不规则混凝土壳体在整体不均匀日照作用下的温度效应研究.pdf

第 1 2卷第 3期 2 0 1 5年 6月 铁道科学与工程学报 J o u r n a l o f R a i l wa y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g Vo l u me 1 2 Nu mb e r 3 J u n e 2 0 1 5 不规则混凝土壳体在整体不均匀 日照作用下的温度效应研究 熊高亮 ， 周凌宇 ， 张汉一 ( 1 中南大学 土木工程学院， 湖 南 长沙 4 1 0 0 7 5 ； 2 中铁 四局市政分公司， 安徽 合肥 2 3 0 0 0 0 ) 摘要： 为研究不规则混凝土壳体在整体不均匀日照作用下的温度效应， 运用太阳辐射和对流换热等相关知识， 计算夏季 整体不均匀日 照作用在一个不规则混凝土壳体表面产生的温度荷载， 采用有限元软件 A b a q u s 6 n， 分析该壳体在此种工况 下的温度场和温度应力， 并将计算结果与该壳体在整体降温、 整体升温及 自重3种工况下的温度效应进行对比分析。研究 结果表明： 不规则混凝土壳体在夏季整体不均匀日照作用下的温度场分布很不均匀， 向阳面的温度值比背阳面的高2 1 2 2 ； 截面温度梯度符合指数函数分布； 壳体在夏季不均匀日照作用下的最大主应力为 3 6 3 5 M P a ， 比自重作用下的大 1 6 6 3 MP a ， 比整体升温作用下的大 0 5 4 2 M P a ， 仅比整体降温作用下的小0 1 4 6 MP a 。本文为不规则混凝土壳体的设计提供了一 定的参考。 关键 词 ： 整体不均 匀 日照 ； 不规 则混凝土壳体 ； 温度荷载 ； 温度 效应 中图分 类号 ： T U 3 7 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 6 2 4 0 7 St u d y o n t e mp e r a t u r e e ff e c t o f i r r e g u l a r c o n c r e t e s h e l l u n d e r o v e r a l l u n e v e n s u n s h i n e XI ONG Ga o l i a ng ，ZHOU Li n g y u ，ZHANG Ha n y i ( 1 S c h o o l o f C i v il E n g i n e e ri n g ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ； 2 Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g B r a n c h C o m p e my o f C h i n a R a i l w a y N o 4 E n g i n e e ri n g G r o u p C o L t d ， He f e i 2 3 0 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y t he t e mp e r a t u r e e f f e c t o f t h e i r r e g u l a r c o nc r e t e s h e l l u n de r t h e a c t i o n o f t he wh o l e n o n u n i f o r m s u n s h i n e，t h i s p a pe r a p p l i e s k n o wl e dg e a b o u t s o l a r r a d i a t i o n，c o n v e c t i o n h e a t e x c ha n g e a n d o t h e r r e l e v a n t k n o w l e d g e，c a l c u l a t e s t h e t e mp e r a t u r e l o a d o n t h e s u r f a c e o f t h e i r r e g u l a r c o n c r e t e s h e l l g e n e r a t e d b y t h e wh o l en o n u n i f e Ir m s u n s h i n e i n s u mme r u s e s t h e f i n i t e e l e me n t s o f t w a r e Ab a q u s 6 1 1 ，a n a l y z e s t h e t e mp e r a t u r e fi e l d a n d t e mp e r a t u r e s t r e s s o f t h e s h e l l i n t h i s c o n d i t i o n，a n d c o mp a r e s t h e r e s u l t s wi t h t h a t i n c o n d i t i o n s o f o v e r a l l c o o l i n g ，o v e r a l l h e a t a n d t h e g r a v i t y T h e s t u d y s h o ws ：t h e t e mp e r a t u r e fi e l d o f t h e s h e l l u n d e r t h e e f f e c t o f t h e who l en o n u n i f o rm s u ns hi n e i n s u mme r i s v e r y i n h o mo g e n e o us Th e t e mp e r a t u r e o f t he s u rfa c e e x p o s e d t o t h e s u n i s 2 1 2 2 h i g h e r t h a n t h e t e mp e r a t u r e o f t h e s h a d e d s u r f a c e T h e t e mp e r a t u r e g r a d i e n t o f t h e c r o s s p r o fil e a c c o r d s wi t h e x p o ne n t i a l f u n c t i o n d i s t r i bu t i o nTh e Ma x i mu m p r i n c i p a l s t r e s s o f t he s h e l l u n d e r t h e wh o l e n o n u n i f o r m s un s h i n e i n s u mme r i s 3 63 5 MPa I t i s 1 6 63 MPa hi g h e r t ha n t h a t u n d e r t h e e f f e c t o f g r a v i t y a n d i s 0 5 4 2 MP a h i g h e r t h a n t h a t i n t h e o v e r a l l wa rm i n g c a s e ，w h i c h i S i u s t 0 1 4 6 MP a l o w e r t h a n t h a t i n t h e o v e r all c o o l i n g c a s e Th i s pa p e r p r o v i d e s s o me r e f e r e n c e s f o r t h e d e s i g n o f i rre g u l a r c o n c r e t e s he l 1 Ke y wo r d s： t he wh o l en o n u n i for m s u n s h i n e；i r r e g u l a r c o n c r e t e s h e l l ；t e mpe r a t u r e l o a d；t e mp e r a t u r e e f f e c t 混凝土结构温度问题的研究较为复杂 ， 温度作 用不仅和结构物所处的经纬度 、 海拔高度、 太 阳辐 射强度等因素有关 ， 还和建筑物的结构形式 、 约束 条件 、 材料热物理性 质有 。国内外对 此展开 收稿 日期： 2 0 1 41 1 2 2 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 7 8 5 1 1 ) 通讯作者： 张汉一( 1 9 7 0 一) ， 男， 吉林磐石人 ， 高级工程师， 从事结构施工管理； E m a i l ： 9 4 0 5 6 0 2 9 0 q q e o m 第 3期 熊高亮， 等 ： 不规则混凝土壳体在整体不均匀 日照作用下的温度效应研究 6 2 5 了很多研究 ， 但研究对象大多数是桥梁 、 道路 ， 或规 则 的平 板、 梁柱 ， 对不 规则 混凝 土壳体 的研究 很 少 。在考虑 1 3照温度荷载方面 ， 往往研究 横 截面上的温度梯度问题 ， 然而， 在某些时刻， 日 照作 用在整个结构上并不均匀 ， 壳体外表面会 出现部分 区域受太阳直射， 部分区域未受太阳直射的情况， 而关于此种情况下 日照温度效应的研究很少 。本 文以一实际工程为背景， 结合太阳辐射和对流换热 等相关知识 ， 对夏季整体不均匀 13照作用在一个不 规则混凝土壳体表面产生的温度荷载进行计算， 运 用有限元软件 ， 研究该壳体在整体不均匀 13照作用 下的温度场和温度应力情况 ， 并将所得结果与整体 升降温及 自重荷载作用下 的结果进行对 比和分析 ， 为类似结构的设计提供一定的参考。 1 温度荷载的确定 1 1 太阳辐射作用 1 1 1 太阳常数 在晴天 ， 太 阳辐射是混凝土结构从外界吸收能 量 的主要来源 。对于土木工程中的计算来说 ， 按如 下经验公式计算一年中不 同 13期地球大气层上的 太阳辐射强度 即太 阳常数 ， n ， 可 以达到 足够 的精 确度【 。 ， 0=1 3 6 7 1 1+ 0 o 3 3 c o s ( ) ( wm ( 1 ) 式 中： 为 自1月 1 13起算的 日序数 ， 由于在我国 夏季 13照最为强烈 ， 本文将 1 3 期定为 7月 1号 ， 则 N=1 81 。 1 1 2 太 阳辐射 1 ) 太 阳直接辐射 太 阳直接辐射是经大气衰减后到达地面的太 阳光线 的辐射强度。E l b a d r y等 对基于布格 一 兰伯特定律的太阳瞬时辐射强度计算模 型进行 了 简化 ， 得到如下直射太阳辐射强度 G 。的近似计算 公式。 G D=0 9 I o ( 2 ) 式中： m 为 经气 压 修 正 的大 气 光 学质 量 ，m = 。 s i n ； 。 为不同海拔高度的相对气压 ， 本文取 k 。 = 1 ； 3 为太 阳高度角 ， 本文取 13照强烈 的 1 4 ： 0 0时 作为分析时间， 则太阳高度角 =6 0 。 ； f 是林克氏 浑浊度系数 ， 随大气状况和季节变化 ， 可按 下面经 验公式计算 ： A Bt uc O S ( 3 ) 为 自1月 1 13起算 的13序数 。 A ， B 分别表 示不同大气状况下 ， 林克氏混浊系数 的年平均值和 变化幅度 ， 本文取大城市为所在地 ， A =3 7， B = 0 5 。由式 ( 2 ) 所计算 的地面上的直接辐射 ， 是与 太阳射线垂直平面上的辐射强度 ， 对于太阳入射角 为0 的结构表面， 直接辐射强度为 G G D =G D c o s 0 ( 4 ) 式 中： 为人射角 ( 即太 阳光线 与平面法线之间的 夹角) ， 如果 c o s 0小于 0， 则没有直接入射到表面 ， 即表面处于阴影中。 2 ) 天空散射 太阳辐射被大气层散射的能量中， 有一部分回 到地球表面 ， 试验观测表明 ， 天空散射从整个天穹 大致均匀地投射到地球表面 ， 任意斜面上 的天空散 射强度 G 妇可按如下经验公式计算 。 G 曲 =R ( 0 2 7 1 1 o一0 2 9 4 G D ) s i ( 5 ) 式中 ： 为表面对天空的角系数。 3 ) 地面反射 太阳辐射 ( 包括直接辐射 和散射 ) 投射到地表 后 ， 将有一部分被地表反射 ， 即地表短波反射 ， 投射 到结构表面的地表短波反射强度 G 可按下式计 算 ： G R = ( G D s i n 3+G d ) ( 6 ) 式中： R 为表面对地面的角系数 ； P为地表短波反 射率 ， 一般无雪地面取 0 2 。 4 ) 角系数 照射在水平面和倾斜面上的天空散射辐射分 量是相同的， 但是水平面上所接收到的散射辐射是 来 自整个天空的； 而倾斜面上所接收到的散射辐射 则既 有来 自大半 个 天空 的， 也有 来 自部 分地 面 的 ， 如图 1 所示 。其 中来 自大部分天空散射辐射 的角系数应为图中半球空 白部分与整个半球 的表 面积 之 比 ， 即 ： R ：( 1+C O S O t ) 2 ( 7 ) 来 自地面散射辐射 的倾斜 因子则应为图中半 球阴影部分与整个半球的表面积之比， 即 R = ( 1一C O S O ) 2 ( 8 ) 对于本文的计算模型而言 ， ：0， 所以 R = 1，Rg = 0。 5 ) 总辐射 如上所述 ， 投射到结构物表面的短波辐射包括 太阳直接辐射 、 天 空散射和地表 反射 3个部 分组 6 3 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5年 6月 温作用下 的最大主应力小 0 1 4 6 MP a 。对于此类 结构物而言 ， 在进行温度效应 的分析时 ， 应考虑夏 季整体不均匀 E l 照作用对结构物的影响。 参考文献 ： 1 孙国富 大跨度钢管混凝土拱桥 日照温度效应理论及 应用研究 D 济南： 山东大学， 2 0 1 0 ： 1 4 2 6 S UN G u o f u T h e o r y a n d a p p l i c a t i o n s t u d y o f s u n s h i n e t e mp e r a t u r e e ff e c t s o n L o n g s p a n C F S T ARC H B r i d g e D J i n a n ： S h a n d o n g U n i v e r s i t y ， 2 0 1 0： 1 4 2 6 2 A n a n dN， P ri n c eGA r u l r a j E ff e c t o f g r a d e o f c o n c r e t e o n t h e p e r f o r ma n c e o f s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e b e a ms s u b - j e c t e d t o e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s 【 J S p ri n g e r J o u r n a l ， 2 0 1 4 ， 5 0 ( 5 ) ： 1 2 6 91 2 8 4 3 翟建平 ， 秦红禧， 何旭辉铁路斜拉桥承台大体积混凝 土水化热温度 一应力场研究 J 铁道科学与工程学 报 ， 2 0 1 1 ， 8 ( 2 ) ： 2 7 3 3 Z H A I J i anp i n g ，Q I N H o n g x i ，H E X u h u i S t u d y o n t e n p e r a t u r et h e rm a l s t r e s s fi e l d o f h y d r a t i o n h e a t o f r a i l w a y c a b l es t a y e d b ri d g e p i l e c a p J J o u rna l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 1 ， 8 ( 2 ) ： 2 7 3 3 4 尹邦武， 杨峰， 郭向荣 ， 等温度变形对大跨度钢箱系 杆拱桥车桥动力响应的影响 J 铁道科学与工程学 报， 2 0 1 3 ， 1 0 ( 6 ) ： 2 1 2 7 YI N Ba n g w u，YANG Fe ng， GUO Xi a n g r o n g， e t a 1 I n flu e n e e o f t e mp e r a t u r e d e f o r ma t i o n o n v e h i c l e b ri d g e d y - n a mi c r e s p o n s e o f l o n g s p a n s t e e l b o x g i r d e r t i e d a r c h b r i d g e J J o u rna l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 3 ， 1 0 ( 6 ) ： 2 1 2 7 5 C h a i Y HT e m p e r a t u r e g r a d i e n t s i n l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e b o xg i r d e r b ri d g e s J I E S J o u rnal P a r t A： C i v i l S t r u c t u r al E n gin e e ri n g ， 2 0 1 3 ， 6 ( 3 ) ： 1 9 9 2 1 0 6 J o n gH a n L e e ， I l k e r K al k a n A n al y s i s o f t h e rma l e n v i r o n me n t a l e ff e c t s o n p r e c a s t ，p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b ri d g e g i r d e r s ：t e mp e r a t u r e d i f f e r e n t i a l s and t h e rm al d e f o rm a t i o n s J ，A d v a n c e s i n S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 2 ， 1 5 ( 3) ： 4 4 74 5 9 7 肖新辉， 刘扬， 郭鑫， 等 组合高墩大跨连续刚构桥箱梁 日照温度场观测与效应分析 J 铁道科学与工程学 报， 2 0 1 4 ， 1 1 ( 1 ) ： 1 O一1 6 XI AO Xi n h u i ，L I U Ya n g ，GUO Xi n ，e t a1 Ob s e r v a t i o n a n d s t u d y o f t e mp e r a t u r e d i s t rib u t i o n i n c o mb i n a t i o n o f h i g h p i e r l a r g e s p a n c o n t i n u o u s a n d ri g i d f r a me b ri d g e J J o u rn a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n gi n e e r i n g ， 2 0 1 4 ， I 1 ( 1 ) ： 1 01 6 8 但汉成， 李亮， 姚辉 水泥混凝土路面温度应力 回归计 算分析 J 铁道科学与工程学报 ， 2 0 1 0 ， 7( 4 ) ： 1 5 1 9 D AN Ha n c h e n g，L I L i a n g，YAO Hu i Re g r e s s i o n c a l c u l a t i o n a nd a n a l y s i s f o r t he rm al s t r e s s o f c e me nt c o nc r e t e p a v e m e n t J J o u rnal o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n gi n e e r - i n g ， 2 0 1 0 ， 7 ( 4 ) ： 1 5一l 9 9 O s k a r L a r s s o n Mo d e l l i n g o f t e mp e r a t u r e p r o fi l e s i n a c o n c r e t e s l a b u n d e r c l i ma t i c e x p o s u r e J S t r u c t u r a l C o n c r e t e ， 2 0 0 9 ， 4 ( 1 0 ) ： 1 9 3 2 0 1 1 0 顾敏峰 高温下钢筋混凝土柱温度场模拟及力学性能 研究 D 西安 ： 长安大学， 2 0 1 2 ： 4 1 4 7 GU Mi n f e n g Te mpe r a t u r e fie l d s i mu l a t i o n a n d r e s e a r c h o n me c h a n i c s p e r f o rm a n c e o f r e i n f o r c e d c o nc r e t e c o l umn s u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e D X i a n ： C h a n g a n U n i v e r - s i t v ， 2 0 1 2： 414 7 1 1 E l b a d r y M M， G h ali A T e m p e r a t u r e v a ri a t i o n s i n c o n c r e t e b ri d g e s J J o u rna l o f t h e S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， A S C E， 1 9 8 3 ， 1 0 9 ( 1 O ) ： 2 3 5 2 3 7 1 2 刘照球 混凝土结构表面对流换热研究 D 上海 ： 同 济大学， 2 0 0 6 ： 7 7 7 8 L I U Z h a o q i u R e s e a r c h o n c o n v e c t i v e h e a t t r a n s f e r o f c o n c r e t e s t me t u r e s u r f a c e D S h a n g h a i ： T o n g j i U n i v e r s i t y 2 0 0 6： 7 77 8 1 3 樊小卿温度作用与结构设计 J 建筑结构学报 ， 1 9 9 9 ， 2 0 ( 2 ) ： 4 35 0 FAN Xi a o qi ng Te mpe r a t u r e e f f e c t s a nd s t r u c t u r a l de s i g n J J o u rna l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， 1 9 9 9 ， 2 0 ( 2 ) ： 4 3 5 0 ( 编辑蒋学东)