一种桥梁表面热边界条件测试系统及方法

1.本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种桥梁表面热边界条件测试系统及方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国不同地域之间的交通需求日益增长，桥梁的跨度逐渐增加，桥梁主梁横截面的宽度也逐渐加宽；在复杂的自然环境中，桥梁主梁横截面会形成非均匀的温度场，从而在主梁横截面产生局部温度应力，严重影响桥梁的耐久性，造成巨大的经济损失；因此，准确分析桥梁主梁横截面的局部温度场尤为重要。
3.目前，分析桥梁主梁横截面的非均匀温度场分布主要采用数值模拟方法，且需要计算桥梁表面热边界条件；计算桥梁表面热边界条件时，一般采用公式法迭代，但过程中存在诸多假设，使得计算结果存在较大误差；少数研究采用试验装置来测试建筑材料的对流换热系数以及辐射换热系数，但在实验室中无法模拟工程现场的环境条件。


技术实现要素：

4.针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种更准确的桥梁表面热边界条件测试系统及方法。
5.为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
6.第一方面，提供一种桥梁表面热边界条件测试系统，其包括：
7.环境参数采集装置，其用于采集环境参数，环境参数包括桥址区环境风速、桥址区环境温度和桥址区环境辐射值；
8.试验参数采集装置，其用于采集试验参数，试验参数包括无光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度、有光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度、无光照且有空气流动条件下的桥梁表面温度；
9.数据处理单元，其根据环境参数和试验参数，计算对流换热系数、辐射换热系数以及等效环境温度。
10.采用上述技术方案的有益效果为：环境参数采集装置和试验参数采集装置进行现场实测，分别对环境参数和试验参数进行采集，从而解耦了桥梁结构的对流换热和辐射换热分别对桥梁表面温度的影响；数据处理单元根据环境参数和试验参数计算出对流换热系数、辐射换热系数以及等效环境温度这些边界条件，有利于桥梁主梁横截面温度效应数值模拟分析。
11.进一步地，环境参数采集装置包括设置在桥址区的风速传感器、第一温度传感器和辐射传感器；桥址区的风速传感器采集桥址区环境风速，第一温度传感器采集桥址区环境温度，辐射传感器采集桥址区环境辐射值。
12.进一步地，试验参数采集装置包括第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器，第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器外分别设置有反光密闭罩、透
明密闭罩和反光透风罩；反光密闭罩隔绝光照和空气流动，使第二温度传感器不受热辐射和热对流影响，从而使第二温度传感器采集无光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度；透明密闭罩隔绝空气流动，使第三温度传感器仅受热辐射影响，从而使第三温度传感器采集有光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度；反光透风罩隔绝光照，使第四温度传感器仅受热对流影响，从而使第四温度传感器采集无光照且有空气流动条件下的桥梁表面温度。
13.进一步地，第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器等间距设置在桥梁表面横向跨中位置，避免第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器采集环境相互干扰，且避免第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器相距太远而影响数据采集的可靠性。
14.第二方面，还提供了一种测试方法，包括以下步骤：
15.s1：采集桥址区环境风速、桥址区环境温度和桥址区环境辐射值；
16.s2：采集无光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度、有光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度、无光照且有空气流动条件下的桥梁表面温度；
17.s3：根据环境参数和试验参数，计算桥梁表面的对流换热系数、辐射换热系数以及等效环境温度。
18.采用上述技术方案的有益效果为：通过现场实测，解耦了桥梁结构的对流换热和辐射换热分别对桥梁表面温度的影响，实现了工程结构在自然环境中对流和换热系数和辐射换热系数的计算，进而可以得到准确的桥梁结构等效环境温度，有利于桥梁结构横截面非均匀温度场的数值模拟分析。
19.进一步地，对流换热系数的计算公式为：
[0020][0021]
其中，hw为对流换热系数，c为空气的比热容，ρ为空气的密度，u为i时刻的桥址区环境风速，ti为i时刻无光照且有空气流动条件下的桥梁表面温度，t
i-st
为i-st时刻无光照且有空气流动条件下的桥梁表面温度，st为时间步长，t0为i时刻的桥址区环境温度。
[0022]
进一步地，辐射换热系数的计算公式为：
[0023]
hf＝cε[(t1+t
t
)
2-(t0+t
t
)2][(t1+t
t
)+(t0+t
t
)]
[0024]
其中，hf为辐射换热系数，c为stefan-boltzmann常数，ε为辐射发射系数，t1为i时刻有光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度，t
t
为摄氏温度与热力学温度的差值，t0为i时刻的桥址区环境温度。
[0025]
进一步地，等效环境温度的计算公式为：
[0026][0027]
其中，t2为等效环境温度，t3为i时刻无光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度，α为桥面板的辐射吸收系数，i为i时刻的桥址区环境辐射值。
[0028]
进一步地，桥面板由钢材制成，桥面板的辐射吸收系数α＝0.64。
附图说明
[0029]
图1为桥梁表面热边界条件测试系统的结构示意图；
[0030]
图2为测试方法的流程图；
[0031]
其中，1、桥梁表面，2、风速传感器，3、第一温度传感器，4、辐射传感器，5、数据处理单元，6、第二温度传感器，7、第三温度传感器，8、第四温度传感器，9、反光透风罩，10、透明密闭罩，11、反光密闭罩。
具体实施方式
[0032]
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。
[0033]
如图1所示，本方案提供了一种桥梁表面热边界条件测试系统，其包括：
[0034]
环境参数采集装置，其用于采集环境参数，环境参数包括桥址区环境风速、桥址区环境温度和桥址区环境辐射值；
[0035]
试验参数采集装置，其用于采集试验参数，试验参数包括无光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度、有光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度、无光照且有空气流动条件下的桥梁表面温度；
[0036]
数据处理单元5，其根据环境参数和试验参数，计算对流换热系数、辐射换热系数以及等效环境温度。
[0037]
环境参数采集装置和试验参数采集装置进行现场实测，分别对环境参数和试验参数进行采集，从而解耦了桥梁结构的对流换热和辐射换热分别对桥梁表面温度的影响；数据处理单元5根据环境参数和试验参数计算出对流换热系数、辐射换热系数以及等效环境温度这些边界条件，有利于桥梁主梁横截面温度效应数值模拟分析。
[0038]
实施时，本方案优选环境参数采集装置包括设置在桥址区的风速传感器2、第一温度传感器3和辐射传感器4，桥址区的风速传感器2采集桥址区环境风速，第一温度传感器3采集桥址区环境温度，辐射传感器4采集桥址区环境辐射值。
[0039]
在本发明的一个实施例中，试验参数采集装置包括第二温度传感器6、第三温度传感器7和第四温度传感器8，第二温度传感器6、第三温度传感器7和第四温度传感器8外分别设置有反光密闭罩11、透明密闭罩10和反光透风罩9；反光密闭罩11隔绝光照和空气流动，使第二温度传感器6不受热辐射和热对流影响，从而使第二温度传感器6采集无光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度；透明密闭罩10隔绝空气流动，使第三温度传感器7仅受热辐射影响，从而使第三温度传感器7采集有光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度；反光透风罩9隔绝光照，使第四温度传感器8仅受热对流影响，从而使第四温度传感器8采集无光照且有空气流动条件下的桥梁表面温度。
[0040]
设计时，本方案优选第二温度传感器6、第三温度传感器7和第四温度传感器8等间距设置在桥梁表面1横向跨中位置，避免第二温度传感器6、第三温度传感器7和第四温度传感器8采集环境相互干扰，且避免第二温度传感器6、第三温度传感器7和第四温度传感器8相距太远而影响数据采集的可靠性。
[0041]
如图2所示，本方案还提供了一种测试方法，包括以下步骤：
[0042]
s1：环境参数采集装置采集桥址区环境风速、桥址区环境温度和桥址区环境辐射值，并传输数据处理单元5；
[0043]
s2：试验参数采集装置采集无光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度、有光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度、无光照且有空气流动条件下的桥梁表面温度，以对桥梁结构表面热对流和热辐射进行解耦，并传输给数据处理单元5；
[0044]
s3：数据处理单元根据环境参数和试验参数，计算桥梁表面1的对流换热系数、辐射换热系数以及等效环境温度。
[0045]
通过现场实测，解耦了桥梁结构的对流换热和辐射换热分别对桥梁表面温度的影响，实现了工程结构在自然环境中对流和换热系数和辐射换热系数的计算，进而可以得到准确的桥梁结构等效环境温度，有利于桥梁结构横截面非均匀温度场的数值模拟分析。
[0046]
其中，对流换热系数的计算公式为：
[0047][0048]
其中，hw为对流换热系数，对流换热系数的单位为w/(m2.℃)，c为空气的比热容，c＝1007j/(kg.℃)，ρ为空气的密度，ρ＝1.29kg/m3，u为i时刻的桥址区环境风速，桥址区环境风速的单位为m/s，ti为i时刻无光照且有空气流动条件下的桥梁表面温度，t
i-st
为i-st时刻无光照且有空气流动条件下的桥梁表面温度，st为时间步长，t0为i时刻的桥址区环境温度。
[0049]
辐射换热系数的计算公式为：
[0050]
hf＝cε[(t1+t
t
)
2-(t0+t
t
)2][(t1+t
t
)+(t0+t
t
)]
[0051]
其中，hf为辐射换热系数，对流换热系数的单位为w/(m2.℃)，c为stefan-boltzmann常数，c＝5.67
×
10-8
w/(m2.k4)，ε为辐射发射系数，ε＝0.9，t1为i时刻有光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度，t
t
为摄氏温度与热力学温度的差值，t
t
＝273.15℃，t0为i时刻的桥址区环境温度。
[0052]
等效环境温度的计算公式为：
[0053][0054]
其中，t2为等效环境温度，t3为i时刻无光照且无空气流动条件下的桥梁表面温度，i为i时刻的桥址区环境辐射值，桥址区环境辐射值的单位为w/m2；α为桥面板的辐射吸收系数，而桥面板由钢材制成，桥面板的辐射吸收系数α＝0.64。