一种考虑桥面局部风场的桥梁风温耦合数值模拟方法与流程

1.本发明涉及桥梁工程领域，具体涉及一种考虑桥面局部风场的桥梁风温耦合数值模拟方法。


背景技术：

2.桥梁结构作为基础设施，由于长期暴露在自然环境中，受到周期性变化的气温、日照和强升降温等因素的影响，其内部会产生较大的温度梯度，进而在结构中产生次内力。大量研究表明：结构附加变形被支座等边界条件所约束，梁体将会产生显著的约束应力，严重时可导致桥面板开裂、支座抬起等病害，甚至出现桥梁损伤破坏。在极端气候地区，桥梁的温度次内力的作用甚至超过结构的恒载和活载的作用，成为第一控制要素，对桥梁的耐久性与安全运营也造成较大的危害。
3.桥梁结构主要通过辐射换热和对流换热与外界环境进行热交换，而这两种热交换方式往往是相互影响的。准确模拟对流换热，对于桥梁温致效应的研究具有重要的意义。桥梁表面的风驱动桥梁表面的空气，使桥梁结构表面与空气发生热量交换，因此，风速的取值对于对流换热系数具有重要的影响。实际上，由于受到主梁截面外形和桥面附属设施的影响，主梁截面各板附近的风速一般都小于桥址区的实测风速，且各板附近的风速存在一定的差异。忽略主梁截面外形和桥面附属设施对风速的影响，便很难准确地计算出主梁截面的对流换热系数，也就难以准确地模拟桥梁的温度效应。
4.为了实现风-温耦合作用下桥梁结构温致效应的分析，发展一种考虑桥面局部风环境的桥梁风-温耦合数值模拟方法尤为重要。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种考虑桥面局部风场的桥梁风温耦合数值模拟方法解决了现有桥梁温致效应研究因忽略主梁截面外形和桥面附属设施对风速的影响，而无法准确模拟桥梁的温度效应的问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种考虑桥面局部风场的桥梁风温耦合数值模拟方法，包括以下步骤：
8.s1、通过热边界层理论公式，计算桥梁结构表面热边界层的高度；
9.s2、根据桥梁入口风速，通过风场模型，求解热边界层高度处风速；
10.s3、通过最小二乘法拟合桥梁入口风速和热边界层高度处风速数据，得到折减系数；
11.s4、获取桥址区环境温度和桥梁热辐射值；
12.s5、建立桥梁风温耦合数值模型，并根据桥梁入口风速、折减系数、桥梁热辐射值和桥址区环境温度拟合桥梁风温耦合数值模型的参数；
13.s6、基于桥梁风温耦合数值模型，根据桥梁的结构和材料特性，使用有限元方法求解桥梁结构截面温度场。
14.本发明的有益效果为：通过热边界层理论，分析了桥梁结构表面与环境大气的风-温耦合作用机理，采用理论计算和有限元软件数值模拟实现了热边界层高度处风速的提取，为了适用于不同的风速情况，采用最小二乘法拟合得到桥梁表面风速折减系数；其次，本发明还根据桥梁的结构和材料特性建模，并基于考虑了环境温度、热边界层高度处风速和桥梁热辐射的桥梁风温耦合数值模型，求解桥梁结构温度场，能够真实反映桥梁结构的温度分布。
15.进一步地，所述步骤s1的热边界层理论公式为：
[0016][0017]
其中，δ
t
为热边界层的高度，pr为普朗特数，α为第一常数，β为第二常数，x为桥梁结构表面计算位置与迎风侧板边缘的纵向距离，v为动力粘度，l为桥梁截面特征尺寸，u为桥梁入口风速。
[0018]
进一步地，所述步骤s2包括以下分步骤：
[0019]
s2-1、根据桥梁结构，建立风场模型；
[0020]
s2-2、根据桥梁入口风速，通过风场模型，求解热边界层高度处风速。
[0021]
进一步地，所述步骤s4包括以下分步骤：
[0022]
s4-1、获取桥址区环境温度；
[0023]
s4-2、获取桥梁热辐射值，所述桥梁热辐射值包括：太阳直接辐射值、散射辐射值、地面反射值、大气辐射值、环境辐射值和桥梁对外辐射值。
[0024]
进一步地，所述步骤s4-1包括以下分步骤：
[0025]
s4-1-1、获取桥址区的环境最高温度和环境最低温度；
[0026]
s4-1-2、根据环境最高温度和环境最低温度，通过下式，计算桥址区环境温度：
[0027][0028]
t
sum
＝t
max
t
min
[0029]
δt＝t
max-t
min
[0030]
其中，t为时刻数，t
max
为环境最高温度，t
min
为环境最低温度，t
sum
为环境最高温度和环境最低温度之和，δt为环境最高温度和环境最低温度之差，π为圆周率，sin(
·
)为正弦函数。
[0031]
上述进一步方案的有益效果为：获取桥址区环境温度，可以采用现场实测或通过桥址区附近气象站测得的环境最高、最低温度进行拟合。现场实测的环境温度是获得最优数据的方法，但耗费人力物力，上述方案可仅依赖桥址区附近气象站的简单数据便可拟合得到环境温度时程。
[0057]
其中，b为桥梁对外辐射值，tv为桥梁结构外表面温度，ε为桥梁材料的辐射发射率。
[0058]
上述进一步方案的有益效果为：获取桥梁热辐射值，可以采用现场实测或通过桥址区的地理信息参数进行拟合，本发明采用公式拟合的方式得到桥址区太阳辐射值，节省了实测的设备成本，基于的地理信息参数也易获取。
[0059]
进一步地，所述步骤s5包括以下分步骤：
[0060]
s5-1、建立桥梁风温耦合数值模型，所述桥梁风温耦合数值模型的表达式包括：
[0061][0062]
i＝im id ir ga u
r-b
[0063]
h＝hc hf[0064][0065]
hf＝cs·
ε
′
·
[(tk tc)4 (tk t)4]
[0066]u′
＝γ
·u[0067]
其中，tc为桥梁表面等效空气温度，ξ
′
为桥梁材料的辐射吸收系数，i为桥梁结构表面吸收的总辐射，h为等效换热系数，hc为对流换热系数，hf为辐射换热系数，δt
′
为桥梁表面温度与桥梁表面等效空气温度之差，u
′
为热边界层高度处风速，ε
′
为桥梁材料的辐射吸收率，γ为折减系数；
[0068]
s5-2、根据桥梁入口风速、折减系数、桥梁热辐射值和桥址区环境温度，拟合桥梁风温耦合数值模型的桥梁表面等效空气温度和等效换热系数。
[0069]
上述进一步方案的有益效果为：桥梁风温耦合数值模型，表征了桥梁辐射、风与温三者的关系，涉及桥梁表面等效空气温度和等效换热系数这两个关键参数，单一的环境参数易计算得到，而桥梁表面等效空气温度和等效换热系数则需要根据桥梁入口风速、折减系数、桥梁热辐射值和桥址区环境温度进行拟合与迭代计算，以得到精确的模型。
[0070]
进一步地，所述步骤s6包括以下分步骤：
[0071]
s6-1、在有限元软件中，导入桥梁钢箱梁截面模型，设置材料热参数，并导入桥梁风温耦合数值模型；
[0072]
s6-2、选定需要计算表面温度的桥梁截面位置，若设置横隔板，则在横隔板位置导入横隔板模型，若不设置横隔板，则在横隔板位置建立空气模型；
[0073]
s6-3、使用空气模型填充桥梁钢箱梁截面模型的其余孔洞；
[0074]
s6-4、对桥梁钢箱梁截面模型进行网格划分；
[0075]
s6-5、在桥梁钢箱梁外轮廓线上的节点上生成surf151单元；
[0076]
s6-6、通过有限元软件提供的/aux2辐射矩阵生成器，根据桥梁风温耦合数值模型参数，设置辐射参数，生成辐射矩阵；
[0077]
s6-7、通过有限元软件提供的/prep7前处理器，定义超单元matrix50，读取辐射矩阵；
[0078]
s6-8、设定桥梁钢箱梁截面模型边界条件，并通过有限元软件求解桥梁结构温度场。
[0079]
上述进一步方案的有益效果为：在有限元软件中，根据桥梁的钢箱梁结构和材料特性建模，并基于考虑了环境温度、热边界层高度处风速和桥梁热辐射的桥梁风温耦合数值模型，求解桥梁结构温度场，能够真实反映桥梁结构的温度分布。
附图说明
[0080]
图1为本发明实施例提供的一种考虑桥面局部风场的桥梁风温耦合数值模拟方法流程示意图；
[0081]
图2为本发明实施例桥梁的结构表面流体流动边界层和热边界层示意图；
[0082]
图3为本发明实施例桥梁截面结构示意图；
[0083]
图4为本发明实施例的折减系数拟合示意图；
[0084]
图5为本发明实施例的有限元软件中桥梁截面网格划分示意图。
具体实施方式
[0085]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0086]
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种考虑桥面局部风场的桥梁风温耦合数值模拟方法，包括以下步骤：
[0087]
s1、通过热边界层理论公式，计算桥梁结构表面热边界层的高度。
[0088]
热边界层理论公式为：
[0089][0090]
其中，δ
t
为热边界层的高度，pr为普朗特数，α为第一常数，β为第二常数，x为桥梁结构表面计算位置与迎风侧板边缘的纵向距离，v为动力粘度，l为桥梁截面特征尺寸，u为桥梁入口风速。
[0091]
在本实施例中，当u≤5m/s时，可按层流计算，α＝-1/2，β＝5；当u＞5m/s时，可按紊流计算，α＝-1/5，β＝0.37。
[0092]
动力粘度和普朗特数的设置如下表所示：
[0093]
表1普朗特数设置表
[0094][0095]
s2、根据桥梁入口风速，通过风场模型，求解热边界层高度处风速。
[0096]
步骤s2包括以下分步骤：
[0097]
s2-1、在有限元软件中，根据桥梁结构，建立风场模型。
[0098]
s2-2、采用有限元软件，根据桥梁入口风速，通过风场模型，求解热边界层高度处
风速。
[0099]
如图2所示，为了获得桥梁表面热边界层高度处的风速，本例采用fluent有限元分析软件计算桥梁不同入口风速以及不同桥面附属设施下的桥梁表面流场。
[0100]
本实施例中桥梁采用的是钢箱梁，其截面如图3所示。并且需要考虑桥面附属设施。其中，桥梁入口风速设置为低风速段1m/s～5m/s，步长1m/s，高风速段10m/s～30m/s，步长5m/s。然后采用fluent有限元软件计算了不同入口风速下的桥梁表面风场，并输出基于第一步计算的对应入口风速下热边界层高度处的风速。
[0101]
s3、通过最小二乘法拟合桥梁入口风速和热边界层高度处风速数据，得到折减系数。拟合结果如图4所示。
[0102]
由于实际情况中，桥址区的风速为波动状态，因此，为了符合实际工程，本发明实施例提出了采用最小二乘法对各入口风速下桥梁表面热边界层高度处的风速进行拟合，得到热边界层高度处风速相对于入口风速的折减系数，后续的模拟中，仅需要将入口风速进行折减便可得到热边界层高度处的风速，进而可以计算桥梁表面的热对流。
[0103]
s4、获取桥址区环境温度和桥梁热辐射值。
[0104]
步骤s4包括以下分步骤：
[0105]
s4-1、获取桥址区环境温度。
[0106]
步骤s4-1包括以下分步骤：
[0107]
s4-1-1、获取桥址区附近气象站测得的环境最高温度和环境最低温度。
[0108]
s4-1-2、根据环境最高温度和环境最低温度，通过下式，计算桥址区环境温度：
[0109][0110]
t
sum
＝t
max
t
min
[0111]
δt＝t
max-t
min
[0112]
其中，t为时刻数，单位为小时h；t
max
为环境最高温度，t
min
为环境最低温度，t
sum
为环境最高温度和环境最低温度之和，δt为环境最高温度和环境最低温度之差，π为圆周率，sin(
·
)为正弦函数。
[0113]
在本实施例中，环境最高温度为15时的大气温度，环境最低温度为6时的大气温度。
[0114]
获取桥址区环境温度，可以采用现场实测或通过桥址区附近气象站测得的环境最高、最低温度进行拟合。现场实测的环境温度是获得最优数据的方法，但耗费人力物力，上述方案可仅依赖桥址区附近气象站的简单数据便可拟合得到环境温度时程。
[0115]
s4-2、获取桥梁热辐射值，所述桥梁热辐射值包括：太阳直接辐射值、散射辐射值、地面反射值、大气辐射值、环境辐射值和桥梁对外辐射值。
[0116]
步骤s4-2包括以下分步骤：
[0117]
s4-2-1、根据地理信息参数，通过以下各式，计算太阳直接辐射值：
[0118][0119][0120][0121][0122][0123][0124]
ω＝15t
[0125]
其中，im为太阳直接辐射值，i0为太阳常数，hs为太阳高度角，p为大气透明度，tu为林克氏混浊度系数，ka为大气相对气压，au为第三常数，bu为第四常数，d为日序数，cos(
·
)为余弦函数，为太阳角赤纬度，为桥址区纬度，ω为太阳时角。
[0126]
在本实施例中，时间为6月4日，则日序数为185。
[0127]
s4-2-2、根据地理信息参数，通过下式，计算散射辐射值：
[0128][0129]
其中，id为散射辐射值，ln(
·
)为自然对数函数。
[0130]
s4-2-3、根据地理信息参数，通过下式，计算地面反射值：
[0131]
ir＝0.5
·
re·
(im id)
·
(1-cos(θ))
[0132]
其中，ir为地面反射值，re为地面反射系数，取值为0.2，θ为被分析面与水平面的夹角。
[0133]
s4-2-4、根据地理信息参数，通过以下各式，计算大气辐射值：
[0134]
ga＝ea·cs
·
(tk ta)4·
0.5
·
(1-cos(θ))
[0135][0136]
其中，ga为大气辐射值；ea为大气逆辐射系数；cs为黑体辐射系数，又称为stefan-boltzman常数，其值为5.67
×
10-8
w/(m2·
k4)tk为绝对温度相对于摄氏度的偏置量，其值为273.15k，ta为大气温度，e为自然常数。
[0137]
s4-2-5、根据地理信息参数，通过下式，计算环境辐射值：
[0138]
ur＝[en ea·
(1-ea)]
·cs
·
(tk ta)4·
0.5
·
(1-cos(θ))
[0139]
其中，ur为环境辐射值，en为地表环境辐射系数，取值为0.96。
[0140]
s4-2-6、根据地理信息参数，通过下式，计算桥梁对外辐射值：
[0141]
b＝ε
·cs
·
(tk tv)4[0142]
其中，b为桥梁对外辐射值，tv为桥梁结构外表面温度，ε为桥梁材料的辐射发射率，取值为0.6。
[0143]
获取桥梁热辐射值，可以采用现场实测或通过桥址区的地理信息参数进行拟合，本发明采用公式拟合的方式得到桥址区太阳辐射值，节省了实测的设备成本，基于的地理信息参数也易获取。
[0144]
s5、建立桥梁风温耦合数值模型，并根据桥梁入口风速、折减系数、桥梁热辐射值和桥址区环境温度拟合桥梁风温耦合数值模型的参数。
[0145]
步骤s5包括以下分步骤：
[0146]
s5-1、建立桥梁风温耦合数值模型，所述桥梁风温耦合数值模型的表达式包括：
[0147][0148]
i＝im id ir ga u
r-b
[0149]
h＝hc hf[0150][0151]
hf＝cs·
ε
′
·
[(tk tc)4 (tk t)4]
[0152]u′
＝γ
·u[0153]
其中，tc为桥梁表面等效空气温度，ξ
′
为桥梁材料的辐射吸收系数，取值为0.82，i为桥梁结构表面吸收的总辐射，h为等效换热系数，hc为对流换热系数，hf为辐射换热系数，δt
′
为桥梁表面温度与桥梁表面等效空气温度之差，u
′
为热边界层高度处风速，ε
′
为桥梁材料的辐射吸收率，取值为0.6，γ为折减系数。
[0154]
s5-2、根据桥梁入口风速、折减系数、桥梁热辐射值和桥址区环境温度，拟合桥梁风温耦合数值模型的桥梁表面等效空气温度和等效换热系数。
[0155]
桥梁风温耦合数值模型，表征了桥梁辐射、风与温三者的关系，涉及桥梁表面等效空气温度和等效换热系数这两个关键参数，单一的环境参数易计算得到，而桥梁表面等效空气温度和等效换热系数则需要根据桥梁入口风速、折减系数、桥梁热辐射值和桥址区环境温度进行拟合与迭代计算，以得到精确的模型。
[0156]
s6、基于桥梁风温耦合数值模型，根据桥梁的结构和材料特性，使用有限元方法求解桥梁结构温度场。
[0157]
步骤s6包括以下分步骤：
[0158]
s6-1、在有限元软件中，导入桥梁钢箱梁截面模型，设置材料热参数，并导入桥梁风温耦合数值模型。
[0159]
s6-2、选定需要计算表面温度的桥梁截面位置，若设置横隔板，则在横隔板位置导入横隔板模型，若不设置横隔板，则在横隔板位置建立空气模型。
[0160]
s6-3、使用空气模型填充桥梁钢箱梁截面模型的其余孔洞。在本实施例中，其余的孔洞主要为u肋和横隔板上的孔。
[0161]
s6-4、对桥梁钢箱梁截面模型进行网格划分。网格划分结果如图5所示。
[0162]
s6-5、在桥梁钢箱梁外轮廓线上的节点上生成surf151单元。
[0163]
s6-6、通过有限元软件提供的/aux2辐射矩阵生成器，根据桥梁风温耦合数值模型参数，设置辐射参数，生成辐射矩阵。
[0164]
s6-7、通过有限元软件提供的/prep7前处理器，定义超单元matrix50，读取辐射矩阵。
[0165]
s6-8、设定桥梁钢箱梁截面模型边界条件，并通过有限元软件求解桥梁结构温度场。
[0166]
在有限元软件中，根据桥梁的钢箱梁结构和材料特性建模，并基于考虑了环境温度、热边界层高度处风速和桥梁热辐射的桥梁风温耦合数值模型，求解桥梁结构温度场，能够真实反映桥梁结构的温度分布。
[0167]
综上，本发明通过热边界层理论，分析了桥梁结构表面与环境大气的风-温耦合作用机理，采用理论计算和有限元软件数值模拟实现了热边界层高度处风速的提取，为了适用于不同的风速情况，采用最小二乘法拟合得到桥梁表面风速折减系数；其次，本发明还根据桥梁的钢箱梁结构和材料特性建模，并基于考虑了环境温度、热边界层高度处风速和桥梁热辐射的桥梁风温耦合数值模型，求解桥梁结构温度场，能够真实反映桥梁结构的温度分布。
[0168]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0169]
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。