考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法

摘要

本发明涉及一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，包括：针对桥塔结构，构建相应的三维模型；对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析，得到对应的结构表面时变阴影结果；根据结构表面时变阴影结果以及获取的桥址地区真实环境参数，确定出模型边界条件；将模型边界条件加载至构建的三维模型，通过数值求解得到结构内部时变温度场及时变温度效应。与现有技术相比，本发明综合考虑结构内部互遮挡情况、桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向对温度效应的影响，通过开展考虑背日葵现象的结构内部时变温度场及时变温度效应计算，能够准确地描述具有多塔肢的复杂桥塔结构时变阴影状态、温度场分布及温度效应情况。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁构件温度效应分析技术领域，尤其是涉及一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法。

背景技术

随着山区桥梁建设需求日益增长，为适应设计中的地形及线形要求，桥梁中出现了越来越多的高墩、桥塔构件，比如斜拉桥桥塔、悬索桥索塔以及山区峡谷中的高墩。各种高墩塔构件在复杂的自然环境中受到结构几何特征、与太阳光线的夹角等因素的影响，温度场分布时变规律与箱梁明显不同有所不同，准确地分析高墩塔的温度效应对桥梁的施工、运营养护等具有重要意义。

然而目前国内外对高墩塔的精细化温度场分布及温度效应研究还存在以下缺陷：现有关于高墩塔的温度效应研究中，大多是对温度场的实测数据进行分析，且仅考虑了二维断面的温度场问题，通常无法对结构沿高度方向的几何参数变化以及环境参数变化进行考虑，也无法考虑结构的三维阴影遮挡问题。即现有对于高墩塔温度场普遍的算法无法得到满足精度需求的温度场，要么不能考虑到桥址地区真实的环境参数——导致温度场模拟结果失真，要么没有考虑高墩塔各部分之间阴影互相遮挡，抑或者是无法考虑几何特性和环境参数特性沿构件高度变化的构件三维温度场。

此外，太阳辐射容易引起构件内部的不均匀温度场，而对于高桥墩、桥塔而言，当其各个面受到辐射差别较大时，各个面会发生程度不同的温度变形，引起高墩塔的时变的空间偏转效应，这种现象也被称为“背日葵”现象，可以说，背日葵现象必然会对桥塔的变形控制、应力控制产生相应影响，但目前并未有考虑背日葵现象而开展桥梁构件温度效应分析的研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析，从三维几何构造特性精细化、边界的时空变异特性精细化以及仿真分析的时间尺度精细化三方面入手，能够根据桥址地区环境参数特点，考虑构件间阴影遮挡状态，以准确得到复杂桥塔结构的时变温度效应。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，包括以下步骤：

S1、针对桥塔结构，构建相应的三维模型；

S2、对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析，得到对应的结构表面时变阴影结果；

S3、根据结构表面时变阴影结果以及获取的桥址地区真实环境参数，确定出模型边界条件；

S4、将模型边界条件加载至构建的三维模型，通过数值求解得到结构内部时变温度场及时变温度效应。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、根据工程需求、实际构建所处环境，划分构件温度场求解域，并进行子模型的拆分；

S12、基于对应的几何特征或功能特征，对拆分后的子模型进行简化；

S13、将简化后的子模型与无法简化的子模型组装至一起，并定义不同子模型之间的互相传热关系。

进一步地，所述步骤S2具体是结合结构内部互相遮挡情况、桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向，以对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、根据结构内部互相遮挡情况，对桥塔结构的模型外表面进行分类，并获取各表面的法向向量；

S22、根据桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向，计算出太阳高度角以及太阳方位角；

S23、基于步骤S22的计算结果，按照设定的判别准则对步骤S21分类后的表面进行阴影状态分析，得到结构表面时变阴影结果。

进一步地，所述步骤S21中对桥塔结构的模型外表面进行分类后得到无外投影表面和有外投影表面，所述无外投影表面具体是指结构表面是否受到太阳照射，仅仅与结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角有关；

所述有外投影表面具体是指结构表面的光照状态除了结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角对其有影响外，还可能受到其他外表面投影的影响，即有外投影表面在某一时刻会存在其他构件在此表面产生的光照投影。

进一步地，所述结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角具体为：

其中，α为结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角，

进一步地，所述步骤S23中，若分类后的表面为无外投影表面，则依据结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角α进行阴影状态分析：α小于90°，此时结构表面处于被照射状态；α大于90°，则此时结构表面处于阴影状态。

进一步地，所述步骤S23中，若分类后的表面为由外投影表面，则对应的阴影状态分析过程具体为：

若结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角α大于90°，则此时结构表面处于阴影状态，即全部被遮挡状态；

若结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角α小于90°，则此时结构表面处于被照射状态时，需进一步继续判断结构表面处于完全被照射状态还是部分被照射状态。

进一步地，所述判断结构表面处于完全被照射状态还是部分被照射状态的具体过程为：基于有限元网格划分在模型表面形成的点，针对模型表面上的每个点进行遮挡分析，判断经过此点的光线是否穿过结构外投影面集合内的任一表面。

进一步地，所述步骤S3中桥址地区真实环境参数包括但不限于环境温度、结构表面风速、太阳辐射和地面反辐射，其中，太阳辐射包括太阳直射辐射和散射辐射。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过构建桥塔结构相应的三维模型，并对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析，得到对应的结构表面时变阴影结果，再根据结构表面时变阴影结果以及获取的桥址地区真实环境参数，确定出模型边界条件，最后将模型边界条件加载至构建的三维模型，通过数值求解得到结构内部时变温度场及时变温度效应。由此根据桥址地区环境参数特点，并充分考虑构件间阴影遮挡状态，以对桥塔结构进行精细化的温度效应分析，能够准确获知复杂桥塔结构时变阴影状态、温度场分布及温度效应情况。

二、本发明在构建桥塔结构对应的三维模型时，依据工程需求、实际构件所处环境划分构件温度场求解域，进行子模型的拆分、简化与组装，并通过定义不同子模型之间的互相传热关系，能够确保三维几何构造特性精细化。

三、本发明在进行结构表面时变阴影状态分析时，基于结构内部互遮挡情况、桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向，通过对构件模型外表面进行有无外投影的分类、计算结构表面的法线方向与入射光线之间夹角、结合判别准则进行有无遮挡的判断，由此能够综合考虑结构内部互遮挡情况、桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向对温度效应的影响，提升结构表面时变阴影结果的准确性。

四、本发明在结构表面时变阴影结果的基础上，结合真实环境参数的温度、风速、太阳辐射强度等，以形成模型边界条件，由此能够将实测数据转化为模型中的边界条件，确保模型边界的时空变异特性精细化。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为实施例中桥塔结构的主塔塔柱分段图；

图3为实施例中桥塔结构的塔外温度实测结果与理论拟合值对比图；

图4为实施例中实测风速统计图；

图5为实施例中太阳辐射特性图；

图6a～6b为实施例中夏季不同时刻桥塔的日照状态；

图7a～7c为实施例中夏季不同时刻桥塔三维日照温度场；

图8为实施例中冬季和夏季桥塔结构的塔顶位移变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，包括以下步骤：

S1、针对桥塔结构，构建相应的三维模型；

S2、对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析，得到对应的结构表面时变阴影结果；

S3、根据结构表面时变阴影结果以及获取的桥址地区真实环境参数，确定出模型边界条件；

S4、将模型边界条件加载至构建的三维模型，通过数值求解得到结构内部时变温度场及时变温度效应。

将上述技术方案应用于实际，主要内容包括：

(1)首先，进行复杂桥塔结构三维精细化建模：

a)依据工程需求、实际构件所处环境划分构件温度场求解域并进行子模型的拆分以保证后续能够精确模拟各构件的每一部分的温度场情况。

b)对拆分后的子模型依据几何特征或功能特征进行简化，能够更好地模拟构件每一部分的温度场以及能协同更多构件进行同步分析。

c)各分部子模型组装，将上述简化过的模型或不能简化的模型组装在一起，准确定义不同子模型之间的互相传热关系；

(2)其次，基于结构内部互遮挡情况、桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向进行结构表面时变阴影状态分析：

首先对构件模型外表面进行分类，并获取各表面的法向向量，其中，模型外表面分类包括无外投影表面和有外投影表面；

然后基于桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向，计算太阳高度角，以及太阳方位角；

最后对于分类后的表面采取相应判别准则，判断结构表面是否受到遮挡；

(3)再次，在结构表面时变阴影结果的基础上，结合真实环境参数，形成模型边界条件，具体是在环境温度、结构表面风速、太阳辐射(包括太阳直射辐射和散射辐射)、地面反辐射的基础上，结合构件各自方位特性，通过理论推导将实测数据转化为模型中的精细化边界条件；

(4)最后，进行结构内部时变温度场及时变温度效应计算。

需要说明的是，在步骤(2)中，无外投影表面是指构件表面是否受到太阳照射，仅仅与表面的法线方向与入射光线的夹角α有关。根据太阳辐射相关理论求解光线向量

式中dot()为内积运算；当S

而有外投影表面则是指构件表面的光照状态除了本身法线方向与太阳光线夹角α对其有影响外，还可能受到其他外表面投影的影响。即此类型表面上在某一时刻可能存在其他构件在此表面产生的光照投影。

有外投影表面可能存在的状态有三种：全部被照射、全部被遮挡、部分被照射部分被遮挡。判别这些状态的准则也有多重，首先进行太阳光线入射角α的判断，具体判断思路与无外投影面的遮挡求解相同，此时当判断结果为面处于阴影状态时，则该结构表面判别的最终结果为处于阴影状态；当判断结果为结构表面处于被照射状态时，则应继续进行判断结构表面处于完全被照射状态还是部分被照射状态。判断的方法则是基于有限元网格划分在模型表面形成的点，对模型表面上的每个点进行遮挡分析，判断过此点的光线是否穿过构件外投影面集合内的任一表面。

为验证本技术方案的有效性，本实施例针对三塔双索面叠合梁斜拉桥进行时变温度效应分析，该主塔均采用钻石形索塔结构，构造形式相对复杂。索塔桥面以上的均为145.2m，下横梁以下高度有所不同，索塔全高分别为320m、332m和298m。每个索塔设置上横梁，截面采用矩形截面，在塔柱与承台间设置单箱三室截面花瓶形塔墩过渡。主塔尺寸如图2所示。

桥塔所在地区属亚热带湿润季风气候区，热量丰富、雨量充沛、四季较为分明。温度具有明显的规律性，相邻年份的日最高温和日最低温基本呈现稳定的周期性。在桥址现场进行了环境温度、风速、风向等进行实地监测。

在12月末至1月初，桥址地区为低温季节，最低温度能达到-4℃以下，且各测点的温度变化规律具有一致性。监测结果以及理论拟合值如图3所示。统计结果表明，在一天中的温度变化具有较好的规律性，基本符合正弦曲线的规律。

高温时段和低温时段风速统计图如图4所示，证明此桥址地区具有较为稳定的气候特性。

通过桥址地区经纬度等相关参数理论计算，得到太阳辐射特性理论值，如图5所示。从图5中可以看出，冬季和夏季太阳高度角、太阳方位角以及太阳辐射强度的差异是巨大的，这直接导致冬夏两季结构表面的阴影分布状态有巨大差异，进而导致桥塔在不同季节太阳辐射作用下的温度效应有较大差异。

本实施例建立桥塔的三维精细化空间模型，如图7a～7c所示。

桥址地区的经纬度为北纬39.82°，东经111.41°，选取6月22日进行日照分析，分析间隔取1h，利用阴影遮挡算法，对桥塔夏季的阴影遮挡状态进行求解，求解结果如图6a～6b所示，其中黄色代表有阳光照射，灰色代表无阳光照射。

对于桥塔的阴影分析表明，在夏季的6月22日，桥塔表面受到的日照时间达到最长，光照强度也达到最大；各塔肢之间的互相遮挡效应也较为明显。

混凝土基本热工参数包括导热系数、比热、线膨胀系数和太阳辐射吸收系数等，各参数对混凝土结构内温度场有不同程度的影响。对上述参数的取值如表1所示。

表1材料热物理参数取值

得到桥塔表面阴影遮挡状态的分析、材料参数的取值之后，选取与阴影分析统一的日期进行温度场的三维有限元瞬态分析。其中输入环境温度的来源是以实际多测点的监测为基础，进行综合拟合预测，最后以拟合函数代入分析边界条件进行分析。风速参数的输入与温度的输入类似，均以实测数据为基础，选取1小时间隔的平均风速进行分析。辐射强度的取值以及光线的方位角及高度角特性则采用阴影遮挡计算的结果。计算前先设定初始温度场，之后进行72小时的桥塔温度场分析，并以此作为后续分析的温度场初始值，进而分析一天中的温度情况。

有限元数值模型计算得到桥塔一天中(24小时)三维温度场时变历程云图，如图7a～7c所示。

从桥塔夏季温度场分析结果可以看出，夏季桥塔最高温度可以达到47℃以上；最高温与最低温差值超过25℃；另一方面由于夏季太阳高度角较大，桥塔表面为水平面的部位温度升温较高，即横梁、塔顶部位有较高升温，这些地方是温度场的最不利区位。以同样的方法可进行冬季的桥塔温度场分析，通过对冬季的温度场分析可得冬季桥塔最高温度可以达到10℃，最低温度能达到-2℃；最高温与最低温差值仅有12℃，相较于夏天日温差较小，约为夏季的一半；另一方面由于冬季太阳高度角较小，日光较为倾斜，桥塔表面为竖直面的部位温度升温较高，即竖直方向的塔柱部位有较高升温，这些地方需要格外进行注意。冬季与夏季的计算结果见表2。

表2夏季与冬季温度场分析结果

得到结构的温度场之后可对结构施加温度荷载进而得到结构的位移场。经过温度效应精细化分析，得到夏季和冬季塔顶位移运动情况如图8所示。可以看出，桥塔在太阳辐射的影响下做背离太阳的运动，即产生“背日葵”效应，运动轨迹呈扁椭圆。夏季由于辐射强度较大及日照时长较长，夏季塔顶位移幅度明显大于冬季。

综上所述，本技术方案提出一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，首先进行复杂桥塔结构三维精细化建模，之后进行结构表面时变阴影状态分析，再进行基于真实环境参数的模型边界条件分析，最后开展考虑背日葵现象的结构内部时变温度场及时变温度效应计算。本技术方案综合考虑结构内部互遮挡情况、桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向对温度效应的影响，能够更加准确地描述出复杂桥塔结构时变阴影状态、温度场分布及温度效应情况。