考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，包括：针对桥塔结构，构建相应的三维模型；对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析，得到对应的结构表面时变阴影结果；根据结构表面时变阴影结果以及获取的桥址地区真实环境参数，确定出模型边界条件；将模型边界条件加载至构建的三维模型，通过数值求解得到结构内部时变温度场及时变温度效应。与现有技术相比，本发明专利技术综合考虑结构内部互遮挡情况、桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向对温度效应的影响，通过开展考虑背日葵现象的结构内部时变温度场及时变温度效应计算，能够准确地描述具有多塔肢的复杂桥塔结构时变阴影状态、温度场分布及温度效应情况。温度场分布及温度效应情况。温度场分布及温度效应情况。

【技术实现步骤摘要】
考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法


[0001]本专利技术涉及桥梁构件温度效应分析
，尤其是涉及一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法。

技术介绍

[0002]随着山区桥梁建设需求日益增长，为适应设计中的地形及线形要求，桥梁中出现了越来越多的高墩、桥塔构件，比如斜拉桥桥塔、悬索桥索塔以及山区峡谷中的高墩。各种高墩塔构件在复杂的自然环境中受到结构几何特征、与太阳光线的夹角等因素的影响，温度场分布时变规律与箱梁明显不同有所不同，准确地分析高墩塔的温度效应对桥梁的施工、运营养护等具有重要意义。
[0003]然而目前国内外对高墩塔的精细化温度场分布及温度效应研究还存在以下缺陷：现有关于高墩塔的温度效应研究中，大多是对温度场的实测数据进行分析，且仅考虑了二维断面的温度场问题，通常无法对结构沿高度方向的几何参数变化以及环境参数变化进行考虑，也无法考虑结构的三维阴影遮挡问题。即现有对于高墩塔温度场普遍的算法无法得到满足精度需求的温度场，要么不能考虑到桥址地区真实的环境参数——导致温度场模拟结果失真，要么没有考虑高墩塔各部分之间阴影互相遮挡，抑或者是无法考虑几何特性和环境参数特性沿构件高度变化的构件三维温度场。
[0004]此外，太阳辐射容易引起构件内部的不均匀温度场，而对于高桥墩、桥塔而言，当其各个面受到辐射差别较大时，各个面会发生程度不同的温度变形，引起高墩塔的时变的空间偏转效应，这种现象也被称为“背日葵”现象，可以说，背日葵现象必然会对桥塔的变形控制、应力控制产生相应影响，但目前并未有考虑背日葵现象而开展桥梁构件温度效应分析的研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析，从三维几何构造特性精细化、边界的时空变异特性精细化以及仿真分析的时间尺度精细化三方面入手，能够根据桥址地区环境参数特点，考虑构件间阴影遮挡状态，以准确得到复杂桥塔结构的时变温度效应。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，包括以下步骤：
[0007]S1、针对桥塔结构，构建相应的三维模型；
[0008]S2、对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析，得到对应的结构表面时变阴影结果；
[0009]S3、根据结构表面时变阴影结果以及获取的桥址地区真实环境参数，确定出模型边界条件；
[0010]S4、将模型边界条件加载至构建的三维模型，通过数值求解得到结构内部时变温
度场及时变温度效应。
[0011]进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：
[0012]S11、根据工程需求、实际构建所处环境，划分构件温度场求解域，并进行子模型的拆分；
[0013]S12、基于对应的几何特征或功能特征，对拆分后的子模型进行简化；
[0014]S13、将简化后的子模型与无法简化的子模型组装至一起，并定义不同子模型之间的互相传热关系。
[0015]进一步地，所述步骤S2具体是结合结构内部互相遮挡情况、桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向，以对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析。
[0016]进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0017]S21、根据结构内部互相遮挡情况，对桥塔结构的模型外表面进行分类，并获取各表面的法向向量；
[0018]S22、根据桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向，计算出太阳高度角以及太阳方位角；
[0019]S23、基于步骤S22的计算结果，按照设定的判别准则对步骤S21分类后的表面进行阴影状态分析，得到结构表面时变阴影结果。
[0020]进一步地，所述步骤S21中对桥塔结构的模型外表面进行分类后得到无外投影表面和有外投影表面，所述无外投影表面具体是指结构表面是否受到太阳照射，仅仅与结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角有关；
[0021]所述有外投影表面具体是指结构表面的光照状态除了结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角对其有影响外，还可能受到其他外表面投影的影响，即有外投影表面在某一时刻会存在其他构件在此表面产生的光照投影。
[0022]进一步地，所述结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角具体为：
[0023][0024][0025]其中，α为结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角，为太阳入射光线向量，为结构表面的外法向向量，dot()为内积运算。
[0026]进一步地，所述步骤S23中，若分类后的表面为无外投影表面，则依据结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角α进行阴影状态分析：α小于90
°
，此时结构表面处于被照射状态；α大于90
°
，则此时结构表面处于阴影状态。
[0027]进一步地，所述步骤S23中，若分类后的表面为由外投影表面，则对应的阴影状态分析过程具体为：
[0028]若结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角α大于90
°
，则此时结构表面处于阴影状态，即全部被遮挡状态；
[0029]若结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角α小于90
°
，则此时结构表面处于被照射状态时，需进一步继续判断结构表面处于完全被照射状态还是部分被照射状态。
[0030]进一步地，所述判断结构表面处于完全被照射状态还是部分被照射状态的具体过程为：基于有限元网格划分在模型表面形成的点，针对模型表面上的每个点进行遮挡分析，
判断经过此点的光线是否穿过结构外投影面集合内的任一表面。
[0031]进一步地，所述步骤S3中桥址地区真实环境参数包括但不限于环境温度、结构表面风速、太阳辐射和地面反辐射，其中，太阳辐射包括太阳直射辐射和散射辐射。
[0032]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0033]一、本专利技术通过构建桥塔结构相应的三维模型，并对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析，得到对应的结构表面时变阴影结果，再根据结构表面时变阴影结果以及获取的桥址地区真实环境参数，确定出模型边界条件，最后将模型边界条件加载至构建的三维模型，通过数值求解得到结构内部时变温度场及时变温度效应。由此根据桥址地区环境参数特点，并充分考虑构件间阴影遮挡状态，以对桥塔结构进行精细化的温度效应分析，能够准确获知复杂桥塔结构时变阴影状态、温度场分布及温度效应情况。
[0034]二、本专利技术在构建桥塔结构对应的三维模型时，依据工程需求、实际构件所处环境划分构件温度场求解域，进行子模型的拆分、简化与组装，并通过定义不同子模型之间的互相传热关系，能够确保三维几何构造特性精细化。
[0035]三、本专利技术在进行结构表面时变阴影状态分析时，基于结构内部互遮挡情况、桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向，通过对构件模型外表面进行有无外投影的分类、计算结构表面的法线方向与入射光线之间夹角、结合判别准则进行有无遮挡的判断，由此能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、针对桥塔结构，构建相应的三维模型；S2、对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析，得到对应的结构表面时变阴影结果；S3、根据结构表面时变阴影结果以及获取的桥址地区真实环境参数，确定出模型边界条件；S4、将模型边界条件加载至构建的三维模型，通过数值求解得到结构内部时变温度场及时变温度效应。2.根据权利要求1所述的一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11、根据工程需求、实际构建所处环境，划分构件温度场求解域，并进行子模型的拆分；S12、基于对应的几何特征或功能特征，对拆分后的子模型进行简化；S13、将简化后的子模型与无法简化的子模型组装至一起，并定义不同子模型之间的互相传热关系。3.根据权利要求1所述的一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，其特征在于，所述步骤S2具体是结合结构内部互相遮挡情况、桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向，以对桥塔结构进行结构表面时变阴影状态分析。4.根据权利要求3所述的一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：S21、根据结构内部互相遮挡情况，对桥塔结构的模型外表面进行分类，并获取各表面的法向向量；S22、根据桥址地区太阳辐射强度以及结构朝向，计算出太阳高度角以及太阳方位角；S23、基于步骤S22的计算结果，按照设定的判别准则对步骤S21分类后的表面进行阴影状态分析，得到结构表面时变阴影结果。5.根据权利要求4所述的一种考虑背日葵现象的复杂桥塔结构时变温度效应分析方法，其特征在于，所述步骤S21中对桥塔结构的模型外表面进行分类后得到无外投影表面和有外投影表面，所述无外投影表面具体是指结构表面是否受到太阳照射，仅仅与结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角有关；所述有外投影表面具体是指结构表面的光照状态除了结构表面的法线方向与太阳入射光线之间夹角对其有影响外，还可能受到其他外表面投影的影响...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮欣，杨健，何元涛，杨鸿波，霍宁宁，杜镔，朱凌峰，徐向东，
申请(专利权)人：贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：