一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法

本发明属于桥梁仿真，具体涉及一种桥梁在日照、环境温度、风速、水化热效应多因素共同作用下桥梁温度场的仿真方法。

背景技术：

1、混凝土材料价格低廉、拌合工艺简单、可大量生产和运输、抗压强度高、耐久性好，其广泛应用于桥梁工程。混凝土桥梁施工过程难免会受到各种环境因素影响，水泥水化热将导致结构内部产生大量热量，低导热性的混凝土在复杂环境和内部水化放热共同作用下结构产生不均匀温度场。此现象在涉及体系转换的桥梁结构中更明显，例如，施工空腹式连续刚构桥梁拱结合段时，三角区由静定结构转化为三次多余约束的超静定结构，存在体系转换和应力重分布因此对应力变化较敏感。混凝土结构在浇筑初期抗拉强度较低，混凝土内外过大的温差很可能引起较大的温度应力，甚至发生开裂。而我国目前关于箱梁桥的设计规范依赖平截面假定，在此基础上形成的平面杆系模型可分析结构整体承载力，对结构局部分析不准确，一旦结构在施工过程发生开裂定将影响结构的耐久性甚至影响安全性。

2、施工过程桥梁温度场受日照、环境温度、风速、水化热效应等多种因素影响。现有研究对桥梁结构进行水化热温度场分析时，忽略了日照的影响，并把环境温度、风速当作定值，尚无一种能考虑全部影响因素的温度场仿真方法。已有关于沥青路面温度场的研究表明，是否考虑日照对温度场的影响在日出时路面相差5℃，如果在分析施工过程桥梁温度场时不考虑日照和真实温度变化的影响，分析结果与实测结果之间会产生较大的误差。

3、abaqus是国际上公认的最先进的cae大型通用有限元计算分析软件之一，具有广泛的模拟性能，它能够驾驭非常庞大的复杂问题，其模拟高度非线性问题的能力在所有的商用软件中独占鳌头。为了使用户根据实际情况进行更合理的计算分析，软件给出具备不同功能的二次开发子程序接口，用户根据需要选择合理的子程序，在软件提供的接口程序基础之上利用编程语言编写实现目标功能的代码程序，最后在计算过程中被主程序识别且调用进行计算。以此为契机，本发明提出一种桥梁温度场仿真的全新方法。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有的一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法，综合考虑了日照、环境温度、风速、水化热效应，是获得真实温度场的重要条件。

4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法，其包括，

5、对施工过程影响桥梁温度场的因素进行分类，分为外部原因与内部原因；

6、通过玻尔兹曼方程进行施工过程影响桥梁温度场外部原因进行计算；

7、通过随时间变化的热流量进行施工过程影响桥梁温度场内部原因进行计算；

8、建立有限元模型进行有限元热分析，综合计算复杂环境下桥梁施工过程温度场。

9、作为本发明所述一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法的一种优选方案，其中：所述对施工过程影响桥梁温度场的因素进行分类分为内部原因与外部原因；

10、所述外部原因包括日照、环境温度、风速；

11、所述内部原因包括浇筑过程水化热效应产生于混凝土。

12、作为本发明所述一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法的一种优选方案，其中：所述玻尔兹曼方程变形式为：

13、

14、式中，ts为桥面温度；f为桥面有效辐射，其值近似为太阳辐射的1/3；α为桥面辐射吸收率，混凝土一般取0.65；c0为玻尔兹曼常数，值约为5.67×10-8w/m2·k4；εa为空气黑度，表征物体辐射特性的参数，设空气黑度为1；ta为大气温度。

15、作为本发明所述一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法的一种优选方案，其中：对流换热系数计算公式为：

16、β＝21.06+17.58va0.910

17、式中，va为环境风速；当混凝土外层有模板时，可以选择等效放热系数βs，若有多层厚度为hi模板，混凝土表面通过模板和空气进行热交换时等效放热系数如下：

18、

19、式中，λi为每层板的导热系数。

20、作为本发明所述一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法的一种优选方案，其中：施工过程影响桥梁温度场内部原因中早龄期混凝土内部主要热源来自水泥水化放热，分析混凝土水化热的本质是给混凝土加入一个随时间变化的热源，计算随时间变化的热流量。

21、作为本发明所述一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法的一种优选方案，其中：所述建立有限元模型的方式是在solidworks中建立桥梁模型，然后以x_t格式文件导入abaqus进行网格单元划分，完成桥梁几何模型的创建。

22、作为本发明所述一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法的一种优选方案，其中：所述有限元热分析方式是先将外部原因用abaqus中相互作用模块作为热传导中第三类边界条件进行定义，之后将内部原因在abaqus中定义成生热材料，提交运算时需调用子程序，分析步长设置为浇筑后工程关注的时间，通过有限元求解生成桥梁施工过程温度场。

23、作为本发明所述一种计算复杂环境下桥梁施工过程温度场的方法的一种优选方案，其中：定义热边界条件时若桥梁表面温度数据是用表格而非函数进行定义，表格对应的温度数据应与浇筑后工程关注的时间定义一致。

24、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。

25、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

26、本发明有益效果为

27、(1)现行施工过程温度场的计算方法，没有考虑太阳辐射的作用，而本发明通过玻尔兹曼方程可以将日照、环境温度与结构表面温度联系在一起，故只需测定日照强度和大气温度，即可精确计算结构表面温度。

28、(2)现行施工过程温度场的计算方法，环境温度、风速通常取一天中的平均量来计算，这就导致了模拟温度场的过程中，忽略了环境温度、风速峰值对施工过程桥梁温度场的影响，从而导致了计算温度结果并不能反映真实的温度场，而本发明采用现场实测逐时大气温度、风速，能更真实的模拟施工过程桥梁外部因素对桥梁温度的影响。

29、(3)现行施工过程温度场的计算方法考虑的水化放热函数，仅为早年学者研究的热源函数，这些年随着建筑材料的不断优化，水泥水化放热也在不断改变，常用的商业软件内置的简单热源函数做不到跟实际工程紧密联系，从而导致大体积混凝土温度从源头上和实际工程产生误差，很可能影响工程质量，而本发明考虑水化放热函数(表格数据)根据工程选用的水泥实际测量，水化放热函(表格数据)数在hetval子程序定义，适用面更广，此方法计算的水化放热量与实际工程联系更加紧密。