钢管混凝土结构温度场分析及基于边界元法的脱空识别

作     者：杨林青 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭建宇

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：钢管混凝土 边界元法 太阳辐射 脱空识别 温度场 

摘      要：钢管混凝土作为一种新兴的组合材料，由于自身突出的性能和特点，最近30年来在我国建筑方面，尤其是拱桥建设方面取得了飞速发展。但是，据统计，钢管混凝土结构在实际应用过程中普遍存在脱空问题，对结构的安全运行是一种潜在威胁，制约着钢管混凝土结构的发展，因此对脱空问题进行研究和分析具有十分重要的意义。本文从脱空对钢管混凝土结构热学性能的影响出发，主要研究脱空问题的两个方面：(1)脱空对结构温度场的影响;(2)基于边界元法进行脱空识别的方法研究。 本文以处于自然环境的钢管混凝土结构为研究对象。首先运用CFD软件中的太阳加载模型对钢管混凝土结构在主要受到太阳辐射作用时进行截面非稳态温度场的模拟计算，通过对比不同时刻、天气条件和季节情况下结构正常截面和脱空截面的温度分布以及壁面温度，研究了脱空对结构温度场的影响。结果表明，在太阳辐射作用下脱空使得结构温度场非线性分布增强，而且脱空区域的壁面温度升高，脱空截面的壁面温度区间增大，二者随着脱空区域的增大而升高;两类截面的壁面最大温差在夏季晴朗天气情况下13时和14时左右达到最大。 钢管混凝土结构的壁面温度在自然条件下是不稳定的，而且脱空对壁面温度的影响容易受到测温误差的干扰，由此推翻了原来基于自然条件下结构的壁面温度进行脱空识别的想法，本文选择夜晚情况下在钢管混凝土结构表面布置加热板使结构达到相对稳定的状态，根据这种条件下结构的壁面温度，基于边界元法进行了脱空的识别反演。脱空识别的平均相对误差只有0.88%，说明了该条件下进行脱空识别的可行性。 最后，本文分析了不同的参数对钢管混凝土脱空识别的影响，包括：加热板位置、大小以及加热板热流密度，测温误差和测温点数。结果表明，加热板布置于脱空区上部时，脱空识别精度较高;加热板面积增大、热流密度增大以及增加壁面测温点数都会提高脱空识别的精度;而测温误差对脱空识别的影响较大，考虑实际的测温误差为1K时，在本文情况下脱空识别平均相对误差达到了6%;在一定外部条件下，随着钢管混凝土界面脱空尺寸减小，相应的脱空识别精度降低。为了取得良好的脱空识别精度，需要合理选择上述参数。