一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法及系统，该方法包括如下步骤：确定结构所在位置的地理经度和纬度，通过在结构上安装传感装置测量结构的环境空气温度和表面风速。采用本发明的结构太阳辐射模型计算确定作用于结构表面的直接辐射强度、散射强度和反射强度。依据结构表面的太阳辐射强度，建立动态温度边界条件，采用有限元方法求解结构的三维热传导方程即可确定土木工程结构表面及其内部任何一点的动态温度效应。本发明适用于各种不同类型土木工程结构在太阳辐射作用下的温度效应分析及评估，特别适用于具有较小几何尺的结构以及周边存在复杂遮蔽的结构的温度效应的分析评估。
【专利说明】
一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及温度效应评估技术，尤其涉及一种土木工程结构太阳辐射温度效应分 析方法及系统。
【背景技术】
[0002] 土木工程结构长期于露天服役，不可避免的承受外界荷载和自然环境的作用。结 构在太阳辐射和气温变化等环境因素的影响下，将引起不均匀非线性温度分布，从而产生 明显的温致效应。国内外研究表明，强烈的时变温度荷载作用下将导致非常严重的温致效 应:如大跨度桥梁结构在一天之内的由于时变温度所引起的频率变化可高达5 %。土木工程 结构在强烈的温度荷载作用下极易引起强烈的非线性时变温差效应，导致结构出现严重的 温致应力集中和温致大变形，从而进一步导致结构出现性能退化甚至温致损伤，进而导致 结构使用功能受到削弱，难以满足长期服役条件下的安全性、适用性和耐久性的要求。因 此，如何保证土木工程结构在温度荷载作用下的安全性和耐久性，是摆在广大工程技术人 员和科研工作者面前的一个现实问题，具有重要的科学意义和实际工程意义。
[0003] 由于土木工程结构的温度效应分析涉及到天文物理学、传热学、新材料科学、风工 程、有限元理论等众多方面的基础理论，是一个典型的多学科交叉的问题。因此，温度效应 问题较为复杂，现有的理论方法和技术手段还不完善。早期对工程结构温度效应的研究并 没有考虑温度的时变效应，往往简单的基于结构环境的温差来研究结构的温度效应。由于 这种方法无法有效地考虑瞬态温度场，因此往往通过人为地放大结构的静态温度荷载的方 法进行温度荷载估计，这本质上是一种非常粗糙的温致效应处理方法，只能获得结构温致 效应的大致变化范围。国外自上世纪70年代末开始工程结构的太阳辐射温度效应研究，但 研究对象主要集中于简单的混凝土箱梁桥结构。其主要原因是混凝土箱梁桥结构形式简 单，因此温度荷载模型简单，结构的温致效应也相对容易确定。
[0004]目前土木工程结构的温度效应分析主要是采用基于传统的天文学太阳辐射模型， 通过建立作用于结构表面的太阳辐射强度以及温度边界效应来求解结构的温度效应。目前 对于土木工程结构太阳辐射温度效应的机理的认识较为简单、分析评估方法和手段还非常 匮乏，这直接导致结构温度荷载取值和温度效应计算出现较大的误差，现有基于传统天文 学太阳辐射模型的结果与实测结果往往存在较大差别，难以吻合。现有方法没有考虑结构 服役环境因素如湿度、风速、环境遮蔽、结构自遮蔽等因素的影响，缺乏从机理出发的对温 度荷载模型和时变温度效应的基本科学问题的相关研究。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种土木工程结构太 阳辐射温度效应分析方法及系统。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种土木工程结构太阳辐射温度效 应分析方法，包括以下步骤：
[0007] 1)通过传感装置测量结构的环境空气温度和表面风速，所述环境空气温度和表面 风速信息用于计算换热系数；
[0008] 2)根据结构所在位置的地理经度和炜度，计算结构所在位置一天中任何时刻的太 阳高度角；然后采用结构太阳辐射模型计算确定作用于结构表面的太阳辐射强度，具体如 下：
[0009] 2.1)设一天中的第i时刻，作用于土木结构的太阳福射强度为：
[0013]其中：ts为一天中结构表面承受太阳辐射的时间；tkl为上午时间系数; tk2为下午时 间系数;t#Pt2分别为日出太阳时刻和日落太阳时刻;U为结构表面受到最大强度的太阳辐 射的时刻;t表不太阳福射时刻;a和b为福射模型的系数；
[0014] 2.2)确定作用于土木结构的太阳辐射强度Γ1νι1:
[0015] Icivil = Im. (l-Se〇)
[0016] &〇为两种结果的太阳辐射强度误差：
[0018]其中：采用传统太阳辐射模型所得的结构表面在一天中受到的太阳辐射强度 总和;SIm为基于修正的结构太阳辐射模型所得的结构表面在一天中受到的太阳辐射强度总 和；
[0020] 其中：L·为第i时刻土木结构表面所受到的总太阳辐射强度;Sl为第i时刻太阳辐射 强度因子;t#Pt 2分别为日出太阳时和日没太阳时；
[0021] 3)根据结构的物理参数以及作用于结构的表面的直接辐射强度、散射强度和反射 强度等信息，建立适用于结构温度效应分析的动态温度边界条件；
[0022] 4)根据已经建立的结构表面太阳辐射强度以及热边界条件，确定结构内任意位置 的温度场分布及温度效应。
[0023] 按上述方案，所述结构动态温度边界条件为：
[0024] U = e(T*-Ts)
[0026] 式中：U为结构外表面和大气环境之间的能量交换率;e为等效热交换系数;?"为等 效温度;Ts为土木结构表面温度;T a为实测的环境空气温度;α为结构表面辐射吸收系数。
[0027] 按上述方案，所述结构内任意位置的温度场分布及温度效应通过求解结构的三维 热传导方程确定。
[0028]按上述方案，所述步骤2.2)中S:是基于传统天文学辐射模型，确定结构表面的太 阳直射辐射强度、反射辐射强度和散射辐射强度，然后获得结构的总辐射强度。
[0029] 一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析系统，其特征在于，包括：
[0030]结构环境温度监测模块，用于通过传感装置测量结构的环境空气温度和表面风 速；
[0031]结构环境风速监测模块，用于实时监测结构周边的风速，获取作用于结构表面的 风速?目息；
[0032]结构太阳辐射强度分析模块，用于根据结构所在位置，确定作用于结构外表面的 直接辐射强度、散射强度和反射强度；
[0033] 结构温度边界条件分析模块，用于根据结构的物理参数以及作用于结构的表面的 直接辐射强度、散射强度和反射强度信息，建立适用于结构温度效应分析的热边界条件；
[0034] 结构太阳辐射温度效应分析评定模块，用于根据已经建立的结构表面太阳辐射强 度以及热边界条件，确定结构内任意位置的温度场分布及温度效应。
[0035]本发明产生的有益效果是：
[0036] 一、本发明提出的土木工程结构太阳辐射模型具有物理概念清晰、分析快速有效 的的优点。该太阳辐射模型具有很好的适用性，适用于各种不同土木工程结构在太阳辐射 作用下的结构时变温度场和温度效应的分析计算。
[0037] 二、传统的基于天文学的太阳辐射模型往往适用于很大尺度的大气、地表等对象。 而对于几何尺度只有数十米数百米的土木工程结构而言，传统模型和方法不能充分考虑周 边树木、建筑物、交通工具等小型物体的遮蔽干扰效应对辐射强度的影响。而本发明提出的 新模型具有很好的适用性，可以充分考虑工程结构的周边环境干扰，具有很好的分析精度。 可以有效地克服传统模型方法分析误差大的明显不足。
[0038] 三、由现有的模型和方法所得的辐射强度峰值在中午12点，响应计算所得的结构 表面峰值温度时间约为下午13:30至14:00之间。而实测结果则表明结构表面的温度峰值往 往要延后1~2个小时。显然，传统天文学模型方法直接使用于土木工程结构存在明显不足。 而本发明提出的修正模型可以准确的分析出结构的峰值温度所在时刻，与实测结果吻合很 好，克服了目前方法的一个明显不足。
[0039] 四、现有的模型方法分析所得工程结构温度升温过程和降温过程均与实测结果存 在明显差异。而采用本发明提出的方法，可以改进不正确的升温过程和降温过程，实现土木 工程结构动态温度变化的准确分析和评估，克服了目前方法的一个明显不足。
【附图说明】
[0040] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0041 ]图1为本发明的一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法的流程示意图； [0042]图2为太阳辐射效应示意图；
[0043] 图3为大型土木桥梁结构示意图；
[0044] 图4为桥梁钢箱梁截面示意图；
[0045] 图5为钢混组合桥面板示意图；
[0046]图6为钢混组合桥面板不意图构成图；
[0047]图7为桥面板混凝土面层与钢板结合部示意图；
[0048] 图8为夏季时作用于桥面板上的太阳辐射强度；
[0049] 图9为夏季时测点1和测点2的桥面板表面温度结果；
[0050] 图10为夏季时测点3和测点4的桥面板表面温度结果；
[0051] 图11为夏季时测点5和测点6的桥面板表面温度结果；
[0052] 图12为夏季时测点3处的竖向温度梯度结果；
[0053] 图13为冬季时作用于桥面板上的太阳辐射强度；
[0054] 图14为冬季时测点1、测点2和测点3的桥面板表面温度结果；
[0055] 图15为冬季时测点3处的竖向温度梯度结果；
[0056]图16为一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0057] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。
[0058] 本实施首先确定结构所在位置的地理经度和炜度。进一步的采用传感装置测量结 构所在地的环境空气温度和表面风速。基于所提出的结构太阳辐射模型确定结构的直接辐 射强度、散射强度和反射强度。依据分析所得作用于土木结构表面的太阳辐射强度，建立温 度边界条件，采用有限元方法求解结构的三维热传导方程即可确定土木工程结构表面及其 内部任何一点的动态温度效应。本实施例中的太阳辐射温度效应分析方法解决了传统方法 识别精度不高、峰值温度时刻存在差异、结构升温和降温过程与实际不吻合的缺陷。
[0059]具体而言通过以下步骤建立土木工程结构太阳辐射温度效应分析方法：
[0060]步骤一:建立结构表面的太阳直射辐射强度
[0061] 由于大气的作用，土木结构表面所受到的总太阳辐射强度I由三部分组成：（1)来 自太阳的方向不变的光束辐射或称太阳直接辐射Ιι; (2)来自天空的、由于大气的反射和散 射而方向发生变化的那部分太阳辐射所形成的太阳散射辐射12;(3)太阳辐射到达地面后 反射到结构表面的地面反射辐射1 3。
[0062] I = Ii+l2+l3
[0063] 对需要研究结构辐射温度效应的某一天而言，确定其自1月1日起算的日序数η。
[0064] 太阳垂直照射下，土木结构外表面的太阳直接辐射1:可表示为：
[0065] Ii = ScCa
[0066] 式中：计算温度效应的某一天(即从1月1日起算的第η天)的太阳常数Sc可表示为：
[0068] 结构所在地的大气透明度系数匕可表示为：
[0069] Ca=03AC^
[0070] 其中：pa为该天的大气相对气压;ma为大气光学质量。浑池系数C。随大气状况和季 节变化，它可由经验公式计算：
[0072] 式中：^和!〇2为地形地貌参数，其取值可依据不同地貌选取。
[0073] 太阳光线通过大气层的路径长度是表征太阳辐射被大气衰减程度的重要参数。通 常计量光程并不用实际长度而是用的大气光学质量叫表示。大气光学质量与太阳高度角Φ 相关：
[0075] 太阳光线通过大气层的路径长度是表征太阳辐射被大气衰减程度的重要参数。若 太阳光线与结构表面的倾角为Θ时，直接太阳辐射强度可表示为：
[0076] Il = ScCaCOS0
[0077] 步骤二:建立结构表面的太阳散射辐射强度
[0078] 试验观测表明：天空散射大致均匀地投射到地球表面，因此结构表面所受到天空 散射与表面方位角无关，只与表面倾角有关。水平面上的散射强度可表示为：
[0080]式中：
[0081 ] P = {).9p<
[0082]在倾角为邱勺斜面上的散射太阳辐射可表示为：
[0084] 步骤三:建立结构表面的太阳反射辐射强度
[0085] 太阳福射(包括直接福射和散射)投射到地表后，将有一部分被地表反射，即地表 短波反射，投射到结构表面的反射辐射强度可表示为
[0086] I3 = Cr(Ii+I2)
[0087] 式中：Cr为地表短波反射率系数。在倾角为β的斜面上的反射太阳辐射强度可表示 为：
[0089] 步骤四：建立结构表面的太阳辐射强度因子
[0090] 天空之太阳的具体位置可由太阳高度角Φ和方位角丫5确定，如图2所示。太阳高度 角Φ和方位角ys与时角ω、太阳赤炜δ以及结构所在地的炜度ε是有关系的，太阳高度角φ可 按下列关系式进行计算：
[0092] 则日出太阳时t和日没太阳时t2可分别表示为：
[0095] -天中结构表面承受太阳辐射的时间长度可计算得到：
[0096] ts = t2-ti
[0097] 天文学上发生峰值太阳辐射强度的时刻to为：
[0099]上式所表示的结构表面的太阳峰值辐射强度时基于传统天文学模型得到的。对于 实际土木工程结构而言，在很多情况下并不能与实际结构所受到的太阳辐射强度相吻合， 这主要是由于天空中零散云层、结构地貌、树木、建筑物车辆等的影响。事实上，结构表面受 到最大强度的太阳辐射的时刻U某些时候并不和上式结果一致。时刻U有可能比时刻to稍 微滞后。此外，由于前述自然环境的影响，作用于土木工程结构表面的太阳辐射强度在上午 和下午并不相等，这与传统天文学的模型是不一致的。因此有必要建立适用于土木结构的 太阳辐射模型。在上午时刻，太阳辐射强度因子可表达为：
[0101] 上午的时间系数〖以可表示为：
[0102] tki = t2-ti+2 (tm-to)
[0103] 在下午时刻，太阳辐射强度因子可表达为：
[0105] 下午的时间系数tk2可表示为：
[0106] tk2 = 2(t2-tm)
[0107] 式中：t表示太阳辐射时刻;a和b为两个正的模型修正系数，其数值可根据实际情 况选取。
[0108] 因此，一天中的第i时刻，作用于土木结构的太阳辐射强度可表示为：
[0109] if (??先.）
[011 0]步骤五:建立针对土木工程结构的太阳辐射模型
[0111]传统的天文学太阳福射模型中，构件表面在一天中接收的太阳福射强度总和为：
[0113]新太阳辐射模型，构件表面在一天中收到的太阳辐射强度总和为：
[0115]两者的太阳辐射强度误差为：
[0117] 采用修正因子后，可对模型的太阳辐射总量进行修正，这样可以保证一天中的总 太阳辐射量保持不变。结构太阳辐射模型的总强度可表示为：
[0118] Icivil = Im. (l-Se〇)
[0119] 步骤六:土木工程结构的太阳福射效应分析计算
[0120] 土木结构混凝土屋面结构体系时变温度场与结构所处的地理位置及其方位、太阳 辐射强度、大气温度和风速以及结构物所处的环境等众多因素相关。结构外边界主要是通 过对流和辐射与周围环境进行热能传递和交换。辐射作用根据波的长短不同，可以分为长 波辐射和短波辐射。短波辐射即为太阳辐射，长波辐射主要是热辐射，尽管长波辐射强度比 短波辐射小得多，但在夜间结构外边界与周围环境的热交换主要是热辐射。土木结构外表 面和大气环境之间的能量交换率U可表示为：
[0121] U = Ui+U2+U3
[0122] 式中:山为对流换热能量输入;1]2为长波辐射能量输入;U3为日照辐射能量输入。
[0123] 结构表面由太阳射线获得的热量(即短波辐射)U3可以表示为：
[0124] U3 = alcivil
[0125] 式中：α(0〈α〈1)α为结构表面辐射吸收系数，对于一般未加处理的混凝土表面取 0.5或0.65，沥青铺装层表面可取0.85或0.9。
[0126] 对流热交换ΙΛ依赖于空气流动速度和边界条件，按牛顿对流定律可表示为：
[0127] Ui = ei(Ta-Ts)
[0128] 式中：ei为对流热交换系数;Ts为土木结构表面温度;1为实测的环境空气温度。对 流热交换系数通常由试验公式计算：
[0129] ei = 4.0v+5.8
[0130] 式中：v为实测的结构表面风速。
[0131] 土木结构表面和大气环境之间以长波的辐射形式产生的热交换U2可按Stefan-Boltzman定律表示为：
[0132] U2 = e2(Ta-Ts)
[0133] 式中：e2为辐射换热系数：
[0134] e2 = es · [4.8+0.075(Ta_5)]
[0135] 式中：es为材料表面发射系数。综合前述结果，土木工程结构和大气环境之间的能 量交换率U可表不为：
[0136] U = e(Ta-Ts)+aIcivil
[0137] 式中等效热交换系数e可表示为：
[0138] e = ec+er
[0139] 由此前式可转换为下式：
[0141] 上式给出了土木工程结构等效温度边界条件的一种简化表达，即结构表面的热传 递过程可表示为结构表面温度Ts和等效温度f之间的热对流过程。
[0142] U = e(T*-Ts)
[0144]等效温度包含空气温度和太阳辐射的影响，这样对流换热、和太阳辐射就可以 统一用热边界条件的形式引入到温度场计算中。
[0145] 土木工程结构的温度效应问题属于三维热传导问题，可基于热力学三维热传导方 程采用有限元方法进行求解。依据Fourier热传导理论，结构的三维热传导方程为：
[0147] 式中：T为结构某点的温度;kx，ky和kz为三个正交方向的材料导热系数;P为材料密 度;c为材料比热。通过求解上式并考虑热边界条件，即可确定工程结构的太阳辐射温度效 应。通过上述一系列步骤，即可实现土木工程结构在太阳辐射温度效应的分析和评估。
[0148] 下面以几个具体案例来说明本发明的结构刚度损伤监测方法及系统的有效性。本 案例考察某桥梁结构桥面板的太阳辐射温度效应分析过程和分析计算效果。
[0149] 图3为某大型桥梁结构的示意图，该桥梁位于我国南方沿海地区，属于南回归线以 南地区。以该结构为对象，描述了结构太阳辐射温度效应分析方法及系统的实施过程。该桥 梁主跨1000多米，两侧有两个边跨。这类大跨度桥梁通常采用钢箱梁截面，图4给出了钢箱 梁的横截面示意图。由图中结果可知该钢箱梁由多个钢框架和钢支撑所组成。在上下桥面 上均铺有桥面板以实现车辆通行。
[0150] 图5、图6和图7给出了桥面板的示意图。桥面板由带有U肋的钢板所组成，钢板上部 铺装有38mm的沥青混凝土面层。钢板厚度为14mm，U肋厚度为10mm。表2给出了桥面板各组成 部分的材料特性参数。为了考察本发明的实施效果，在该桥钢箱梁截断上选取了 6个测点， 分析了实测温度场与分析计算温度场的差异，同时重点考察了桥面板的竖向温度梯度的变 化特点和规律。其中测点1至4为上表面桥面板的温度测点，测点5为下表面桥面板测点，测 点6为钢箱梁侧表面维护板的测点。
[0151] 表1
[0154] 图8给出了本发明提出的结构辐射模型与传统天文辐射模型所获得桥面板表面的 太阳辐射强度结果比较，结构温度效应考虑为夏季，具体时间为7月1日。由图8结果可知:传 统天文学辐射模型所得到的辐射强度在上下午是等均匀分布，其辐射强度峰值为中午12 时。而结构辐射模型通过修正因子的调整，其辐射强度上下午略有不同，辐射强度峰值出现 在约13点。
[0155] 图9和图10给出了桥梁截断上部桥面板的四个测点的时变温度分析结果与实测结 果的对比。由图中结果可知，实测的桥面板表面的峰值温度出现在约下午16点。实测结果是 在16点之前一直处于升温，然后热能输入与输出达到平衡，温度达到峰值。随后热能输入大 于输出，因此桥面板表面温度开始逐渐下降。而基于传统天文学辐射模型的分析结果表明， 其峰值温度出现在约下午14点，与实测结果相差了 2个小时。而且分析的升温过程和降温过 程与实测结果也存在较大差异。而基于传统天文学辐射模型的结果却是在14点之前既已完 成升温过程，然后即开始降温，这与实测结果明显不符。而采用本发明提出的结构辐射模 型，可以准确的描述一天之中结构的时变温度变化，峰值温度时刻以及升温降温过程均与 实测结果吻合。
[0156] 图11给出了测点5和测点6的分析结果与实测结果的比较。由图中结果可知，采用 结构辐射模型得到的下部桥面板以及外围护板时变温度场与实测结果吻合较好。图12给出 了测点3的所在位置的钢板与沥青混凝土铺装层的竖向温度梯度分析结果。结果表明：由于 沥青混凝土面层的安装，有效地阻挡了由于太阳辐射引起的结构竖向热能的传递，铺装层 上下表面存在明显的温度差，温度差可达12度左右。而钢板由于导热系数大，因此其上下表 面的温差很小。
[0157] 前述给出了桥面板在夏天高温强辐射下的时变温度场的变化情况。为了验证本发 明所提出分析模型和方法的有效性，在此还研究了温度最低的冬季时的结构动态温度场的 状况。图13给出了结构辐射模型与传统天文辐射模型所获得桥面板表面的太阳辐射强度结 果比较，结构温度效应考虑为冬季，具体时间为1月1日。冬季的太阳辐射强度对比结果与图 8显示的夏季的结论类似。由图13结果可知:传统天文学辐射模型所得到的辐射强度在上下 午是等均匀分布，其辐射强度峰值为中午12时。而结构辐射模型通过修正因子的调整，其辐 射强度上下午略有不同，辐射强度峰值出现在约13点。
[0158] 图14给出了在冬季的测点1、2和3的时变温度分析结果与实测结果的对比。显然与 夏季的结果类似，采用结构辐射模型的时变温度场与实测结果吻合很好，可以准确的描述 一天之中结构的时变温度变化，峰值温度时刻以及升温降温过程均与实测结果吻合。而采 用传统天文学辐射模型所得结果无论在峰值温度时刻还是升温降温全过程均与实测存在 一定差异。
[0159] 图15给出了冬季时测点3所在位置的钢板与沥青混凝土铺装层的竖向温度梯度分 析结果。结果表明：沥青混凝土面层有效的阻挡了由于太阳辐射引起的结构竖向热能的传 递。铺装层上下表面存在明显的温度差，冬季时温度差可达7度左右。而钢板的上下表面的 温差很小。
[0160] 本发明的一种新的土木工程结构太阳辐射效应分析系统中各个模块其具体功能 的实现可采用上述的方法。
[0161] 如图16所示，一种土木工程结构太阳辐射温度效应分析系统，包括：
[0162] 结构环境温度监测模块，用于通过传感装置测量结构的环境空气温度和表面风 速；
[0163] 结构环境风速监测模块，用于实时监测结构周边的风速，获取作用于结构表面的 风速?目息；
[0164] 结构太阳辐射强度分析模块，用于根据结构所在位置，确定作用于结构外表面的 直接辐射强度、散射强度和反射强度；
[0165] 结构温度边界条件分析模块，用于根据结构的物理参数以及作用于结构的表面的 直接辐射强度、散射强度和反射强度信息，建立适用于结构温度效应分析的热边界条件；
[0166] 结构太阳辐射温度效应分析评定模块，用于根据已经建立的结构表面太阳辐射强 度以及热边界条件，确定结构内任意位置的温度场分布及温度效应。
[0167]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种±木工程结构太阳福射溫度效应分析方法，其特征在于，包括W下步骤： 1) 通过传感装置测量结构的环境空气溫度和表面风速，所述环境空气溫度和表面风速 信息用于计算换热系数； 2) 根据结构所在位置的地理经度和缔度，计算结构所在位置一天中任何时刻的太阳高 度角;然后采用结构太阳福射模型计算确定作用于结构表面的太阳福射强度，具体如下： 2.1) 设一天中的第i时刻，作用于±木结构的太阳福射强度为：其中：ts为一天中结构表面承受太阳福射的时间；tkl为上午时间系数;tk2为下午时间系 数;tl和t2分别为日出太阳时刻和日落太阳时刻;U为结构表面受到最大强度的太阳福射的 时刻;t表示太阳福射时刻;a和b为福射模型的系数； 2.2) 确定作用于±木结构的太阳福射强度rivii: rivil=r. (1-SeO) SeO为两种结果的太阳福射强度误差：其中：Si为采用传统太阳福射模型所得的结构表面在一天中受到的太阳福射强度总和； Sim为基于修正的结构太阳福射模型所得的结构表面在一天中受到的太阳福射强度总和；其中：Ii为第i时刻±木结构表面所受到的总太阳福射强度;Si为第i时刻太阳福射强度 因子;tl和t2分别为日出太阳时和日没太阳时； 3) 根据结构的物理参数W及作用于结构的表面的直接福射强度、散射强度和反射强度 等信息，建立适用于结构溫度效应分析的动态溫度边界条件； 4) 根据已经建立的结构表面太阳福射强度W及热边界条件，确定结构内任意位置的溫 度场分布及溫度效应。2. 根据权利要求1所述的±木工程结构太阳福射溫度效应分析方法，其特征在于，所述 结构动态溫度边界条件为：式中：U为结构外表面和大气环境之间的能量交换率;e为等效热交换系数;为等效溫 度;了3为±木结构表面溫度;Ta为实测的环境空气溫度;α为结构表面福射吸收系数。3. 根据权利要求1所述的±木工程结构太阳福射溫度效应分析方法，其特征在于，所述 结构内任意位置的溫度场分布及溫度效应通过求解结构的Ξ维热传导方程确定。4. 根据权利要求1所述的±木工程结构太阳福射溫度效应分析方法，其特征在于，所述 步骤2.2)中Si是基于传统天文学福射模型，确定结构表面的太阳直射福射强度、反射福射 强度和散射福射强度，然后获得结构的总福射强度。5. -种±木工程结构太阳福射溫度效应分析系统，其特征在于，包括： 结构环境溫度监测模块，用于通过传感装置测量结构的环境空气溫度和表面风速； 结构环境风速监测模块，用于实时监测结构周边的风速，获取作用于结构表面的风速 ?目息； 结构太阳福射强度分析模块，用于根据结构所在位置，确定作用于结构外表面的直接 福射强度、散射强度和反射强度； 结构溫度边界条件分析模块，用于根据结构的物理参数W及作用于结构的表面的直接 福射强度、散射强度和反射强度信息，建立适用于结构溫度效应分析的热边界条件； 结构太阳福射溫度效应分析评定模块，用于根据已经建立的结构表面太阳福射强度W 及热边界条件，确定结构内任意位置的溫度场分布及溫度效应。
【文档编号】G01M99/00GK106092628SQ201610402627
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】陈波, 郅伦海, 李冬明
【申请人】武汉理工大学