一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法及系统，该方法包括如下步骤：确定结构所在位置的地理经度和纬度，通过在结构上安装传感装置测量结构的环境空气温度和表面风速。采用本发明专利技术的结构太阳辐射模型计算确定作用于结构表面的直接辐射强度、散射强度和反射强度。依据结构表面的太阳辐射强度，建立动态温度边界条件，采用有限元方法求解结构的三维热传导方程即可确定土木工程结构表面及其内部任何一点的动态温度效应。本发明专利技术适用于各种不同类型土木工程结构在太阳辐射作用下的温度效应分析及评估，特别适用于具有较小几何尺的结构以及周边存在复杂遮蔽的结构的温度效应的分析评估。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及温度效应评估技术，尤其涉及一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法及系统。
技术介绍
土木工程结构长期于露天服役，不可避免的承受外界荷载和自然环境的作用。结构在太阳辐射和气温变化等环境因素的影响下，将引起不均匀非线性温度分布，从而产生明显的温致效应。国内外研究表明，强烈的时变温度荷载作用下将导致非常严重的温致效应：如大跨度桥梁结构在一天之内的由于时变温度所引起的频率变化可高达5％。土木工程结构在强烈的温度荷载作用下极易引起强烈的非线性时变温差效应，导致结构出现严重的温致应力集中和温致大变形，从而进一步导致结构出现性能退化甚至温致损伤，进而导致结构使用功能受到削弱，难以满足长期服役条件下的安全性、适用性和耐久性的要求。因此，如何保证土木工程结构在温度荷载作用下的安全性和耐久性，是摆在广大工程技术人员和科研工作者面前的一个现实问题，具有重要的科学意义和实际工程意义。由于土木工程结构的温度效应分析涉及到天文物理学、传热学、新材料科学、风工程、有限元理论等众多方面的基础理论，是一个典型的多学科交叉的问题。因此，温度效应问题较为复杂，现有的理论方法和技术手段还不完善。早期对工程结构温度效应的研究并没有考虑温度的时变效应，往往简单的基于结构环境的温差来研究结构的温度效应。由于这种方法无法有效地考虑瞬态温度场，因此往往通过人为地放大结构的静态温度荷载的方法进行温度荷载估计，这本质上是一种非常粗糙的温致效应处理方法，只能获得结构温致效应的大致变化范围。国外自上世纪70年代末开始工程结构的太阳辐射温度效应研究，但研究对象主要集中于简单的混凝土箱梁桥结构。其主要原因是混凝土箱梁桥结构形式简单，因此温度荷载模型简单，结构的温致效应也相对容易确定。目前土木工程结构的温度效应分析主要是采用基于传统的天文学太阳辐射模型，通过建立作用于结构表面的太阳辐射强度以及温度边界效应来求解结构的温度效应。目前对于土木工程结构太阳辐射温度效应的机理的认识较为简单、分析评估方法和手段还非常匮乏，这直接导致结构温度荷载取值和温度效应计算出现较大的误差，现有基于传统天文学太阳辐射模型的结果与实测结果往往存在较大差别，难以吻合。现有方法没有考虑结构服役环境因素如湿度、风速、环境遮蔽、结构自遮蔽等因素的影响，缺乏从机理出发的对温度荷载模型和时变温度效应的基本科学问题的相关研究。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法及系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法，包括以下步骤：1)通过传感装置测量结构的环境空气温度和表面风速，所述环境空气温度和表面风速信息用于计算换热系数；2)根据结构所在位置的地理经度和纬度，计算结构所在位置一天中任何时刻的太阳高度角；然后采用结构太阳辐射模型计算确定作用于结构表面的太阳辐射强度，具体如下：2.1)设一天中的第i时刻，作用于土木结构的太阳辐射强度为： I i m = s i I i , ( t 1 < i ≤ t 2 ) ]]>其中， s i = π b - 1 t s 3 ( 6 t k 2 2 - π 2 ( t - t 2 + t k 2 ) 2 ) b t k 2 3 ( 6 t s 2 - π 2 ( t - t 1 ) 2 ) , ( t m < i ≤ t 2 ) ]]>其中：ts为一天中结构表面承受太阳辐射的时间；tk1为上午时间系数；tk2为下午时间系数；t1和t2分别为日出太阳时刻和日落太阳时刻；tm为结构表面受到最大强度的太阳辐射的时刻；t表示太阳辐射时刻；a和b为辐射模型的系数；2.2)确定作用于土木结构的太阳辐射强度Icivil：Icivil＝Im·(1-Se0)Se0为两种结果的太阳辐射强度误差： S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过传感装置测量结构的环境空气温度和表面风速，所述环境空气温度和表面风速信息用于计算换热系数；2)根据结构所在位置的地理经度和纬度，计算结构所在位置一天中任何时刻的太阳高度角；然后采用结构太阳辐射模型计算确定作用于结构表面的太阳辐射强度，具体如下：2.1)设一天中的第i时刻，作用于土木结构的太阳辐射强度为：Iim=siIi,(t1<i≤t2)]]>其中，si=πb-1ts3(6tk22-π2(t-t2+tk2)2)btk23(6ts2-π2(t-t1)2),(tm<i≤t2)]]>其中：ts为一天中结构表面承受太阳辐射的时间；tk1为上午时间系数；tk2为下午时间系数；t1和t2分别为日出太阳时刻和日落太阳时刻；tm为结构表面受到最大强度的太阳辐射的时刻；t表示太阳辐射时刻；a和b为辐射模型的系数；2.2)确定作用于土木结构的太阳辐射强度Icivil：Icivil＝Im·(1‑Se0)Se0为两种结果的太阳辐射强度误差：Se0=SIm-SISI]]>其中：SI为采用传统太阳辐射模型所得的结构表面在一天中受到的太阳辐射强度总和；SIm为基于修正的结构太阳辐射模型所得的结构表面在一天中受到的太阳辐射强度总和；SIm=Σi=t2t1siIi;]]>其中：Ii为第i时刻土木结构表面所受到的总太阳辐射强度；si为第i时刻太阳辐射强度因子；t1和t2分别为日出太阳时和日没太阳时；3)根据结构的物理参数以及作用于结构的表面的直接辐射强度、散射强度和反射强度等信息，建立适用于结构温度效应分析的动态温度边界条件；4)根据已经建立的结构表面太阳辐射强度以及热边界条件，确定结构内任意位置的温度场分布及温度效应。...

【技术特征摘要】
1.一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过传感装置测量结构的环境空气温度和表面风速，所述环境空气温度和表面风速信息用于计算换热系数；2)根据结构所在位置的地理经度和纬度，计算结构所在位置一天中任何时刻的太阳高度角；然后采用结构太阳辐射模型计算确定作用于结构表面的太阳辐射强度，具体如下：2.1)设一天中的第i时刻，作用于土木结构的太阳辐射强度为： I i m = s i I i , ( t 1 < i ≤ t 2 ) ]]>其中， s i = π b - 1 t s 3 ( 6 t k 2 2 - π 2 ( t - t 2 + t k 2 ) 2 ) b t k 2 3 ( 6 t s 2 - π 2 ( t - t 1 ) 2 ) , ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，郅伦海，李冬明，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42