CN111723509A - 一种桥梁结构温度场监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁结构温度场监测方法，包括以下步骤：S1：利用实测气温和实时风速分别计算对流换热和辐射换热；S2：利用日序数和水平面上的太阳辐射计算太阳辐射；S3：根据对流换热、辐射换热和太阳辐射计算桥梁的热边界条件；S4：根据桥梁的热边界条件确定桥梁的热交换模型；S5：利用有限元数值模拟求解桥梁的热交换模型，得到桥梁的温度场，完成桥梁结构温度场的监测。本发明不需要过于依赖实测温度数据，只需要在桥址处安装包括温度传感器、风速传感器和总辐射表在内的气象站，初期使用时建议在桥梁上安装少数温度传感器，调整模型参数；成本低，安装使用方便；监测范围广，可以实现全桥温度监测。

Description

一种桥梁结构温度场监测方法

技术领域

本发明属于桥梁结构技术领域，具体涉及一种桥梁结构温度场监测方法。

背景技术

在日照温差作用下，由于混凝土本身较差的导热性，外部温度迅速升高，内部温度基本不变，桥梁温度场呈现明显的非线性分布特征。对于混凝土高墩桥梁，空心高墩的非线性温差会引起桥梁变形，对桥梁的静力状态和动力特性产生不可忽视的影响。随着我国交通事业的发展，西南地区的路网建设不断完善，越来越多跨越山区峡谷的混凝土高墩桥梁开始建设运营。因此，发明一种该地区混凝土高墩桥梁的温度场监测方法显得尤为迫切。

传统的桥梁温度场监测的方法要求在桥梁某些位置安装一定数量的温度传感器。这种方法存在三个缺点：第一，所需传感器和数据采集传输设备成本高，安装与调试都需要耗费大量人力物力；第二，只能获取桥梁有限位置的温度数据，无法把握全桥温度分布；第三，传感器寿命有限，表面传感器需要定期更换，预埋的传感器在几年之后则无法反馈数据。

通过有限元模拟获取桥梁的温度分布，是桥梁日照温度场分析常用的方法。有限元模拟的难点在于准确计算以太阳辐射为主导的热边界条件，传统的计算方法是参考大气科学中的太阳辐射模型，如AHSRAE模型、Hottel模型和幂指数模型等。但是，理论计算模型中的系数需要依赖大量实测数据和相关的数据统计经验，如果用于模拟温度场，存在三点不足：第一，太阳辐射计算模型只适用于晴天，并不适用于所有天气情况，无法计算阴雨天的太阳辐射；第二，对于一座具体的桥梁，根据理论模型计算的辐射量，只能用于年尺度上的温度场模拟，具体到天尺度上，则无法考虑由于云层遮挡导致的地表太阳辐射变化，其精度尚有待提高；第三，随着时间的推移，我国工业化进程加快，以空气质量为代表的环境污染不可忽视，大气透明度发生了变化，三十多年前的经验系数用于现在，精度有所下降。

因此，太阳辐射模型只可用于一般情况或极端情况下的温度场数值模拟，无法达到实时温度场监测的精度要求。如何准确计算桥址处太阳辐射，进一步确定桥梁各部分构件所处的热边界条件，是桥梁温度场精细化模拟的难点。

发明内容

本发明的目的是为了解决的问题，提出了一种桥梁结构温度场监测方法。

本发明的技术方案是：一种桥梁结构温度场监测方法包括以下步骤：

S1：利用实测气温和实时风速分别计算对流换热和辐射换热；

S2：利用日序数和水平面上的太阳辐射计算太阳辐射；

S3：根据对流换热、辐射换热和太阳辐射计算桥梁的热边界条件；

S4：根据桥梁的热边界条件确定桥梁的热交换模型；

S5：利用有限元数值模拟求解桥梁的热交换模型，得到桥梁的温度场，完成桥梁结构温度场的监测。

进一步地，步骤S1中，对流换热q_c的计算公式为：

q_c＝h_c(T_a-T)

其中，h_c表示对流换热系数，T_a表示实测气温，T表示桥梁温度场，V表示实时风速；

辐射换热q_r的计算公式为：

q_r＝h_r(T_a-T)-q_ra

h_r＝Cε[(T+273)²+(T_a+273)²]·[T+T_a+546]

其中，h_r表示辐射换热系数，T_a表示气温，T表示桥梁温度场，q_ra表示斜面天空辐射效应，C表示Stefan-Boltzmann常数，ε表示物体发射率。

温度场数值模拟为瞬态分析，需要先假定整个桥梁的温度场T，作为桥梁温度状态的初始条件，以此来计算对流换热和辐射换热。一般采用日出前的环境温度作为桥梁温度场T的初始值，通过连续多天的计算，逐渐地消除初值选取带来的误差。

进一步地，步骤S2包括以下子步骤：

S21：根据日序数N计算太阳常数I₀；

S22：利用总辐射传感器测量水平面上的太阳辐射I；

S23：根据太阳常数I₀和水平面上的太阳辐射I计算大气清洁指数k_T，根据水平面上的太阳辐射I计算地面发射辐射r_e×I，其中，r_e表示地面短波辐射反射率；

S24：根据大气清洁指数k_T和水平面上的太阳辐射I计算天空散射辐射I_dH；

S25：根据地面发射辐射r_e×I和天空散射辐射I_dH计算投射到表面的太阳辐射量I_t；

S26：根据投射到表面的太阳辐射量I_t计算太阳辐射q_s。

进一步地，步骤S21中，太阳常数I₀的计算公式为：

其中，N表示自每年1月1日起算的日序数，太阳常数I₀的单位是W·m^-2。

进一步地，步骤S23中，大气清洁指数k_T的计算公式为：

其中，I表示水平面上的太阳辐射，I₀表示太阳常数。

进一步地，步骤S24中，天空散射辐射I_dH的计算公式为：

其中，k_T表示大气清洁指数，I表示水平面上的太阳辐射。

进一步地，步骤S25中，投射到表面的太阳辐射量I_t的计算公式为：

其中，I_b表示太阳直接辐射；I_dH表示天空散射辐射；I表示水平面上的太阳辐射，r_e表示地面短波辐射反射率，r_e×I表示地面反射辐射，φ表示太阳光线入射角，β_n表示受照表面外法线

与地平面的夹角。

进一步地，步骤S26中，太阳辐射q_s的计算公式为：

q_s＝α_sI_t

其中，α_s表示混凝土表面短波辐射吸收系数，I_t表示投射到表面的太阳辐射量。

进一步地，步骤S3中，桥梁的热边界条件q的计算公式为：

q＝q_s+q_c+q_r

其中，q_s表示太阳辐射；q_c表示对流换热；q_r表示辐射换热。

进一步地，步骤S4中，桥梁的热交换模型的计算公式为：

其中，k表示混凝土材料热传导率，T表示桥梁温度场，x表示桥梁截面内坐标的横坐标，y表示桥梁截面内的纵坐标，n_x表示边界表面横桥向单位法向量方向余弦，n_y表示表示边界表面竖桥向单位法向量方向余弦，q表示桥梁的热边界条件。

本发明的有益效果是：

(1)本发明不需要过于依赖实测温度数据，只需要在桥址处安装包括温度传感器、风速传感器和总辐射表在内的气象站，初期使用时建议在桥梁上安装少数温度传感器，调整模型参数。

(2)成本低，安装使用方便。

(3)监测范围广，可以实现全桥温度监测。

附图说明

图1为桥梁结构温度场监测方法的流程图；

图2为桥梁表面与外界环境的热交换的示意图；

图3为太阳光线入射角的示意图；

图4为受照表面外法线

与地平面的夹角的示意图；

图5为混凝土简支梁俯视图；

图6为实施例的气象站示意图；

图7为安装温度传感器的示意图；

图8为主梁顶部的数据对比图；

图9为主梁底部的数据对比图；

图10为主梁朝南的数据对比图；

图11为主梁朝北的数据对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种桥梁结构温度场监测方法，包括以下步骤：

S1：利用实测气温和实时风速分别计算对流换热和辐射换热；

S2：利用日序数和水平面上的太阳辐射计算太阳辐射；

S3：根据对流换热、辐射换热和太阳辐射计算桥梁的热边界条件；

S4：根据桥梁的热边界条件确定桥梁的热交换模型；

S5：利用有限元数值模拟求解桥梁的热交换模型，得到桥梁的温度场，完成桥梁结构温度场的监测。

在本发明实施例中，如图1所示，步骤S1中，对流换热q_c的计算公式为：

q_c＝h_c(T_a-T)

其中，h_c表示对流换热系数，T_a表示实测气温，T表示桥梁温度场，V表示实时风速；

辐射换热q_r的计算公式为：

q_r＝h_r(T_a-T)-q_ra

h_r＝Cε[(T+273)²+(T_a+273)²]·[T+T_a+546]

其中，h_r表示辐射换热系数，T_a表示气温，T表示桥梁温度场，q_ra表示斜面天空辐射效应，C表示Stefan-Boltzmann常数，ε表示物体发射率。

温度场数值模拟为瞬态分析，需要先假定整个桥梁的温度场T，作为桥梁温度状态的初始条件，以此来计算对流换热和辐射换热。一般采用日出前的环境温度作为桥梁温度场T的初始值，通过连续多天的计算，逐渐地消除初值选取带来的误差。

在本发明实施例中，如图1所示，步骤S2包括以下子步骤：

S21：根据日序数N计算太阳常数I₀；

S22：利用总辐射传感器测量水平面上的太阳辐射I；

S23：根据太阳常数I₀和水平面上的太阳辐射I计算大气清洁指数k_T，根据水平面上的太阳辐射I计算地面发射辐射r_e×I，其中，r_e表示地面短波辐射反射率；

S24：根据大气清洁指数k_T和水平面上的太阳辐射I计算天空散射辐射I_dH；

S25：根据地面发射辐射r_e×I和天空散射辐射I_dH计算投射到表面的太阳辐射量I_t；

S26：根据投射到表面的太阳辐射量I_t计算太阳辐射q_s。

在本发明实施例中，如图1所示，步骤S21中，太阳常数I₀的计算公式为：

其中，N表示自每年1月1日起算的日序数，太阳常数I₀的单位是W·m^-2。

在本发明实施例中，如图1所示，步骤S23中，大气清洁指数k_T的计算公式为：

其中，I表示水平面上的太阳辐射，I₀表示太阳常数。

在本发明实施例中，如图1所示，步骤S24中，天空散射辐射I_dH的计算公式为：

其中，k_T表示大气清洁指数，I表示水平面上的太阳辐射。

在本发明实施例中，如图1所示，步骤S25中，投射到表面的太阳辐射量I_t的计算公式为：

其中，I_b表示太阳直接辐射；I_dH表示天空散射辐射；I表示水平面上的太阳辐射，r_e表示地面短波辐射反射率，r_e×I表示地面反射辐射，φ表示太阳光线入射角，β_n表示受照表面外法线

与地平面的夹角。

在本发明实施例中，如图1所示，步骤S26中，太阳辐射q_s的计算公式为：

q_s＝α_sI_t

其中，α_s表示混凝土表面短波辐射吸收系数，I_t表示投射到表面的太阳辐射量。

在本发明实施例中，如图1所示，步骤S3中，桥梁的热边界条件q的计算公式为：

q＝q_s+q_c+q_r

其中，q_s表示太阳辐射；q_c表示对流换热；q_r表示辐射换热。

在本发明实施例中，如图1所示，步骤S4中，桥梁的热交换模型的计算公式为：

其中，k表示混凝土材料热传导率，T表示桥梁温度场，x表示桥梁截面内坐标的横坐标，y表示桥梁截面内的纵坐标，n_x表示边界表面横桥向单位法向量方向余弦，n_y表示边界表面竖桥向单位法向量方向余弦，q表示桥梁的热边界条件。

下面对本发明中桥梁表面与外界环境的热交换及具体实施过程进行补充说明。

对于处在自然环境中的桥梁，可以认为其材料是连续均质和各向同性的。根据大量现场实测的记录数据，纵桥向的温度梯度一般可以忽略。成桥后，水泥水化热为零。而桥梁表面与外界环境的热交换十分复杂，如图2所示，主要包括太阳辐射、对流换热和辐射换热；太阳辐射包括三个主要成分：太阳直接辐射、天空散射辐射和地面反射辐射。在实际实施过程中，尽管热交换公式已经发展了很多年，但要求得热交换公式的解析解是不可能的，因为桥梁温度场T会随着时间和桥梁方位等因素变化而变化。因此，有限元数值模拟被广泛采用，可以采用软件ANSYS求解热传导方程，其是模拟桥梁温度场常用的计算工具。

在用ANSYS进行数值模拟时，太阳辐射q_s和辐射换热q_r可以通过第二类边界条件施加热荷载，但对流换热q_c必须通过第三类边界条件施加。为方便计算，可将第二类边界条件转换为第三类边界条件，将三种辐射转化为综合大气温度

和综合换热系数h^*，其具体公式为：

其中，h^*＝h_c+h_r；

下面对本发明的入射角φ和夹角β_n进行说明。如图3所示，φ表示太阳光线入射角，即受照表面外法线

与太阳光线的夹角；如图4所示，β_n表示受照表面外法线

与地平面的夹角。

以一座混凝土简支梁为例，如图5所示，其为混凝土简支梁俯视图，下面阐述其操作步骤，并验证温度场模型。

步骤一：气象数据监测

影响混凝土桥梁温度分布的气象因素主要是气温、风速和太阳辐射。如图6所示，本实施例采用空气温湿度传感器、机械式风速传感器以及总辐射表，组合成气象站，安装在桥址附近，获取上述三种气象数据，其中，总辐射表测量水平面上的太阳辐射，即水平面上的太阳辐射I。

步骤二：转换热边界条件

根据构建温度场模型中的计算公式，将实测的气温、风速和水平面太阳辐射转化为桥梁的热边界条件。

步骤三：编制ANSYS命令流，计算温度场

温度场模型是本发明方法的核心内容，编制ANSYS命令流是具体的实施方式。根据桥梁施工图，采用SOLID70单元类型建立温度场有限元分析模型。将计算出的热边界条件按照

公式的方法施加热荷载，计算温度场。

为了验证温度场模型的正确性，如图7所示，在混凝土桥梁主梁截面4处位置安装了温度传感器。气象站和温度传感器连续监测了2019-07-07～2019-08-02共27天的数据，其中22天为晴天，5天为阴雨天。如图8所示，展示了主梁顶部数值模拟结果与实测温度数据的对比；如图9所示，展示了主梁底部数值模拟结果与实测温度数据的对比；如图10所示，展示了主梁朝南数值模拟结果与实测温度数据的对比；如图11所示，展示了主梁朝北数值模拟结果与实测温度数据的对比；可见温度场模型基本正确，适用于晴天和阴雨天等气象条件。

本发明的工作原理及过程为：本发明根据气象学经验公式，将太阳辐射的三个主要成分从实测水平面辐射中分离出来，结合实测气温和风速数据，计算出桥梁各部分构件的热边界条件，提出适用于多种天气条件的混凝土桥梁全天候温度场模型。

本发明的有益效果为：

(1)本发明不需要过于依赖实测温度数据，只需要在桥址处安装包括温度传感器、风速传感器和总辐射表在内的气象站，初期使用时建议在桥梁上安装少数温度传感器，调整模型参数。

(2)成本低，安装使用方便。

(3)监测范围广，可以实现全桥温度监测。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种桥梁结构温度场监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用实测气温和实时风速分别计算对流换热和辐射换热；

S2：利用日序数和水平面上的太阳辐射计算太阳辐射；

S3：根据对流换热、辐射换热和太阳辐射计算桥梁的热边界条件；

S4：根据桥梁的热边界条件确定桥梁的热交换模型；

S5：利用有限元数值模拟求解桥梁的热交换模型，得到桥梁的温度场，完成桥梁结构温度场的监测。

2.根据权利要求1所述的桥梁结构温度场监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，对流换热q_c的计算公式为：

q_c＝h_c(T_a-T)

其中，h_c表示对流换热系数，T_a表示实测气温，T表示桥梁温度场，V表示实时风速；

辐射换热q_r的计算公式为：

q_r＝h_r(T_a-T)-q_ra

h_r＝Cε[(T+273)²+(T_a+273)²]·[T+T_a+546]

其中，h_r表示辐射换热系数，T_a表示气温，T表示桥梁温度场，q_ra表示斜面天空辐射效应，C表示Stefan-Boltzmann常数，ε表示物体发射率。

3.根据权利要求1所述的桥梁结构温度场监测方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：

S21：根据日序数N计算太阳常数I₀；

S22：利用总辐射传感器测量水平面上的太阳辐射I；

S23：根据太阳常数I₀和水平面上的太阳辐射I计算大气清洁指数k_T，根据水平面上的太阳辐射I计算地面发射辐射r_e×I，其中，r_e表示地面短波辐射反射率；

S24：根据大气清洁指数k_T和水平面上的太阳辐射I计算天空散射辐射I_dH；

S25：根据地面发射辐射r_e×I和天空散射辐射I_dH计算投射到表面的太阳辐射量I_t；

S26：根据投射到表面的太阳辐射量I_t计算太阳辐射q_s。

4.根据权利要求3所述的桥梁结构温度场监测方法，其特征在于，所述步骤S21中，太阳常数I₀的计算公式为：

其中，N表示自每年1月1日起算的日序数，太阳常数I₀的单位是W·m^-2。

5.根据权利要求3所述的桥梁结构温度场监测方法，其特征在于，所述步骤S23中，大气清洁指数k_T的计算公式为：

其中，I表示水平面上的太阳辐射，I₀表示太阳常数。

6.根据权利要求3所述的桥梁结构温度场监测方法，其特征在于，所述步骤S24中，天空散射辐射I_dH的计算公式为：

其中，k_T表示大气清洁指数，I表示水平面上的太阳辐射。

7.根据权利要求3所述的桥梁结构温度场监测方法，其特征在于，所述步骤S25中，投射到表面的太阳辐射量I_t的计算公式为：

其中，I_b表示太阳直接辐射；I_dH表示天空散射辐射；I表示水平面上的太阳辐射，r_e表示地面短波辐射反射率，r_e×I表示地面反射辐射，φ表示太阳光线入射角，β_n表示受照表面外法线

与地平面的夹角。

8.根据权利要求3所述的桥梁结构温度场监测方法，其特征在于，所述步骤S26中，太阳辐射q_s的计算公式为：

q_s＝α_sI_t

其中，α_s表示混凝土表面短波辐射吸收系数，I_t表示投射到表面的太阳辐射量。

9.根据权利要求1所述的桥梁结构温度场监测方法，其特征在于，所述步骤S3中，桥梁的热边界条件q的计算公式为：

q＝q_s+q_c+q_r

其中，q_s表示太阳辐射；q_c表示对流换热；q_r表示辐射换热。

10.根据权利要求1所述的桥梁结构温度场监测方法，其特征在于，所述步骤S4中，桥梁的热交换模型的计算公式为：

其中，k表示混凝土材料热传导率，T表示桥梁温度场，x表示桥梁截面内坐标的横坐标，y表示桥梁截面内的纵坐标，n_x表示边界表面横桥向单位法向量方向余弦，n_y表示边界表面竖桥向单位法向量方向余弦，q表示桥梁的热边界条件。

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