波形钢腹板钢梁日照非均匀温度场试验研究与数值仿真.pdf
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1、第 20 卷 第 8 期2023 年 8 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 8August 2023波形钢腹板钢梁日照非均匀温度场试验研究与数值仿真黄石基1,蔡陈之1,2,3,邹云峰1,2,3,何旭辉1,2,3,杨国琛1,苏成玉4(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075;2.高速铁路建造技术国家工程研究中心,湖南 长沙 410075;3.中南大学 轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室,湖南 长沙 410075;4.中建七局交通建设有限公司,河南 郑州 450004)摘要:波
2、形钢腹板钢梁作为一种新型结构形式,凭借其优良的力学性能在桥梁工程中得到了广泛应用,但目前对于波形钢腹板钢梁日照温度场的研究尚且不足。针对波形钢腹板钢梁日照温度场开展实验研究,探求波形钢腹板钢梁日照温度场分布规律。实验期间所有测点的温度变化均以日为周期进行波动,与大气温度的变化趋势较为接近。波形钢腹板特殊的几何形式导致波形钢腹板钢梁不同截面的温度分布有着明显的差异,钢梁截面III的温度最高,截面II温度次之,而截面I的温度最低。波形钢腹板钢梁日照温度场表现出明显的非均匀性,实验期间截面I,II,III最大竖向温度梯度分别可达10.2,10.1和7.9。利用COMSOL有限元软件建立波形钢腹板钢梁
3、日照温度场数值仿真模型,并利用日照温度场实验数据对该模型的准确性进行验证。钢梁截面I,II,III测点的AAE分别为1.2,1.1和0.9,MAE分别为3.1,3.1和3.0。基于热力学稳态分析理论,提出一种波形钢腹板钢梁日照温度场的简易计算方法,并利用温度实验数据检验了该计算方法的准确性,该方法可为实际工程中的钢梁温度场计算提供一种简单有效的工具。关键词:波形钢腹板;钢梁;非均匀温度场;试验研究;数值模拟中图分类号:TU391 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)08-2913-10Experimental and numerical
4、 investigation on the non-uniform temperature field in the corrugated web steel beamHUANG Shiji1,CAI Chenzhi1,2,3,ZOU Yunfeng1,2,3,HE Xuhui1,2,3,YANG Guochen1,SU Chengyu4(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.National Engineering Research Center of High-speed
5、 Railway Construction Technology,Changsha 410075,China;3.Hunan Provincial Key Laboratory for Disaster Prevention and Mitigation of Rail Transit Engineering Structures,Central South University,Changsha 410075,China;4.Communications Construction Company of CSCEC 7th Division,Zhengzhou 450004,China)Abs
6、tract:Nowadays,the corrugated web steel beam has been widely applied in structural engineering on 收稿日期:2022-08-09基金项目:国家自然科学基金资助项目(U1934209);湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ0082);中国中铁股份有限公司科技研究开发计划项目(2021-专项-04-2)通信作者:蔡陈之(1989),男,湖南益阳人,副教授,博士,从事桥梁振动及抗风研究;E-mail:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221595铁 道 科 学 与 工 程 学
7、 报2023 年 8月account of its good mechanical properties.However,there are rare investigations regarding the temperature distribution of corrugated web steel beams under solar radiation.In this paper,an experimental investigation was conducted to figure out the temperature distribution characteristics o
8、f the corrugated web steel beam.The experimental results indicate that the temperature of all thermometers fluctuates in a daily cycle,which is similar to the variation trend of air temperature.Due to the special geometric construction of corrugated steel web,the temperature distributions in differe
9、nt sections of the steel beam are different from each other.The magnitude of webs temperature in Section III is the highest,followed by that in Section II and Section I,respectively.During the whole experimental period,the maximum vertical temperature gradients obtained in sections I,II,and III were
10、 10.2,10.1,and 7.9 ,respectively.The experimental results show that the temperature field of the corrugated web steel beam is obviously non-uniform.Three-dimensional finite element simulation using software COMSOL has been developed to analyze the temperature distribution of the experimental steel b
11、eam with corrugated web.The experimentally obtained temperatures are applied to validate the accuracy of the simulation model.The AAE of the thermometers in sections I,II,and III are 1.2,1.1,and 0.9,respectively.Moreover,the MAE of the thermometers in sections I,II,and III are 3.1,3.1,and 3.0 ,respe
12、ctively.Based on the thermodynamic steady state analysis theory,a simple approach has been proposed for predicting the temperature field in the steel beam,and the accuracy of the approach has been verified by the experimental results.It is hoped that this method can provide a simple tool for practic
13、al engineering with respect to the temperature field of steel beams.Key words:corrugated steel web;steel beam;non-uniform temperature field;experimental investigation;numerical simulation 钢梁在正常使用过程中,会受到太阳辐射、大气温度波动等多种环境因素的综合作用,其温度分布发生显著变化。钢梁所受温度作用可分为2种,即以年为周期的季节性温度循环和以日为周期的日温度循环12。季节性温度循环是由季节变化引起的,表现
14、为结构沿纵向的伸长和缩短。钢梁的季节性伸缩是一个缓慢的过程,可通过合理的支座布置释放由纵向伸缩产生的温度应力。日温度循环对于结构的影响相比于季节性温度循环更加难以确定,主要由太阳辐射作用和大气温度波动引起,表现为钢梁截面内的非均匀温度分布。由环境因素引起的非均匀温度分布可能会导致钢结构内部产生过大的温度应力和温度变形,影响结构的安全性和耐久性。非均匀温度效应常常是结构设计中未能充分考虑的潜在问题,甚至会成为结构的安全隐患37。桥梁结构日照温度场的研究最早可追溯至上世纪五六十年代,但以往的研究主要集中于混凝土桥梁结构,对钢梁日照温度场的研究较少。TONG等8建立了钢箱梁日照温度场数值仿真模型,并
15、讨论了不同参数对钢箱梁日照温度分布的影响。LIU等9对H型钢梁日照温度场进行了试验研究,并建立了H型钢梁日照温度场数值仿真模型。ABID10对H型钢梁日照温度场进行了测量,并基于数值模型分析了几何参数对H型钢梁日照温度场的影响。杨宁11基于实桥测试的温度数据,对无铺装层钢箱梁日照温度的分布特性进行了分析研究,建立了钢箱梁温度场三维数值仿真模型。丁幼亮等12基于润扬大桥扁平钢箱梁健康监测系统采集的长期温度数据,对钢箱梁的非均匀温度分布进行了研究,提出了钢箱梁温度荷载设计的截面温差模型。波形钢腹板钢梁作为一种新型结构形式,凭借其优良的力学性能在桥梁工程中得到了广泛的应用,但目前对于波形钢腹板钢梁日
16、照温度场的研究较少1314,缺乏针对波形钢腹板钢梁非均匀温度场的设计规定和计算方法。因此,针对波形钢腹板钢梁日照温度场进行研究对于推进波形钢腹板钢梁的进一步应用具有重要意义。本文针对波形钢腹板钢梁日照温度场开展试验研究,得到了波形钢腹板钢梁日照非均匀温度场分布规律。建立了波形钢腹板钢梁日照温度场数值仿真模型,并利用温度场试验数据对模型的准确性进行了验证。最后,基于热力学稳2914第 8 期黄石基,等:波形钢腹板钢梁日照非均匀温度场试验研究与数值仿真态分析理论,提出了一种用于计算钢梁日照温度场的简易计算方法。1 日照温度场计算基本理论1.1热传导及边界条件热传导过程控制着钢梁内部的热量传递,是分
17、析钢梁日照温度场的基础方程,可由下式计算15:k(2Tx2+2Ty2+2Tz2)=cTt(1)式中:,c和k分别为钢材密度、钢材比热容和钢材导热系数,t和T分别表示时间变量和任意一点温度。求解上述导热微分方程所需的初值条件和边界条件可由如下方程确定:Tt=0=f(xyz)(2)kTn+qc+qs+ql=0(3)式中:f(x,y,z)表示t=0时钢梁的温度分布方程;qc,qs和ql分别表示边界上的对流传热热流量、短波辐射热流量和长波辐射热流量。钢梁表面与周围环境详细的热交换如图1所示。1.2辐射传热计算波形钢腹板钢梁表面所受辐射可分为短波辐射与长波辐射2种,其中短波辐射可认为是太阳辐射,其热流量
18、可由下式计算:qs=I(4)式中:和I分别表示钢材表面吸收率和钢材表面所 受 太 阳 辐 射 强 度。其 中,I 可 由 如 下 公 式计算1617:I=Ib(coscosz)+Id(1+cos2)+c(Ib+Id)(1-cos2)(5)式中:Ib和Id分别表示水平面太阳直射辐射强度和太阳散射辐射强度;表示太阳直射光线与任意表面法向之间的夹角;表示表面与水平面之间的夹角;z和c分别表示天顶角和地表反射率。夜间钢梁温度明显高于周围环境温度,由长波辐射引起的热量损失可利用如下公式进行计算16:ql=m(T4s-T4a)(6)式中:Ts和Teq分别表示钢材表面温度和周围环境的等效温度;和m分别表示钢
19、材表面发射率和Stefan-Boltzmann常数。1.3对流传热计算当结构表面温度和环境温度之间存在温差时,会发生对流传热现象,对流现象会加快表面热量传递,可由如下公式计算对流传热热流量:qc=hc(Ts-Ta)(7)式中:hc表示对流传热系数;Ts和Ta分别表示钢材表面温度和周围大气温度。对流传热系数可由下式进行计算18:hc=Ct()DT1 32+()avb2(8)式中:Ct,a和b均为常数;T表示钢梁表面与周围环境的温差;v表示风速。2 日照温度场试验2.1波形钢腹板钢梁为避免周围建筑物对波形钢腹板钢梁产生遮挡效应,试验地点选在中南大学铁道学院某6层实验室的天台进行,如图2所示。为保证
20、钢梁底部空气能自由流动,使用 4 个混凝土块对钢梁进行支撑。波形钢腹板钢梁长1 350 mm,高600 mm,宽300 mm,其详细截面几何尺寸如图3所示。钢梁所 用 波 形 钢 腹 板 的 波 长 为 900 mm,波 高 为150 mm,折角为37,具体尺寸如图4所示。2.2温度测点布置共使用16个PT1000表贴式温度传感器对波形钢腹板钢梁日照温度场进行测量,详细的测点布图1波形钢腹板钢梁与周围环境热交换示意图Fig.1Diagram of heat exchange between the corrugated web steel beam and surrounding enviro
21、nment2915铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月置如图5所示。对波形钢腹板钢梁的3个截面进行了温度监测,截面I为钢梁波谷处截面,截面II为钢梁中截面,截面III为钢梁波峰处截面。2.3环境数据测量采用小型气象站对试验地点环境数据进行测量,如图6所示。太阳辐射传感器、风速传感器、温湿度计和风向传感器分别用于测量水平面太阳总辐射强度、风速、大气温度以及风向。波形钢腹板钢梁温度和周围环境数据进行同步测量,每15 min采集一次数据,实验于2021年8月17日开始,于2021年9月30日结束,共计45 d。图2波形钢腹板钢梁Fig.2Experimental corrugated
22、 web steel beam单位:mm图4钢梁波形钢腹板尺寸Fig.4Corrugated webs geometries of the steel beam单位:mm图3波形钢腹板钢梁截面尺寸Fig.3Cross-sectional dimensions of the corrugated web steel beam单位:mm图5温度测点布置图Fig.5Arrangement of temperature sensors2916第 8 期黄石基,等:波形钢腹板钢梁日照非均匀温度场试验研究与数值仿真3 钢梁日照温度场测量结果3.1气象条件变化试验期间波形钢腹板钢梁周围气象参数变化情况如图7
23、所示。可以看出,大气温度以及太阳辐射以日为周期进行波动,而风速的变化无明显的规律性。实验期间观测到的最高大气温度为37.5(2021年8月31日),最低大气温度为18.7(2021年9月30日)。实验期间的风速多处于0 m/s6 m/s之间,最高风速为9.5 m/s。太阳辐射强度与天气情况紧密相关,实验期间记录的最大太阳辐射强度为1 155 W/m2。3.2温度测量结果波形钢腹板钢梁截面I,II,III测点的温度时程变化如图8所示。所有测点的温度变化均以日为周期进行波动,与大气温度的变化趋势较为接近。截面I,截面II和截面III在试验期间观测到的最高温分别为60.5,61.9和62.1,3个截
24、面的最高温均在顶板测点观测得到,观测时间为 2021 年 9月5日。以波形钢腹板钢梁2021年9月5日温度测量数据为例,提取截面I,II,III各测点在同一时刻的温度,绘制出钢梁截面温度分布的逐时变化,如图9所示。在太阳辐射强度较低时,截面I,II,III的温度分布较为接近,如8:00和16:00。但在太阳辐射较强时,截面I,II,III的温度分布表现出了明显的差异,如10:00,12:00和14:00。钢梁截面III的温度最高,截面II温度次之,而截面I的温度最低。由于波形钢腹板特殊的几何构造,截面I,II,III有着不同的翼缘板外伸长度,如图10所示。可以看出,截面I,II,III所受的太
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