考虑逆辐射下的混凝土温度场日变化过程研究.pdf
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1、 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
2、 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、 ,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
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