空心高墩温度场与温度效应研究

发布时间：2017-06-29 23:16

  本文关键词：空心高墩温度场与温度效应研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：混凝土结构导热性差,长期置于自然环境中,受太阳辐射与环境温度影响,内部产生随时间变化的不均匀温度场,由此产生温度应力与温度变形。在不利环境条件下,温度荷载产生的温度应力与活载应力属同一数量级,是引起混凝土结构开裂的重要原因之一。本文利用有限差分原理采用C++语言自主开发了用于计算结构温度场的通用软件,并结合混凝土厚板温度场观测试验,研究了混凝土板件竖向与水平温度场分布规律,验证了该软件计算温度场的可靠性。在此基础上,对空心高墩壁板温度场进行了参数敏感性分析,总结得出了空心墩壁板最不利温度场发生一般条件,并建议了不同省会直辖市用于工程设计检算的空心墩壁板最不利温差参考值。最后,以南盘江大桥5号空心高墩为研究对象,利用通用有限元软件ANSYS建立了空心高墩有限元模型,分析了最不利温度荷载下空心高墩的温度应力与温度变形。本文主要研究成果如下：(1)方位角为0。混凝土结构内部温度呈正弦曲线变化,由朝阳侧表面向内,最高温度逐渐衰减且衰减速率逐渐减小,最高温度出现时刻逐渐滞后,且随最高温度衰减速率的减小,滞后时间逐渐增长。混凝土结构内部温度梯度根据表面与外界的热量传递方向可分为两个阶段,即温度梯度增大阶段与温度梯度减小阶段。(2)空心高墩壁板温度场受太阳直接辐射影响显著,水平地面太阳直接辐射强度主要影响空心高墩壁板整体温度,而竖直表面太阳直接辐射强度主要影响空心高墩壁板内部温度梯度。壁板方位角影响其表面的太阳直接辐射强度,随方位角的增大,壁板温度梯度逐渐减小。(3)空心高墩壁板温度梯度受气温影响较弱,最高气温升高,空心高墩壁板内部温度整体升高；气温日较差增大,空心高墩壁板温度整体降低,同时温度梯度增大。在低风速情况下,空心高墩壁板温度梯度随风速的增大而减小。(4)空心高墩温度场具有明显的地域差异。一般空心高墩温度梯度在山区大于平原、乡村大于城市、城市大于工业区。全国不同省市直辖市市内空心高墩壁板最大温差一般出现在冬季或春季,然而不同城市温差值相差较大。(5)空心高墩壁板最不利温度场发生一般条件为：表面太阳直接辐射较强且表面日照时间较长、方位角为零、气温日较差较大、风速较小。(6)南盘江大桥空心高墩分析结果显示,最不利温度荷载引起的水平拉应力达到3.2MPa,实体过渡段由于固端约束的作用,竖向拉应力甚至达到了4.2MPa；温度荷载引起的墩顶顺桥向位移可达31mm。
【关键词】：空心高墩 太阳辐射 温度场 温度梯度 温度效应 有限元
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441.5
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 引言12-13
• 1.2 空心高墩温度效应13
• 1.3 国内外研究现状13-21
• 1.3.1 国外研究现状13-16
• 1.3.2 国内研究现状16-20
• 1.3.3 研究现状总结20-21
• 1.4 主要研究内容和研究方案21-22
• 2 温度场与温度效应基本理论22-32
• 2.1 引言22-23
• 2.2 导热微分方程及其定解条件23-25
• 2.2.1 导热微分方程的建立23-24
• 2.2.2 边界条件24-25
• 2.2.3 初始条件25
• 2.3 日照温度场计算方法25-28
• 2.3.1 近似数值解法26-27
• 2.3.2 半经验半理论公式法27-28
• 2.4 温度应力计算方法28-30
• 2.4.1 基于结构力学的温度应力计算28-29
• 2.4.2 基于热弹性理论的温度应力计算29-30
• 2.4.3 基于有限元理论的温度应力计算30
• 2.5 本章小结30-32
• 3 温度场计算软件开发32-52
• 3.1 引言32
• 3.2 太阳辐射计算32-37
• 3.2.1 太阳与地面的相对位置计算32-34
• 3.2.2 太阳与物体表面的相对位置计算34-35
• 3.2.3 太阳辐射计算35-37
• 3.3 辐射换热计算37-39
• 3.3.1 物体热辐射能力计算37-38
• 3.3.2 大气和环境辐射计算38
• 3.3.3 物体辐射换热总效果计算38-39
• 3.4 对流换热计算39
• 3.5 气温日变化过程39-40
• 3.6 边界条件处理40-41
• 3.6.1 外表面传热边界条件40-41
• 3.6.2 内表面传热边界条件41
• 3.7 C++编程数学模型推导41-43
• 3.8 C++编程模块设计43-46
• 3.8.1 混凝土热工参数取值和网格划分44
• 3.8.2 C++类的设计44-46
• 3.9 C++软件开发46-50
• 3.9.1 C++软件主函数设计46-47
• 3.9.2 C++软件集成47-49
• 3.9.3 软件功能介绍49-50
• 3.10 本章小结50-52
• 4 混凝土厚板温度场试验监测与数值模拟52-72
• 4.1 引言52
• 4.2 混凝土厚板温度场试验介绍52-55
• 4.2.1 试验场地介绍52
• 4.2.2 试验方案52-54
• 4.2.3 试验仪器54-55
• 4.3 混凝土竖向温度场分析55-63
• 4.3.1 竖向温度场试验数据分析55-57
• 4.3.2 竖向温度场C++数值模拟结果分析57-60
• 4.3.3 竖向温度场试验结果与数值模拟结果对比60-63
• 4.4 混凝土水平温度场分析63-70
• 4.4.1 水平温度场试验数据分析63-65
• 4.4.2 水平温度场C++数值模拟结果分析65-68
• 4.4.3 水平温度场试验结果与数值模拟结果对比68-70
• 4.5 本章小结70-72
• 5 空心墩温度场参数敏感性分析72-102
• 5.1 引言72
• 5.2 日期对空心墩温度场的影响72-78
• 5.2.1 太阳直接辐射强度随日期变化规律72-75
• 5.2.2 温度场随日期变化规律75-78
• 5.3 方位角对空心墩温度场的影响78-82
• 5.3.1 表面太阳直接辐射强度随方位角变化规律78-79
• 5.3.2 温度场随方位角变化规律79-82
• 5.4 气温对空心墩温度场的影响82-85
• 5.5 环境风速对空心墩温度场的影响85-87
• 5.6 北京市区空心墩竖直壁板最不利温度场研究87-92
• 5.6.1 我国现行不同规范的温度梯度曲线87-90
• 5.6.2 北京市区最不利水平温度梯度拟合90-92
• 5.7 大气透明度对空心墩温度场的影响92-94
• 5.8 全国不同地区空心墩温度场比较94-101
• 5.8.1 全国太阳直接辐射分布规律95-98
• 5.8.2 全国省会直辖市空心墩温度场比较98-101
• 5.9 本章小结101-102
• 6 空心高墩温度效应有限元分析102-120
• 6.1 引言102
• 6.2 桥梁概况102-104
• 6.3 基于ANSYS的空心墩有限元模型104-108
• 6.3.1 空心墩温度场计算104-107
• 6.3.2 空心墩温度效应计算107-108
• 6.4 空心高墩温度场计算结果分析108-110
• 6.5 空心高墩温度应力计算结果分析110-116
• 6.5.1 空心墩中部截面温度应力分析110-114
• 6.5.2 空心墩固端截面温度应力分析114-115
• 6.5.3 空心墩温度裂缝控制115-116
• 6.6 空心高墩温度变形计算结果分析116-117
• 6.7 本章小结117-120
• 7 结论与展望120-124
• 7.1 结论120-121
• 7.2 展望121-124
• 参考文献124-128
• 附录A128-132
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果132-136
• 学位论文数据集136

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