混凝土箱梁日照温度场 温度应力ANSYS分析结果.docx

1、混凝土箱梁日照温度场 温度应力ANSYS分析结果SimWe仿真论坛C06：ANSYS-实例赏评 混凝土箱梁日照温度场、温度应力ANSYS分析结果混凝土箱梁日照温度场、温度应力ANSYS分析结果混凝土箱梁在日照和气温变化等气象因素作用下，会在截面内产生非线性温度分布，引起较大的纵向、横向温度应力，在超静定结构中还会引起温度次应力。应力大小往往会超过列车或汽车荷载效应，特别是横向温度应力对混凝土箱梁纵向裂纹的出现有很大的贡献。下面首先发几张混凝土箱梁日照温度场ANSYS分析结果的图片，希望对这方面感兴趣的网友在此讨论。：夏季日照温度场。由于，桥轴线走向和纬度的关系，腹板在夏季腹板几乎不受日照，因此

2、截面温度梯度主要在竖向。peregrine2007-7-14 15:07夏季，t=10:00的温度场peregrine2007-7-14 15:09夏季，t=14:00的温度场i 本帖最后由 peregrine 于 2007-7-14 15:15 编辑 /iperegrine2007-7-14 15:15回复 #3 peregrine 的帖子夏季，t=03:00，夜间负温差peregrine2007-7-14 15:19：冬季温度场。本箱梁冬季腹板也会受到一定的日照。冬季，t=16:00bridge52092007-7-18 21:481、底板温度基本是处于均匀温度状态？原来做过实桥试验，上下

3、底板也是相差很大的，是不是所处环境不同了？2、“夏季，t=03:00，夜间负温差”跟实测也是差的很远，基本上是处于均匀温度状态。3、希望提供你的计算思路，偶们好学习一下。peregrine2007-7-19 20:15回复 #6 bridge5209 的帖子回楼上我这是根据多年气象资料计算的最不利状况下的温度分布，与楼上在某一座桥的实测数据有出入，是正常的。1、 底板温差主要受气温变化和地面或水面对太阳辐射的反射率影响，地面太阳辐射发射率随环境变化很大，难以准确确定，计算时一般偏于不利考虑，取较小值，因此计算的底板上下温差比较小，在本算例中为3.4（14:00)2、 夜间负温差看起来很大，但要

4、注意的是，最高温度出现在箱梁梗胁加厚处的内部，而最低温度出现在悬臂端部板厚最薄处，特别是在悬臂端部，在很小的范围内温度降低很多，因为这个部位不仅尺寸小，而且夜间呈三面放热的状态，温度下降自然比结构主体要大得多。实测一般不会去测这种局部地方的值，因此也反映不出来。当然，在运营阶段，悬臂端部处会有人行道或安全带遮盖，局部温度变化就不会这么明显了。除开这种局部温度变化外，本算例沿板厚的负温差分别为-7.5和-5.2，比现行规范的值还小得多。还有比这个更大的。夜间负温差受很多因素影响，主要有白天太阳辐射强度、板厚、箱内通风状况、风速、夜间降温幅度等。如果白天太阳辐射强度较大、箱内通风条件较差、板厚较大

5、而且夜间风速又相对较大时，就有可能出现较大的负温差。手边资料有实测到-5.6的顶板负温差，但肯定不是最不利状况，因为板厚只有16cm(铁路箱梁),太阳辐射也不是很强。夜间负温差的实测与观测时间有关。箱梁白天是外表面温度高于内部温度，在午后某一时刻达到峰值，然后外表面温度开始下降，而箱内温度仍在上升，夏季大概在夜间8、9点左右会出现内外温度大致均匀的时刻。如果在此时间附近观测，一般测不到太大的负温差，负温差要在深夜观测。过了8、9点后，外表面温度开始低于内部温度，负温差慢慢增大。i 本帖最后由 peregrine 于 2007-7-19 20:22 编辑 /i不倒臂膀2007-7-21 16:0

6、2终于找到组织了呵呵，我做的也是箱梁的外界温度场分析，到现在还没什么结果，恳请楼主大虾赐教一番！另外，夏日的箱梁竖向温度场固然重要，但横向的也不可忽视，因为箱梁的温度梯度包括沿横向和竖向的；腹板在夏季腹板几乎不受日照，这要看箱梁悬臂板的长度，看是否腹板全在阴影处，截面温度梯度主要在竖向，特别是顶板部分。peregrine2007-7-21 21:24确实应重视横向温差。再发个包括横向温差的情况，供参考。是一个实桥的算例(无碴铁路箱梁)attach130462/attachi 本帖最后由 peregrine 于 2007-7-21 21:30 编辑 /i不倒臂膀2007-7-22 15:29请教

7、楼主我对箱梁在日照条件下温度场分布有几点疑惑：针对该分析，我认为应该涉及到热分析单元和表面效应单元（带孤立节点），分别施加对流荷载和热流密度，问题如下1：如何对孤立节点施加外界温度，因为外界气温是一直变化的，是否应该编辑函数定义，但外界温度可近似为正弦函数变化，是否就应该知道该天时刻的温度值？2：对流系数的计算，有资料表明按公式d=6.31v0.656+3.25e-1.91v得出对流系数，但此值计算是否符合实际，是否比实际值小？3：太阳辐射值也是随时变化的，进行瞬态热分析，如何施加该热流密度，还是编辑函数Im=Ensinh/(sinh+(1-p)/p)进行施加吗4：是否该考虑热辐射问题？上述问

8、题希望楼主给予解答！希望楼主在这方面多发好贴！谢谢！peregrine2007-7-23 12:07日照温度场比较复杂，求解方法可能会因各人的思路而异1. 你说的孤立节点不知是不是指热辐射边界条件中的space node，对于space node中的温度(spctemp命令中的temp),ANSYS没有说可以用表格或函数形式数据，我理解为不可用。2. 对流系数计算的经验公式很多，计算结果差别不是很大，你提出的经验公式所得的计算结果应该也可以用。我使用的对流系数公式为h=2.6(T-T0)0.25+4v,T和T0分别为表面温度和空气温度。3. 太阳辐射应同时考虑直射和散射，这样准确度高些。应该考

9、虑随时间的变化，编辑函数或用TABLE施加都可。4. 应考虑热辐射。对外表面，考虑表面向外界发射辐射，同时吸收来自大气和周围地表环境发出的热辐射(这里指长波辐射、不包括太阳辐射)在我用的ANSYS版本中，在同一边界上不能同时给定热流密度(Hflux)和对流边界条件(CONV),不知新的版本有没有变化。我在求解时，将太阳辐射、对流、热辐射统一转换为热流密度，以TABLE表示，再施加到边界上。以顶板的边界条件为例(假设按二维温度场问题求解)，假定气温、太阳辐射、风速等都是时间的已知函数，那么顶板上的热流密度总可以表示为时间和表面温度的函数。因此，可以先定义一个随表面温度和时间变化的热流密度数表，例

10、如 *DIM,flux1,Table,ntime,ntemp,Time,TEMP. 然后给定flux1在不同时间、和表面温度下的值，也就是设定一张完整的数表。边界温度事先并不知道，这没有关系，只要求解过程的温度不会超过设定表格时的温度范围就可以了。然后用SFE,SFL等命令对顶板施加边界条件即可，例如用SFL施加，可能的命令形式如下lsel,S. !选择顶板上的lines.FL,all,hflux,%flux1% ！将以表格flux1给定的热流密度施加到顶板上。因为定义flux1时已明确flux1是随时间TIME和温度TEMP这两个主变量(primary variable)变化的，所以，在瞬态

11、求解过程中ANSYS就会根据时间和温度从flux1表格中获取热流密度的值，动态施加的边界上。对腹板的边界条件也是类似，不过腹板上如果考虑悬臂板的遮阳影响，应该定义三维数表，需增加一个坐标变量(y)。箱内边界条件则不需这样复杂，因为对流和热辐射可以叠加，而且热辐射也不需定义space node.个人观点，仅供参考！不倒臂膀2007-7-23 16:46谢谢楼主的好贴！若把太阳辐射、对流和热辐射统一转化为热流密度，当然就不需要利用表面效应单元，利用它的目的就是把热流密度和对流荷载分别来加！现在的版本仍是规定同一边界不能同时施加两种荷载，否则只以最后施加的面荷载进行计算！再问楼主一些细节问题！1：太

12、阳直接辐射Im和散射Id（水平表面）数值是由气象站查出来的还是计算而来，计算对Im比较简单但对Id我就无能为力了。2：对流引起的热交换热流密度q=h（Ta-Ts）,h、Ta和Ts分别表示对流系数，空气温度和砼的表面温度长波热热辐射引起的热交换热流密度q=Cs(T+Ta)4-(T+Ts)4，T为常数273，Ta和Ts如上既然楼主的flux1是随时间TIME和表面温度TEMP变化的，那么Ta和Ts到底如何设置，空气温度和砼的表面温度到底有什么联系，它们分别代表什么意思？最好有个例子介绍一下。这个问题可能有些弱智，还望楼主见谅回答，谢谢！不倒臂膀2007-7-23 16:59另外楼主的flux1是在

13、不同时间、和表面温度下的值，也就是对流、热辐射和太阳辐射的统一，我看倒不如分别对某边界施加三次热流密度，这样的热流密度比较单一明了（需要定义多个数组），这意味着把三种荷载产生对应热流密度进行线形叠加，楼主意味如何？不倒臂膀2007-7-24 11:02对于对流中的Ta和Ts我有了些认识：这其实是对流计算公式，Ta为固体表面温度，Ts为流体温度则对流由牛顿准则得出：q=-h（Ta-Ts）,h、Ta和Ts分别表示对流系数，空气温度和砼的表面温度，在Ansys热分析中，只需知道Ts即可！以下仍是疑问：1：Ts在没有实测值的情况下如何得到？是否需要知道该天的气温变化，利用正弦函数曲线模拟？希望楼主给指

14、道！2：太阳辐射中的直接辐射Im和散射Id（水平表面）数值是由气象站查出来的还是计算而来？因为我没有任何实测资料，通过Ansys来对箱梁和空心墩进行温度场分析，进而与规范进行对比，所以在一些细节方面存在许多疑问，还望各位大虾不吝赐教！尤其是楼主呵呵！peregrine2007-7-24 22:42Ta(或许是Ts)为固体表面温度,没错！也就是*DIM,flux1,Table,ntime,ntemp,Time,TEMP 中的TEMP, 也就是我前面贴子中说的边界温度，边界温度事先并不知道，这没有关系。关键是你定义的flux1要让ansys在求解过程中能够根据Time和TEMP从你设定的表格中获得

15、所需要的热流密度值（ANSYS会自动内插),比方说你估计边界温度不会超出2060这一范围，计算时间在024小时内，如果你把温度划分为5的间隔，把时间划分为0.5小时得间隔，那们你就得预先设定一张949的数表flux1，这恐怕只有借助函数编辑器或APDL语言才能完成了，特别是用后者效率较高。数表相当于一个关于变量Time和TEMP的函数。你说的定义多个数组，对某边界施加多次热流密度，当然是不错的的，根据具体情况选择就是了。如果要将计算资料和实测资料对比，当然以采用现场的实测气象资料为好。要证实你模型的可靠性，也需要通过现场实测温度场证实。没有桥址现场实测资料，可以采用当地历史气象台站的资料。如果

16、只知道最高、最低气温，用正弦曲线模拟气温也是可行的。太阳辐射中的直接辐射Im和散射Id（水平表面）数值可由气象站查出来，也可以通过计算。气象条件的计算，建议看看下面的参考资料。1. 太阳辐射对桥梁结构的影响中国铁道出版社彭友松，强士中，李松哑铃形钢管混凝土拱日照温度分布研究 中国铁道科学，不倒臂膀2007-7-25 12:13谢谢楼主的细心回复！推荐的参考文献很好，可惜找不到英文文献，可惜呵呵！我想把楼主的思路给捋清一下：考虑箱梁日照温度场，要分别考虑太阳辐射，对流和热辐射三种形式。1：太阳辐射，包括太阳直射和太阳散射，可以利用公式或气象资料计算得出每个时刻的辐射量2：对流引起的热流密度q=h

17、（Ta-Ts），h、Ts和Ta分别表示对流系数，边界温度（砼的表面温度）和空气温度3:热辐射引起的热交换热流密度q=Csa(T+Ta)4-(T+Ts)4，T为常数273，Ta和Ts如上然后可以先定义一个随表面温度和时间变化的热流密度数表，例如 *DIM,flux1,Table,ntime,ntemp,Time,TEMP. 然后给定flux1在不同时间、和表面温度下的值，施加到边界条件上即可楼主看我理解的是否正确，若正确我的疑问如下：1：除了自己定义边界温度Ts为一个范围（如20-60度），那么此时求热流密度用到的外界温度即空气温度Ta是否由实测数据或计算得出？2：我用参考文献6中计算太阳辐射和

18、太阳散射的结果与我参考的论文中的数据有很大出入，论文中通过实测值拟合直射散射通量曲线，然后对时间求导得出某个时刻的辐射量（我认为这是从MJ/m2转化到W/m2的好方法）；而且我在网上查不到具体某天某日某时的辐射量，楼主有什么好的建议？结合楼主的思路，我考虑如下：1：对于太阳辐射量通过热流密度施加，通过公式计算（计算值与实测值误差很小情况下）得出的是W/m2直接对边界施加2：对流和热辐射可以通过综合换热系数进行施加，对箱梁内部空气温度变化不大，可假定不变，把conv变成对流和热辐射的综合系数即可；对箱梁外边界同样亦然，不同的是空气温度是变值，需要通过函数进行模拟！3：在上述情况下，需要采用表面效

19、应单元希望楼主对我的思路做进一步指导和建议！不倒臂膀2007-7-25 16:08楼主看下两组数据差别怎么这么大（前者是论文根据气象站查取的数据，后者我根据计算公式得出的），我不知道在什么网站上查取具体某天某个时刻的辐射量，查的数据库都不全，我不知道是怎么回事，看楼主及各位同仁帮忙！attach130785/attachattach130786/attachi 本帖最后由 不倒臂膀 于 2007-7-25 16:09 编辑 /iperegrine2007-7-26 11:13仔细看了一下文献6，也验算了一下，没有发现公式有什么错。不过倒确实发现下面一处错误。72页左栏最下边，“.color=r

20、ed在洁净大气情况下/color变化范围在1.83.3之间，color=red夏季取偏低值，冬季取偏高值/color, 应改为，“.color=red在洁净大气情况下/color变化范围在1.83.3之间，color=red夏季取/colorcolor=red偏高值，冬季取偏低值/color一般来说，气象台站的资料提供的是水平面上的辐射量，要注意的是文献6中的Esize=1b/sizesize=2不是水平面上的直接辐射量。水平面上的辐射应按文献6中的公式(9)计算(取表面倾角为零)。/sizesize=2/sizesize=2下面是我根据文献6上的公式算得的水平面上太阳辐射日变化曲线的一个例子

21、，/sizesize=2与半波正弦曲线很相似。/sizesize=2/sizesize=2/sizei 本帖最后由 peregrine 于 2007-7-26 11:25 编辑 /i不倒臂膀2007-7-27 11:18多谢楼主答复！按照文献6计算的Eb是与太阳直接辐射方向垂直平面上的直接辐射强度，则水平面的辐射量应为E=Eb*sinh=Eb*cos，h某时刻太阳高度角，太阳射线入射角算水平面时，令表面倾角为0，则水平面太阳辐射强度为：q=As(Eb*sinh+Ed)，我理解的是否正确？若正确，此时得出的强度值对某一点(正午时刻12点)对称，是否符合实际情况？另外，如何查到一地方在某时某刻的太

22、阳辐射量？因为按照楼主的建议现在画成的水平面辐射强度符合半波正弦分布，但与我参考论文的实测数据（论文说的呵呵）仍有很大差距，我不知道谁对谁错，请楼主帮我分析，感激之情难用言语！不倒臂膀2007-7-27 11:32如有可能，楼主能否把你根据文献6上的公式算得的水平面上太阳辐射日变化曲线的一个例子的数据和实测数据发给我，让我再深入学习一下！邮箱是email=/email，若有过分之处，还望楼主见谅！呵呵！再发一个改正后的辐射量曲线（此时我令As=1所得结果）attach131042/attach这与参考论文数据差别较大，有一点就是所计算值对某一点对称，而实测值（论文所说的）相邻两点差别很大，曲线

23、见前面帖子，希望楼主给些建议！peregrine2007-7-27 13:02回复 #20 不倒臂膀 的帖子不知你说的参考论文是哪一篇，可否明示？很不好意思，我没有实测值，贴图上的两列数据都是计算值，其中一列是半波正弦的模拟结果。你给的公式q=As(Eb*sinh+Ed)是对的，所以，就没必要再给你发计算结果了。我倒是希望你能给我提供一点实测数据呢。一般的历史气象资料，可到中国气象科学数据中心(url/url)下载，但要申请会员资格，而且没有瞬时值数据。模型时理想化的，与实测值不吻合是正常的。我觉得，为便于比较，不论是实测曲线和理论曲线都应该画全，即从日出起到日落时止，日出、日落时的太阳辐射量

24、都应为零。如果合适的话，不知能否把你的实测值、计算值发到我的邮箱，再一起研究一下？并请说明实测值的观测日期、地点。我的邮箱是：email/email不倒臂膀2007-7-27 15:17与我心有戚戚焉楼主所言极是：一般的历史气象资料，可到中国气象科学数据中心(url=/url)下载，但要申请会员资格，而且没有瞬时值数据。在这些数据库中根本就查不到，很郁闷呵呵！幸好有志同道合的楼主一起交流！对楼主关于日出日落太阳辐射量都应为零，我也同意，但日出日落不好确定，我认为当太阳时角超出-90,90外，就可以认为辐射量为零了，而且这一般就在早6点晚18点，不知楼主有什么好的主意peregrine2007-

25、7-27 20:19哈！看了一下你传过来的数据，你计算时纬度取值不对，你取的为41.5度，实际应为28.3度(湖南长沙)，此外你算的赤纬角为11度多，以我计算似乎应为23度。至于太阳辐射强度，文献上先拟合成曲线再求导，方法上没错，精度取决于拟合程度。个人认为不必这么费事，直接求出来就可以。比方说，根据实测资料，12:0013:00的直射通量为3120.01MJ/m2，那么这1个小时间隔内的平均辐射强度为3120.011000000/3600=867W/m2，可以近似认为这就是该段时间的中点12:30的直射强度，也就是地方时12:00的辐射强度。这个是从实测值中算出的最大值，按公式计算最大值也是

26、地方时12:00，在这一点上两者倒是吻合的。其他时点的直射和散射强度都可以按这种方法计算出来。在本例中，空气混浊度取4.0左右的计算结果与实测值可能比较接近，也比较符合实际。你取的空气混浊度为2.5，这种很洁净的大气条件在夏天是比较少的，特别是在空气湿度较大的南方地区。日落日出时间可按太阳高度角为0计算，按公式算出太阳高度角为0的时角，即可以转换得到日落日出时间(地方时)。在夏季，日落日出可超出时角-90，90不少，特别是在北方地区。i 本帖最后由 peregrine 于 2007-7-27 20:23 编辑 /i不倒臂膀2007-7-28 11:39楼主火眼金睛！佩服！我的计算参数取的有误和

27、概念模糊导致错误的计算结果，根据楼主的建议：对论文中的例子，1：太阳直射12点以后模拟的较好，而12点之前有效误差，计算结果值相对12点对称，这与实际多少有出入，应该可以忽略不计吧2：太阳散射计算结果误差较大，太阳直射强度大时，散射强度也应该大，而计算结果则不同，楼主作何解释？3：外界温度曲线必须有当天的日气温最值，若没有，是否应找到往年该日的日气温变化作参考楼主在箱梁温度场方面很厉害，多次给我解惑，对楼主帮助表示感谢！peregrine2007-7-28 17:481. 出入不大就可以接受。毕竟这种太阳辐射模型只适用于无云晴朗天气，幸好我们计算混凝土桥的日照温度分布所关心的不利情况就是这种无

28、云晴天，要不更难模拟。2. “太阳直射强度大时，散射强度也应该大”。 这种说法是不对的。太阳辐射到达地球大气层外界的强度基本是不变的(即所谓太阳常数), 穿过大气时，被大气散射、吸收、反射以后，剩下的一部分直接到达地面，就是直射；被散射的部分中又有一部分从天穹落回地面，即所谓天空散射。显然，大气透明度越高，直射越大，散射就越小了。从你参考论文的实数据来看，也反映了这种现象，例如12:0013:00的直射通量最大，而散射通量为39，比前后时段都要小。散射模拟很困难，现有的散射模型有时确实会存在较大的误差，但考虑到散射在整个太阳辐射中占的份额较小，特别是在无云晴天；所以对温度场分析影响不大，当然，

29、如果能找到一个更准确的模型，就更好了。3. 可以参考历史气象资料，多看几年的。不过，我觉如果要计算具体地点具体桥的话，还是找当地气象台站的实测数据更有说服力一些，应该不会有太大困难吧。不倒臂膀2007-7-29 11:08对楼主关于问题2的解释，我不敢苟同：散射辐射强度和太阳高度角及大气透明程度有关，在晴朗的日子里，随着太阳高度角增大，到达观测地点上空的太阳直接辐射增强，散射辐射也相应增强。相反，太阳高度角减小时，直接辐射减弱，从而散射也减弱。这是因为天空散射辐射主要就是大气对空中太阳直接辐射进行散射及反射而产生的。以参考论文的实数据来看12:0013:00的直射通量最大，而散射通量为39，比

30、前后时段都要小。但散射强度是从6：00逐渐增大，到达15：00有最大值，随后又减小，并不符合直射越大，散射就越小，请楼主解释一下。peregrine2007-7-29 12:071. 散射的变化是复杂的，不能简单化。显然，大气透明度越高，直射越大，散射就越小了,我这样说是有条件的，指的大气透明度这一因素的影响，指的是大气透明度高了散射所占的份额相对就小了，但是如果计算绝对的散射量，还要考虑其他因素，如太阳高度角较小时，太阳在大气层中走过的路程增加了，这是增加散射的一个因素。因此，你前面贴子中太阳直射强度大时，散射强度也应该大，并不是普遍规律，也就是说当透明度很高(即混浊度很低)时,就有可能出现

31、中午12:00的散射不是最高的情况，当透明度不是很高时，则有可能出现中午12:00的散射是最高的情况.2. “但散射强度是从6：00逐渐增大，到达15：00有最大值，随后又减小”，我从实测数据看到的不是这种规律。你是从参考论文中拟合的曲线得到的这个结论吧？但是这个曲线准确吗？你拿这个曲线积分一下，与参考论文中提供的不同时点的累积散射通量对比一下，就会发现论文中的这个散射曲线并不准确 。我在前面已经提出过计算散射通量的直接而简单的方法，按这种方法算出的结果是，在地方时上午10:00左右出现一个极值，在中午略有降低，在下午14:00又出现一个极值。拟合曲线并没有反映这两个极值点。不倒臂膀2007-7-30 15:09谢谢楼主！看起来我不能断章取义，要好好分析一下各方面的来龙去脉，对于箱梁温度场，在楼主的指导下，我有一个大概的了解，近期将建一个模型，加入边界条件，算算试试，有问题还要与 楼主交流呵呵！另外，我的另一方面是关于空心墩的温度场分析，不知楼主对这方面有何高见，再向楼主学习！chillyer2007-8-22 1