混凝土结构日照效应计算中换热参数的修正.pdf

2 0 1 2年 第 1 1期 ( 总 第 2 7 7期 ) Nu m b e r 1 1 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOLoGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 1 1 0 4 2 混凝土结构 日照效应计算中换热参数的修正 刘照球 ，万福磊 。张吉2 ( 1 盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 2 2 4 0 5 1 ；2 中国建筑科学研究院， 北京 1 0 0 0 1 3 ) 摘要： 日照辐射作用下换热参数的合理计算会直接影响混凝土结构温度效应分析结果的优劣。 综合分析建筑和桥梁混凝土结构服役 过程的实际情况， 考虑风速、 温差、 结构朝向、 所处位置等环境因素的变化， 对通过试验室取得的混凝土表面对流换热、 总热换热参数进行 合理修正。 由于风速和结构朝向是影响换热参数的主要因素， 计算公式中主要针对这两个因素进行修正， 提出符合实际情况的混凝土表 面对流换热、 总热换热参数计算公式， 为混凝土结构 日 照效应分析中 换热参数的计算提供较精确的方法。 关键词： 混凝土结构；日 照作用；温度效应分析；换热参数修正 中图分类号： T U 5 2 8 O l 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) l 】 一 O 1 2 8 0 4 Ame ndmen t o f he a t t r a ns f er pa r ame t er s i n t he c al c ul a t i on of s ol a r a c t i on f or c onc r e t e s t r u c t ur e LI U Z h a o q i u W AN Fu - l e i 2 , ZHANG J i ( 1 S c h o o l o f Civ i l E n g i n e e r i n g ， Ya n c h e n g I n s t i tu t e o f T e c h n o l o g y， Ya n c h e n g 2 2 4 0 5 1 Ch i n a 2 C h i n a Ac a d e myo f Bu i l d i n gR e s e a r c h ， Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e r a t i o n a l c a l c ul a t i o n o f h e a t t r a n s f e r p a r a me t e r s u n d e r s o l a r r a d i a t i o n WO u l d d i r e c t l y i n fl u e n c e也e a n a l y s i s r e s ult s o f t e mp e r a t u r e e ff e c t f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e C o mp r e h e n s i v e a n a b rs i s o f t h e a c t u a l s i tua t i o n o f t h e b u i l d i n g a n d b r i d g e c o D _ c r e t e s t ruc t u r e d u ri n g t h e i r s e r v i c e p e r i o d s ， a n d t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e c h a n g e o f e n v i r o n me n t a l f a c t o r s s u c h a s the wi n d s p e e d， t e mp e r a tur e ， s t r uc t u r a l o rie n t a t i o n a n d l o c a t i o n the p a r a m e t e r s o f t h e c o n v e c t i v e h e a t t r a ns f e r a n d t o t a 1 h e a t t r a ns f e r ， whi c h o b t a i n e d j n the l a bo r a t o r y， we r e a me nd e d r e s p e c t i v e l y F o r t h e c a l c u l a t i o n of the h e a t t r ans for p a r a me t e r s ， t h e wi n d s p e e d and s t r u c t ur a l o r i e n t a t i o n we r e the ma i n i n fl ue n c e f a c t o r s ， the c a l c u l a t i o n for mu l a s we r e a me n d e d i n l i g h t o fthe t wo i n fl u e n c e f a c t o r s Th e c a l c u l a t i o n f o r mu l a s p r o v i d e d c o u l d c o n s i d e r the a c tua 1 e n v i r o n me n t a l s i tua t i o n o ft h e c o n c r e t e s urf a C C and g a v e m o r e a c c u r a t e m e t h o d s f o r c a l c u l a t i n g t h e h e a t tra ns f e r p a r a m e t e r s i n t h e a n a l y s i s o f the s o l a r a c t i o n o fc o n c r e t e s t r u c t u r e Ke ywor d s： c o n c r e t e s t r u c tur e； s o l a ra c t i o n； t e mpe r a t u r e e f f e c t a n a l y s i s ； h e a t t r ans f e rp a r a me t e r sam e n d me n t 0 引言 处于自然环境中的混凝土结构， 在其生命周期过程中长期 经受风雨雪和 日照辐射的作用。 目前， 日照辐射作为主要因素所 导致的混凝土结构开裂或变形过大问题已屡见不鲜， 建筑结构 中大面积通直剪力墙、 桥梁结构中高索塔、 高速铁路长直轨道 梁等通长混凝土结构类型的应用也加速了对这类问题的研究。 日照辐射主要会引起混凝土表面发生导热、 换热、 吸收、 膨胀等 作用， 其中换热又包含对流换热和辐射换热， 为混凝土结构温 度效应分析中各类热工指标中的重要参数 ， 二者之和又称为总 热换热参数。 混凝土材料的导热、 吸收和膨胀系数在热工学科中有其固 定的取值范围， 但换热参数由于其影响因素较多， 比较难以确 定其取值范围。 以前对于混凝土换热参数的研究较少， 或者是仅 局限于个案分析 。 随着国内各类通长混凝土结构的建设和应 用， 混凝土结构由于 日照作用所导致的裂缝或变形问题已经不 容忽视， 相应地 ， 对混凝土换热参数的研究也越来越多。 刘文燕 等研究了热工参数对混凝土结构温度场的影响 1 ， 张建荣等对 混凝土表面换热参数进行了系统的试验研究 】 ， 肖建庄 、 宋志 文等针对混凝土结构在 日照作用下的各种热工参数进行了系 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 5 1 6 1 28 统的分析 ， 王伟等基于日照辐射研究了非线性温差作用下的 混凝土结构的温度应力 ， 刘红波等研究了太阳辐射下弦支穹 顶叠合拱结构的温度效应 ， 孙国富对大跨度钢管混凝土拱桥 13 照温度效应理论和应用进行了系统的研究。 笔者曾对混凝土表面换热参数取值进行了系列的试验室 研究， 取得了求解换热参数的一般公式 。 但在后期的实际工程 应用中发现， 试验室得出的参数求解公式由于忽略了风速紊变 和结构朝向等因素影响， 在混凝土结构 日照温度场计算时常常 会导致结果偏低 。 本研究针对建 筑结构 和桥梁结构 两种 混凝 土 结构类型服役过程的实际情况， 结合考虑不同学者的研究结论 和各种环境因素， 其中主要以风速为主， 并结合结构朝向因素 ， 提出对试验室的取值公式进行一定修正， 为混凝土结构日照效 应分析中换热参数的计算提供较精确的方法。 1 换热参数的试验室取值公式 为确切分析换热对混凝土温度作用的一般规律， 笔者曾对 混凝土表面的自然换热和受迫换热进行了系列试验研究 ， 并给 出了混凝土表面换热参数试验室取值公式 】 。 受迫换热的试验 工况是在直流式风洞试验室进行的， 人工施以不同的风速纵掠 试件， 待温度稳定后采集数据， 其中风速在 l 2 0 m s 内连续可 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 调。 自然换热的试验工况是保持试验段处于绝对封闭状态 ， 没 有风速的干扰， 避免外界光线辐射的干扰。 试验构件裸露在空气 中， 与试验段墙壁直接发生辐射换热， 当构件内外表面温度达 到平衡状态时自动采集数据。 试验室建议对流换热参数的取值式为： h e = 3 0 6 v + 4 1 1 W ( m K) ( 1 ) 式 中 ： u 表面风速 ， m s ； 4 1 1 自然对流换热的试验室平均数值。 辐射换热参数取值式为： 7 0 0 3 5 A t + 5 4 4 w ( m K) ( 2 ) 式 中 ： 表 面温差 ， ； 5 4 4 自然辐射换热的试验室平均取值。 总热换热参数取值式为： h = 3 0 6 v + 0 0 3 5 A t + 9 5 5 w ( m2 K) ( 3 ) 式中： 总热换热参数 9 5 5 取值为式( 1 ) 、 ( 2 ) 之代数和。 试验室的研究结果表面， 混凝土结构表面对流换热参数受 风速因素的影响最大， 辐射换热参数和混凝土表面的温差有着 直接的关系， 当结构内外表面温差不超过 2 5时， 基本保持为 一 个常数。 2 换热参数取值公式的修正 2 1 典 型城 市风速 变化 规律 实际结构表面发生换热的基因是 日照辐射产生的表面温 差 ， 影响换热的环境因素有风速 、 气温、 结构朝向等， 其中， 气温 和结构朝向又同时受结构表面风速大小的影响， 因此 ， 风速为 最主要的影响因素。 理论上讲 ， 风速等于零时， 可得到日照辐射 出现的最不利温度场。 然而， 实际上风速不可能保持为零。 风速 的变化是随机的， 但又有一定规律性。 图 1 给出了我国南中北方 向 5 个典型城市气象站测得的年平均风速 日变化曲线( 上海气 象局提供数据) ， 从图 1中可以看出一E t 中风速变化规律。 在陆 地上 ， 一般风速以午后为最大， 因为下垫面最热 ， 对流旺盛， 高 空下传 的动量也最多。 日落前后的 1 7 ： 0 0 1 9 ： 0 0时地面开始逐 渐冷却 ， 气层趋于稳定 ， 因而风速急减 ， 入夜后风速基本稳定， 一 直到 E t 出后 因近地气层不稳定 而风速 迅速增大 ， 1 2 ：0 0 1 4 ： 0 0 时即达到峰值附近， 1 1 ： 0 0 1 7 ：0 0时是全天风速最大的时候。 考 虑到 日风速变化规律性差 ， 为了取值和计算方便， 日风速可取 当地风速的平均值作为计算代表值。 1 3 5 7 9 ll l 3 l 5 l7 l9 21 23 25 时间 h 图 1 5个典型城市年平均风速 日变化 曲线 2 2 建筑结构表面对流换热的修正 建筑结构表面时刻暴露在不断变化的环境条件下 ， 这些变 化的环境条件包括影响对流换热过程的许多因素， 比如风速、 温 差、 辐射等。 有必要将现有取值公式和试验研究进行对比和修正， 给出适应于建筑结构表面对流换热的取值式。 建筑热物理学中， 对于中等粗糙度的固体( 混凝土等) 维护 结构外表面， 根据实际情况 ， 对流换热参数可按下列近似式计 算1 2 】 ， 式中常数项为 自然对流换热产生的影响。 h e= 4 2 + 4 2 5 W ( m 2 K) ( 4 ) 美国 I t o和 Ki mu r a从实际建筑物得到了建筑结构表面换 热参数的对流分量 ， 研究结果表明， 建筑物表面对流换热参数 很大程度上取决于风速和建筑表面是迎风侧还是背风侧( 图 2 所 示) ， 并给出式( 5 ) 来表示1 3 ： h o= l 8 6 3 ( m K) ( 5 ) 此处 的取值 ， 对于迎风面 v o = 0 2 5 v ( v 2 m s ) 、 1 ) c = 0 5 0 v ( v 5 m s 。 3 5 + 3 0 v w ( m K) ( 9 ) 式 中： u 5 m s 。 李全林 通过对湖南省潭邵高速公路水府庙大桥温度场的 实测， 利用差分法反算了结构表面的对流换热参数和其取值公式： h o = 6 5 + 4 0 v W ( m。 K) ( 1 0 ) Ke h l b e c k给出的桥梁结构混凝土表面对流换热参数取值 式如下 ： + 5 8 W ( m2 K) ( 1 1 ) Mi r a mb e l l 和 A g u a d o 7 1 给出的混凝土桥梁结构箱梁腹板外 表面的对流换热参数计算式： h e = 3 8 3 v + 3 6 7 W ( m K) ( 1 2 ) S a e t t a 、 S c o R a和 Vi t a l i a n i t q 给出的桥梁结构表面的对流换 热参数计算式如下： h o = 5 6 + 4 0 v W ( m K) ( 5 m s ) ( 1 3 ) h e = 7 1 5 v W ( n a 2 K) ( u 5 r n s ) ( 1 4 ) Z i c h n e r t 9 1 推荐使用以下式子计算桥梁结构混凝土表面对 流换热参数： 5 5 8 + 3 9 5 v w ( m K) ( 1 5 ) 综合式( 8 ) ( 1 5 ) ， 给定风速值并与试验室研究结果对比见 表 3 和图4 ， 修正后桥梁结构混凝土表面对流换热参数取值式( 1 6 ) ： h e = 3 6 6 v + 5 4 4 W ( m 。 K) ( 1 6 ) 其中的常数项是考虑了自然对流换热的影响， 风速前面的 系数综合考虑了桥梁结构不同朝向的影响。 表 3 桥梁结构 中对流换热研究结果对 比 1 3 O +魏光坪 +李全林 - - _ 一Ke h l b e c k +M， A - 一 S S V Z i c h n e r 一实验数 据 +修正值 0 l 3 5 7 9 l1 风速 ( m s ) 图 4 桥梁结构 中对流换 热参数取值修正 2 4 混凝土结构表面换热参数通用式 综合式( 7 ) 、 ( 1 6 ) ， 给定不同的风速值， 分析结果见图5 ， 由 图5修正得出混凝土结构表面对流换热参数取值的通用式： h e = 3 4 6 v + 6 0 2 W ( m K) ( 1 7 ) 同理 ， 其中的常数项是考虑了 自然对流换热的影响， 风速 前面的系数综合考虑了结构表面不同朝向的影响。 风速 ( m s ) 图 5混凝 土结构表面对流换热参数取值修正 美国w_ M 罗森诺t 2 0 l 对于建筑物表面总换热参数进行了研 究， 采用美国供暖制冷和空气调节工程师学会( AS H R AE) 基础 手册中的数据 ， 给出了混凝土表面总热换热参数取值式： 2 6 4 v + 1 1 5 8 W ( m K) ( 1 8 ) 印度的D S P r a k a s h R a o f 2 】 队为桥梁结构表面的总热换热参 数仅是表面风速的函数 ， 给出以下式子： h 3 8 8 v + 1 3 5 0 w ( r n 2 K) ( 1 9 ) 结合试验室的辐射换热和总热换热取值式( 2 ) 、 ( 3 ) ， 由图 6 修正得出混凝土结构表面总热换热参数取值的通用式： h e = 3 3 3 v + 1 2 4 7 W ( m K) ( 2 0 ) 式中的常数项是考虑了自然对流换热的影响， 风速前面的 系数综合考虑了结构表面的温差和不同朝向的影响。 风速 ( m s ) 图 6 混凝土结构表面总热换热参数取值修正 3结论 在试验结果和国内外学者的研究基础上， 综合考虑风速和 结构朝向等主要环境因素的影响， 对混凝土结构表面的对流换 热参数和总热换热参数取值公式进行修正， 为混凝土结构 日照 效应分析中换热参数的计算提供较精确的方法。 建议混凝土结构表面对流换热参数取值的通用式为： 如 如 5 一 一 县 一 、 辍 避靛 如 加 m 一 一 g一 、 事一 、 漆 瘴 鹾靛 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m h e = 3 4 6 v + 6 0 2 W ( m。 K) 建议混凝土结构表面总热换热参数取值的通用式为： h e = 3 3 3 v + 1 2 4 7 W ( m2 K) 参考文献 ： 刘文燕、 耿耀明 热工参数对混凝土结构温度场影响研究【 J 混凝土 与水泥 制品， 2 0 0 5 ， 1 4 1 ( 1 ) ： 1 1 1 5 2 】张建荣 ， 周元强， 林建萍， 等 混凝土结构对流换热效应研究 J 1 _四J l l 建筑科学研究， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 3 ) ： 1 5 7 1 6 0 3 张建荣 ， 徐向东， 刘文燕 混凝土表面太阳辐射吸收系数测试研究 J 1 建筑科学 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 1 ) ： 4 2 4 5 4 1肖建庄， 宋志文 ， 张枫 昆 凝土导热系数试验与分析 J 1 _建筑材料学 报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 1 ) ： 1 7 2 1 5 I 肖建庄 ， 宋志文， 赵勇 ， 等基 于气象参数的混凝土结构日照温度作 用分析lJ l_ 土木工程学报， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 4 ) ： 3 0 3 6 f 6 J 宋志文， 肖建庄， 赵勇基于试验测定的混凝土热工参数反演计算【 J 】 同济大学学报： 自然科学版， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 1 ) ： 8 3 5 - 8 3 8 f 7 王伟， 而小卒， 赵勇 非线性温差作用下混凝土结构的温度应力 J 1 同 济大学学报： 自然科学版， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 7 ) ： 9 8 6 - 9 9 0 8 王伟， 苏小卒上 海铁路南站温度应力分析f J l l建筑结构， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 增 T U ) ： 4 9 9 5 0 2 9 刘红波， 陈志华 ， 王小盾， 等 太阳辐射下弦支穹顶叠合拱结构的温 度效应 J 1 天津大学学报， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 8 ) ： 7 0 5 - 7 1 1 1 0 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 2 2 8 1 1 张建荣 ， 刘照球 混凝土对流换热系数的风洞试验研究【 J 土木工程 学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 9 )： 3 9 4 2 上接第 1 2 3页 1 2 柳孝图 建筑物理( 第三版) 【 M E 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 1 0 ： 7 2 9 O 1 3 I t o , K i mu r a A f i e l d e x p e r i me n t s t u d y o n t h e c o n v e c t i v e h e a t t r a n s f e r c o e ff i c i e n t 0 n t h e e x t e r i o r s u r f a c e o f a b u i l d i n g J A S HR A E T r a n s ， 1 9 7 2 ， 7 8 ( 1 ) ： 5 7 8 5 9 1 1 4 K E H L B E C K F 太阳辐射对桥梁结构的影响【 M 京： 中国铁道出皈 社 ， 1 9 8 1 ： 4 5 6 7 1 5 觏 光坪单室预应力混凝土箱梁温度场及温度应力研究【 J J 西南交通 大学学报， 1 9 8 9 ( 4 ) ： 1 2 1 6 【 1 6 李全林 日照下混凝土箱梁温度场和温度应力研究 D 长沙： 湖南大 学 ， 2 0 0 4 ： 1 2 3 3 1 7 Mi r a mb e l l ， A g u a d o T e mp e r a t u r e a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n s i n c o n c r e t e b o x g i r d e r b r i d g e s J I J o u r n a l o f S t mc t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 0 ， 1 1 6 ( 9 ) ： 2 3 8 8 2 4 0 9 【 1 8 S a e u a ， S e o t t a ， Vi t a l i a n i S t r e s s a n a l y s i s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s s u b J e c t e d t o v a r i a b l e t h e r ma l l o a d s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 5 ， 1 2 1 ( 3 ) ： 4 4 6 4 5 7 1 9 Z i c h n e r T e m p e r a t u r e d e p e n d e n t b ri d g e m o v e m e n t s J J o u r n a l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 2 ， 1 1 8 ( 4 ) ： 1 0 9 0 1 1 0 5 f 2 o l w M 罗森诺 传热学基础手册 MI 北京： 科学出版社， 1 9 9 2 ： 4 O 8 f 2 1 RA O D S P T e m p e r a t u r e d i s t ri b u t i o n a n d s t r e s s e s i n c o n c r e t e b r i d g e s l J 1 A C I J o u r n a l ， 1 9 8 6 ， 8 3 ( 5 2 ) ： 5 8 8 5 9 6 作者简介： 刘照球( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 工学博士 ， 副教授， 主要从事混凝土结 构分析、 工程抗震与防灭等方面研究。 联系地址： 江苏省盐城市迎宾大道 1 0 号 迎宾花苑小区 1 8 号楼9 0 4 室 ( 2 2 4 0 5 1 ) 联 系电话 ： 1 3 8 1 3 4 4 6 4 5 0 表 2 d N L结构灌缝胶主要性能 钻孔内的压力就降低 ， 要保持注浆的压力； 对稳压注胶器内的 浆液情况要观测， 对浆液减少的注胶器要及时地补充浆液； 浆液 的固化时间一般根据密实层度控制在 8 1 2 h之间。 ( 3 ) 裂纹处理后的观测。 为了有利于进一步确认裂纹产生的 原因， 保证隧道运营安全， 建议在裂纹处理时布置裂纹变化监测点， 继续观测裂纹发展趋势， 以便在裂纹有大的开展时及时进行处理。 参考文献 ： 【 1 贾宝军隧道洞身衬砌混凝土裂纹的产生与整治初探【 J _工程建设与 设计 ， 2 0 0 5 ( 1 2 ) ： 7 2 7 3 2 文先锋 隧道衬砌裂纹、 渗水的原因分析及处理措施 J _ 铁道建设 ， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 2 9 3 2 3 曹小林隧道模筑混凝土衬砌微裂纹浅析 J lJ 铁道工程学报 ， 2 0 0 2 ， 7 6 ( 4 ) ： 7 9 8 3 4 陈双厌 大瑶山隧道衬砌裂纹整治设计及施工 J l -铁道勘测与设计， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 3 0 3 3 5 朱宏峰 凉风凹 1 号隧道混凝土衬砌裂纹的处治 J 1 中国科技博览， 2 0 1 1 ( 3 4 ) ： 1 7 5 1 7 6 作者简介： 李明华( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 教授， 研究方向： 道路与铁道工程。 联系地址： 南昌市双港东大御z - 8 0 8 号 华东交通大学土建学院( 3 3 0 0 1 3 ) 联 系电话 ： 0 7 9 1 - 9 7 1 2 6 8 7 8 1 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m