CN109614649A - 一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法 - Google Patents

一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，包括：(1)自行选择桥梁热分析的天数；(2)自行选择计算当天桥梁热分析的计算步长；(3)通过调用建立的光照度‑太阳直接辐射修正系数模型、光照度‑太阳散辐射修正系数模型、云层覆盖率‑太阳直接辐射修正系数模型以及云层覆盖率‑太阳散辐射修正系数模型，确定华南地区桥梁全气候的环境辐射量；(4)确定各种天气情况下桥梁各表面的热边界条件计算方法，确定不同天气情况下计算方法的触发及转换机制；(5)通过采用编程计算及数据交互实现桥梁全气候温度分析的连续数值计算。本发明能够覆盖各种气候情况，为实现桥梁结构温度效应全气候、实时、长期的分析提供基础。

Description

一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法
技术领域
本发明涉及土木工程桥梁结构健康监测领域，尤其涉及一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法。
背景技术
桥梁是重要的基础设施，长期超负荷运载和恶劣的服役环境使得桥梁结构病害严重，事故频发。温度是对桥梁不利作用的主要环境因素之一，会使得桥梁结构性能退化，承载力下降，安全性得不到保障，耦合其他外部荷载作用，容易诱发重大垮塌事故。
华南地区全年气温较高，太阳辐射强度大，夏秋季节更是炎热。因此，温度对桥梁的不利作用，比其它地区更为严重。桥梁热效应分析涉及到众多环境和气象参数，这些参数具有很强的时变性和地区性特点，且带有比较强的不确定性，因此，一般基于长期监测数据进行统计回归。目前，大量研究聚焦于温度极端情况，而对日常使用阶段全气候的实时、连续分析，几乎没有研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法。本发明基于长期监测数据，用于桥梁温度分析的外部条件新的计算方法，能够覆盖各种气候情况，为实现桥梁结构温度效应全气候、实时、长期的分析提供基础。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
(1)采集太阳辐射量及其他相关的气象参数；
(2)根据计算需求选择桥梁热分析的天数以及所需计算的其中某一天桥梁热分析的计算步长；
(3)通过调用建立的光照度-太阳直接辐射修正系数模型、光照度-太阳散辐射修正系数模型、云层覆盖率-太阳直接辐射修正系数模型以及云层覆盖率-太阳散辐射修正系数模型，确定华南地区桥梁全气候的环境辐射量；
(4)确定各种天气情况下桥梁各表面的热边界条件计算方法，确定不同天气情况下计算方法的触发及转换机制；
(5)通过采用编程计算及数据交互实现桥梁全气候温度分析的连续数值计算。
具体地，在所述步骤(1)中，通过采用高精度气象采集系统，以一定的时间间隔来实时采集太阳辐射量以及其他的气象参数。
同时在监测场地放置一个广角摄像机，以一定的时间间隔对天空进行定时定点拍摄，将照片灰度值作为一项重要的参数以辨别云层遮挡情况。
更进一步地，所述其他气象参数包括风速与风向、环境温度、湿度与光照度、云层覆盖率等。其中云层覆盖率可以由监测站点附近机场的监测资料提供。
进一步地，所述步骤(5)包括：
(1)通过编程方式计算热边界条件并保持数据；其中，桥梁初始温度可近似取计算初始时间点的大气温度；
(2)在采用编程方式的计算过程中调用并进行数据交互；
(3)在数据交互过程中读取步骤(1)计算得到的热边界条件并施加给瞬态热分析模型进行计算，得到结构的温度场并保存温度计算结果；
(4)在编程计算中读入步骤(3)计算得到的结构温度并计算下一计算步的热边界条件；
(5)重复步骤(2)～(4)，实现桥梁全气候温度分析的连续数值计算。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
本发明基于环境气候监测数据分析，实现云层对太阳辐射影响的定量分析，同时完善了华南地区不同天气情况下桥梁温度效应分析的热边界条件的计算方法。本发明采用MATLAB编程实现与ANSYS有限元瞬态热分析的实时数据交换，实现桥梁结构温度全天候、实时、连续和高效的温度场数值计算。
附图说明
图1为本发明实施例的具体步骤流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
在本实施例中，现场实测资料和计算分析表明，大气环境中的桥梁结构处于瞬态传热结构，因此分析桥梁的温度效应需要按照瞬态传热问题来进行分析。
如图1所述为一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法的流程图，具体步骤包括：
(1)采集太阳辐射量及其他相关的气象参数；
(2)根据计算需求选择桥梁热分析的天数以及所需计算的其中某一天桥梁热分析的计算步长；
(3)通过调用建立的光照度-太阳直接辐射修正系数模型、光照度-太阳散辐射修正系数模型、云层覆盖率-太阳直接辐射修正系数模型以及云层覆盖率-太阳散辐射修正系数模型，确定华南地区桥梁全气候的环境辐射量；
(4)确定各种天气情况下桥梁各表面的热边界条件计算方法，确定不同天气情况下计算方法的触发及转换机制；
(5)通过采用编程计算及数据交互实现桥梁全气候温度分析的连续数值计算。
具体地，在所述步骤(1)中，通过采用高精度气象采集系统，以每五分钟的时间间隔来实时采集太阳辐射量以及其他的气象参数。
同时在监测场地放置一个170°广角摄像机，以每一分钟的时间间隔对天空进行定时定点拍摄，将照片灰度值作为一项重要的参数以辨别云层遮挡情况。
更进一步地，所述其他气象参数包括风速与风向、环境温度、湿度与光照度、云层覆盖率等。其中云层覆盖率可以由监测站点附近机场的监测资料提供。
进一步地，在所述步骤(3)中，具体包括：
通过对长期大量监测数据进行统计回归，拟合出太阳辐射与相关环境参数之间的定量公式。
通过对光照度进行标准化处理，拟合出太阳直接辐射修正系数ydir与光照度xs的公式，得到的光照度-太阳直接辐射修正系数模型表示为：
ydir＝0.315xs+0.149 (1)
对于太阳散辐射与光照度xs之间的线性关系，因两者拟合优合度不高，故暂不对太阳散辐射进行修正，得到的光照度xs-太阳散辐射修正系数ydif模型表示为：
ydif＝1 (2)
除此之外，基于气象监测数据和太阳辐射量进行相关性分析，分别建立了云层覆盖率co-太阳直接辐射修正系数ydir模型以及云层覆盖率co-太阳散辐射修正系数ydif模型，具体表示为：
进一步地，本发明主要针对多云及雨天条件下的热边界条件的确立，因此，所述步骤(4)具体包括：
确立多云条件下的热边界条件：
根据拟合太阳直接辐射修正系数ydir，太阳散射辐射修正系数ydif与光照度xs和对应时刻照片灰度值xg的公式，同时依据云层覆盖率分别与太阳直接辐射修正系数、太阳散射辐射修正系数的相关公式，得到修正后的太阳直接辐射Idir和太阳散射辐射Idif为：
Idir＝ydir×Id0 (5)
Idif＝ydif×Ii0 (6)
其中，Id0和Ii0分别为无云天情况下太阳直接辐射和散射辐射的理论值。
修正后的太阳反射辐射具体表示为：
Ire＝re·(Idir+Idif) (7)
其中，re为地面反射系数。
所述多云条件下的热边界计算可按照第三类热边界进行计算。
确立雨天条件下的热边界条件：
桥梁上表面由于受到雨水的影响，因此将桥梁上表面的综合换热系数h可取12.7W/m2·k。雨水的温度约等于环境温度。
对于桥梁其他界面，按照多云情况下的热边界条件进行计算，同时考虑到水面反射系数相应减小。
具体地，在所述步骤(4)中，根据傅立叶热传导理论，可推导得出三维瞬态导热微分方程表示为：
其中，ρ、c、θ、t分别表示物体的密度、比热容、单位体积内热源在单位时间内产生的热量和时间，λ表示物体导热系数，单位为W/(m·K)。
建立桥梁外表面热边界条件。边界条件给出的结构在外边界上与外部环境进行换热的情况，反映影响物体热传导和温度分布的外部因素。在本发明中，采用第三类热边界条件，表示方式为：
其中，n表示结构表面的发现方向，h表示综合换热系数，Ta表示环境温度，Tv表示结构温度，q表示边界热流量。
对于桥梁外表面，边界热流量q包括表面接收到的所有辐射能量I和结构表面自身发射的固有辐射Gv，关系式为：
q＝I-Gv (10)
其中，结构表面接收到的所有辐射量I，具体表示为：
I＝α(Idir+Idif+Ire+Ga+Ur) (11)
其中，α表示辐射吸收系数，Idir表示修正后的太阳直接辐射，Idif表示修正后的太阳散射辐射，Ire表示修正后的太阳反射辐射，Ga表示大气逆辐射，Ur表示地表辐射。
具体地，所述步骤(5)包括：
(1)通过编程方式计算热边界条件并保持数据；其中，桥梁初始温度可近似取计算初始时间点的大气温度；
(2)在采用编程方式的计算过程中调用并进行数据交互；
(3)在数据交互过程中读取步骤(1)计算得到的热边界条件并施加给瞬态热分析模型进行计算，得到结构的温度场并保存温度计算结果；
(4)在编程计算中读入步骤(3)计算得到的结构温度并计算下一计算步的热边界条件；
(5)重复步骤(2)～(4)，实现桥梁全气候温度分析的连续数值计算。
在本实施例中，采用MATLAB进行编程计算，采用ANSYS进行数据交互。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)采集太阳辐射量及其他相关的气象参数；
(2)根据计算需求选择桥梁热分析的天数以及所需计算的其中某一天桥梁热分析的计算步长；
(3)通过调用建立的光照度-太阳直接辐射修正系数模型、光照度-太阳散辐射修正系数模型、云层覆盖率-太阳直接辐射修正系数模型以及云层覆盖率-太阳散辐射修正系数模型，确定华南地区桥梁全气候的环境辐射量；
(4)确定各种天气情况下桥梁各表面的热边界条件计算方法，确定不同天气情况下计算方法的触发及转换机制；
(5)通过采用编程计算及数据交互实现桥梁全气候温度分析的连续数值计算。
2.根据权利要求1所述的一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，通过采用高精度气象采集系统，以一定的时间间隔来实时采集太阳辐射量以及其他相关的气象参数；
同时在监测场地放置一个广角摄像机，以一定的时间间隔对天空进行定时定点拍摄，将照片灰度值作为一项重要的参数以辨别云层遮挡情况。
3.根据权利要求2所述的一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，其特征在于，所述其他相关的气象参数包括风速与风向、环境温度、湿度与光照度、云层覆盖率；其中云层覆盖率可以由监测站点附近机场的监测资料提供。
4.根据权利要求1所述的一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，通过对光照度进行标准化处理，拟合出太阳直接辐射修正系数ydir与光照度xs的公式，得到的光照度-太阳直接辐射修正系数模型表示为：
ydir＝0.315xs+0.149 (1)。
5.根据权利要求1所述的一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，对于太阳散辐射与光照度xs之间的线性关系，因两者拟合优合度不高，故暂不对太阳散辐射进行修正，得到的光照度xs-太阳散辐射修正系数ydif模型表示为：
ydif＝1 (2)。
6.根据权利要求1所述的一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，基于气象监测数据和太阳辐射量进行相关性分析，分别建立了云层覆盖率co-太阳直接辐射修正系数ydir模型及云层覆盖率co-太阳散辐射修正系数ydif模型，具体表示为：
7.根据权利要求1所述的一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，其特征在于，本发明主要针对多云及雨天条件下的热边界条件的确立，因此，在所述步骤(4)中，确立多云条件下的热边界条件的方法具体为：
根据拟合太阳直接辐射修正系数ydir，太阳散射辐射修正系数ydif与光照度xs和对应时刻照片灰度值xg的公式，同时依据云层覆盖率分别与太阳直接辐射修正系数、太阳散射辐射修正系数的相关公式，得到修正后的太阳直接辐射Idir和太阳散射辐射Idif为：
Idir＝ydir×Id0 (5)
Idif＝ydif×Ii0 (6)
其中，Id0和Ii0分别为无云天情况下太阳直接辐射和散射辐射的理论值；
修正后的太阳反射辐射具体表示为：
Ire＝re·(Idir+Idif) (7)
其中，re为地面反射系数；
所述多云条件下的热边界计算可按照第三类热边界进行计算。
8.根据权利要求1所述的一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，确立雨天条件下的热边界条件的方法具体为：
桥梁上表面由于受到雨水的影响，因此将桥梁上表面的综合换热系数h可取12.7W/m2·k；雨水的温度约等于环境温度；
对于桥梁其他界面，按照多云情况下的热边界条件进行计算，同时考虑到水面反射系数相应减小；
根据傅立叶热传导理论，可推导得出三维瞬态导热微分方程表示为：
其中，ρ、c、θ、t分别表示物体的密度、比热容、单位体积内热源在单位时间内产生的热量和时间，λ表示物体导热系数，单位为W/(m·K)。
9.根据权利要求1所述的一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，建立桥梁外表面热边界条件的方法为：
边界条件给出的结构在外边界上与外部环境进行换热的情况，反映影响物体热传导和温度分布的外部因素；在本发明中，采用第三类热边界条件，表示方式为：
其中，n表示结构表面的发现方向，h表示综合换热系数，Ta表示环境温度，Tv表示结构温度，q表示边界热流量；
对于桥梁外表面，边界热流量q包括表面接收到的所有辐射能量I和结构表面自身发射的固有辐射Gv，关系式为：
q＝I-Gv (10)
其中，结构表面接收到的所有辐射量I，具体表示为：
I＝α(Idir+Idif+Ire+Ga+Ur) (11)
其中，α表示辐射吸收系数，Idir表示修正后的太阳直接辐射，Idif表示修正后的太阳散射辐射，Ire表示修正后的太阳反射辐射，Ga表示大气逆辐射，Ur表示地表辐射。
10.根据权利要求1所述的一种面向华南地区桥梁的全气候热分析方法，其特征在于，所述步骤(5)包括：
(1)通过编程方式计算热边界条件并保持数据；
(2)在采用编程方式的计算过程中调用并进行数据交互；
(3)在数据交互过程中读取步骤(1)计算得到的热边界条件并施加给瞬态热分析模型进行计算，得到结构的温度场并保存温度计算结果；
(4)在编程计算中读入步骤(3)计算得到的结构温度并计算下一计算步的热边界条件；
(5)重复步骤(2)～(4)，实现桥梁全气候温度分析的连续数值计算。
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