱梁温度场不考虑内部水化热作用 ，故在不考虑桥 梁纵向温差影响的情况下 ，横 断面在任意时刻温度 场可简化为求解二维非稳定导热 的微分方程 即 ： 。 ( 0 2T + 罂 ) (2 ) 式中： ( c ) ( m s ) ， 称为热扩散率。 2 2 边界条件的处理 由于混凝土内部温度场变化可以解释为在第三 类边界条件下求解导热微分方程( 2 ) ，因此 对边 界 条 件的模拟合理与否 ， 直接关系到计算结果的准确性 。 、一 AN S 、 Y S 、 ： 梁与外界发生热交换 2 6 主要是 通过 对流 、吸 收太 阳辐射 能量 和 l- lt l IS l 热辐射三种形式 ， 箱梁温度场分析 中的 热辐射换热发生在边界混凝土 与周围 空气之间 以及箱 内壁板之 间。本文 的热 辐射作用用式( 3 ) 表示 ， 将热辐射换热等 效为对流换热 ， 施加对流荷载时将综合 换热系数 ： r + 赋给发生对流的节点 q = ( T - T B ) ( 3 ) 式中： 为外界气温( ) ； 为混凝土表面 温度( ) ； 为辐射换热系数( W m 太阳辐射强度 虽可用热流密度来 施加，但 A N S Y S中规定在同一边界上 施加对流面荷载和热流密度时 ，只 以最后 施加 的面 荷载进行计算。由于受到太 阳辐射 的箱梁边界与外 界空气有对流换热 ，因此只有把太阳辐射引起的热 流密度换算到气温中去，才能得到综合气温 咒 ，其 计算公式为 ： = T + t b h (4 ) 式中： 为外界气温( ) ； ， 为太阳辐射强度( w m z ) ： 为吸收系数 ， 取 0 6 5 ； h 为综合换热系数( W， m z ) 从式( 4 ) 可知 ， 太阳辐射引起 的热交换相当于使气温 升高( Z h ) C ， 同时太阳辐射强度按上节所述考虑 了混凝土逆辐射情况。 对于初始温度条件， A N S Y S有两种途径来定义 ： 如果初始温度场是不均匀且未知的 ，则 须进 行稳 态热分析来建立初始条件；如果初始温度场是均 匀的， 则采用 I C命令来设置初始温度 。通过 实 测证 明， 在清晨 8 ： 0 0时刻混凝土内部温度较均匀且与外 界气温接近， 因此本文用方法给出初始温度 3 工程 背景 巴江 河 大 桥 为 6 8 m+ 1 2 0 m+ 6 8 m 预 应 力 混 凝 土 变截面连续箱梁桥 ， 其立面如图 1 ，全 桥 东 西走 向 主梁截面为单箱单室结构 。该桥采用挂篮悬臂现浇 法施工 ， 笔者在该大桥施工期间 ，在 主 桥 2 7 墩左 幅 小塘 一 6 8 茅山 图 1主桥 立 面 图 往2 8 墩 图 2 温度监测截面位置 4 3 2 0 0 8 年9 月 第9 期 广东 土 木与建 筑 S E P 2 0 o 8 N 0 9 布置 了镍铬一 镍硅 K型热 电耦来测量箱梁混凝土 内 部 的温度和外 界气 温 采 用 D a t a t a k e r 数据采集系统 自动采集温度数据 热电 偶 的具 体布 置如 图 2 3 4 计 算结 果分析 本 文 将 太 阳 辐 射 强 度 、热辐射和对流三种荷 表 3混凝 土 箱 梁 瞬态 三维 温度场计算热工参数取值 参数名称 取值 导热系数 ( W m C ) 1 5 比 热c ( J k g C ) 9 6 0 太 阳辐射吸收系数 0 6 5 发射率 0 8 8 热膨胀系数 ( x l O 4 ) 1 0 材料 密度 P( k g m ) 2 4 0 0 载， 用对流来代替施加。将综合换热系数 h 、 综合气 温 赋给边界上的节点 ， 初始条件取清晨 8 ： 0 0 ( 各 测点温度 的样本标准差最小 ) 混凝土 内部 的平均温 度作为计算初始温度 对瞬态温度场的分析而言 载荷随时间变化 因此需要用到多荷载步 本文所分 析的时问跨度较大 在施加温度荷载时 每小时施加 一 个荷载步 每个荷载步分成 6个子荷载步 各荷 载步之间的温度荷载 则按线性插值得到 计算过程中各热工参数的取值见表 3 将上述 参数输入 A N S Y S计算模型 箱梁顶板 的考虑混凝土 逆辐射 和不考虑混凝 土逆辐射的计算结果如图 4 可知 由于 白天 太阳辐射强度远大于混凝土的逆辐 射 因此不考虑混凝土的逆辐射对温度场计算结果 影响不大： 但夜间情况下太阳辐射为 0 而混凝土的 逆辐射仍然存在 此时考虑混凝土逆辐射影 响的计 算结果更接近实测数值 5结语 混凝土箱梁温度场分布计算是一项十分复杂的 过程 ， 受到太阳辐射 、 气温变化 、 外界风速和混凝土 的热工参数等影响因素 其中以太阳辐射最为主要 本文对气象站取得的太阳辐射资料进行分析 ， 得到 包含逆辐射的等效太阳辐射强度 再根据气象资料 和桥梁构件的物理热学性能 采用大型通用有限元 软件 A N S Y S计算混凝土结构构件内任一时刻瞬态 三维温度场的方法 其计算结果和实测值相吻合 。 该 法简单易行且结果可靠 在进一步完善后可减少或 替代现场测试 l 0 棚 1 2 啪 l 4 ：0 016 棚l8 加2 2 2 ：00 0 =0 0 2 ：0 o 4 =0 0 6 棚8 l瑚 图 4顶板考虑混凝土逆辐射影响的 理 论 值 和 实 测值 比较 参考文献 1 刘兴法 混凝土结构的温度应力分析 M 北京 ： 人民交 通 出 版 社 1 9 9 1 2 K e h l b e c k ，F 著 刘兴法等译 太 阳辐射 对桥梁结构 的 影响 M 北 京： 中国铁道 出版社 ， 1 9 8 1 3 朱伯 芳等 水工混凝 土结构的温度应力与温度控制 M 北京 ： 水利电力出版社 ， 1 9 7 6 4 D i l g e r ， W H a n d G h a l i ，A T e m p e r a t u r e i n d u c e d s t r e s s e s i n c o m p o s i t e b o x g i r d e r b r i d g e s J D e p a r t o f S u p p l y a n d S e r v i c e s ， Ot t a wa ， O n t a r i o ， C a n a d a ， Oc t ， 1 9 8 0 5 叶见曙， 贾琳 ， 钱培舒 混凝土箱梁温度分布观测与研究 J 东南 大学学报 ， 2 0 0 2 ( 5 ) 6 1康为江钢筋混凝 土 日照温度效 应研究 D 湖南大学 硕士学位论文 2 0 0 0 1 2