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1、第27卷,第5期中国铁道科学Vol27No52006年9月CHINARAILWAYSCIENCESeptember,2006文章编号:10014632(2006)05007105哑铃形钢管混凝土拱日照温度分布研究彭友松,强士中,李松(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)摘要:根据热传导理论,建立哑铃形钢管混凝土拱日照温度分布的分析模型。该模型考虑气候条件、桥梁地理位置、方位、材料特性、结构尺寸等各种因素的影响。以有限元软件Ansys为平台,编制针对分析模型进行日照温度分布计算的有
2、限元模块,对不同参数情况下的温度分布进行计算分析和比较研究。分析结果表明,在日照影响下,哑铃形钢管混凝土拱中会产生较大的非线性温差,一般情况下可高达25以上。影响截面温差大小的最主要因素是钢管混凝表面对太阳辐射的吸收率。关键词:钢管混凝土拱桥;钢管混凝土拱;温度分布;日照;有限元法中图分类号:U4415;U44822;TU52859文献标识码:A钢管混凝土拱桥具有承载能力强、跨越能力曲率半径小得多,因而沿拱轴线方向的传热与横向大、施工简单方便及造型美观等优点。自20世纪传热相比可以忽略,将各横截面内的温度分布视为90年代初以来
3、,这一桥型在我国得到了迅速发展二维瞬态热传导问题求解。和广泛应用,现已成为中大跨度桥梁所采用的最主2)从确定设计控制温度荷载的角度考虑,只要结构型式之一。需针对某种不利气候条件进行分析。晴朗无云天气桥梁结构在日照及气温变化等环境因素的影响即为主要的最不利气候条件之一,此时影响结构温下,会出现非线性温度分布,引起温度应力和温度度分布的主要气候因素有日照辐射强度、气温变化[1,2]变形,即所谓温度效应问题。温度效应的计和风速等,比较容易确定,从而使热传导问题的边算,关键在于确定温度分布。与一般混凝土桥梁相界条件变得较为明确。比,钢管混凝土拱桥的温度效应研
4、究相对滞后,设哑铃形钢管混凝土拱肋横截面的一般形式如图计上也缺乏相关的规定和依据。日照是影响钢管混1所示,上、下钢管直径D以750~900mm最为[3]凝土运营阶段非线性温度分布的主要因素。常见,截面高H与管径D之比一般为25/1。本文利用有限单元法,对哑铃形钢管混凝土拱的日照温度分布进行分析,研究日照、气温、截面尺寸、方位、倾角以及导热性能等对其温度分布的影响。1计算模型由于环境气候因素的多样性、随机性和不确定性,钢管混凝土拱的温度分布是一个复杂边界条件的三维瞬态热传导问题,为便于分析,进行如下简化和假定。1)由于钢管混凝土拱横截面尺寸比其
5、长度和图1哑铃形钢管混凝土拱横截面收稿日期:20060419基金项目:国家自然科学基金资助项目(50278079)作者简介:彭友松(1965),男,湖南双峰人,博士研究生。72中国铁道科学第27卷[5]11热传导一般方程所示。根据热传导理论,横截面内二维瞬态温度分布表1不同海拔高度的相对气压T(x,y,t)应满足如下导热偏微分方程海拔高度/m相对气压/kPa220100TTT2+2=c(1)1000089xyt2000079式中:为导热系数;为密度;c为比热容。30
6、0006912边界条件钢管混凝土通过其表面与外界进行热交换,其水平面上的天空散射强度Ed与大气层外界水[1]热传导的边界条件为平面上的辐射强度Jsin!s的比值可近似按下式计T[6]=qs+qc+qr(2)算:nEdEb式中:表示截面边界;n为边界外法线;qs,qc,=0271-0294(8)Jsin!sJqr分别表示太阳辐射、与外界进行对流换热和辐即,Ed=(0271J-0294Eb)sin!s射换热通过边界表面进入内部的热流密度,W!太阳辐射到达结构物表面后,一部分被吸收,-2m。余下部分被反射回去。因此,可得出钢
7、管混凝土表121太阳辐射面上任一点吸收的太阳辐射强度,即式(2)中的太阳辐射(短波辐射)穿过地球大气层到达地qs的计算公式为面的直接辐射由于受大气分子、水蒸汽、汽溶胶等1+cos!mqs=AsEbcos∃+Ed+的散射和吸收而衰减,而被大气散射的辐射又有一2部分到达地面。同时,太阳直接辐射和散射辐射有1-cos!m(Eb+Ed)Rs(9)一部分被地面反射。因此,地面上结构物表面所受2的太阳辐射包括直接辐射、散射辐射和地面发射。式中:As表示表面对太阳辐射的吸收率,主要与太阳辐射计算与太阳高度角!s和方位角∀s有颜色和表面状况(光洁度)有关,
8、准确值需通过试[79][4]验确定,表2列出了有关文献给出的数据;R关,!s和∀s按式(3)式(5)计算。这
