《网架模型日照非均匀温度场试验》由会员分享，可在线阅读，更多相关《网架模型日照非均匀温度场试验（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、网架模型日照非均匀温度场试验 王化杰 陈友 钱宏亮 金晓飞 来佳琪 哈尔滨工业大学(威海)土木工程系 哈尔滨工业大学土木工程学院 中国联合工程公司 中建一局集团公司总承包公司 摘 要： 为得到日照下空间钢结构非均匀温度场分布规律, 给现有非均匀温度场模拟方法提供标准、可靠的试验验证依据, 设计并制作了标准的三角形平板网架模型, 对其均匀温度场试验进行了详细设计, 完成了不同环境下三角形平板网架非均匀温度场的连续测量, 得到了较为全面的网架结构非均匀温度场试验数据, 并对其进行了详细分析, 结果表明, 网架结构杆件水平放置时, 摆放角度对杆件温度变化影响不大, 非水平放置时, 摆放角度影响较大,
2、 不同杆件间温差最大可达 13, 网架模型非均匀温度场效应明显;最后建立了三角形平板网架非均匀温度场有限元分析模型, 采用考虑阴影的数值模拟方法对试验进行模拟分析, 并将模拟结果与实测结果进行对比, 试验结果与数值模拟结果基本相同, 全天平均误差率不超过 6%.考虑阴影遮挡的非均匀温度场模拟方法可用于结构非均匀温度场分析, 模型试验可为同类非均匀温度场模拟方法提供验证依据.关键词： 钢结构; 网架模型; 试验研究; 非均匀温度场; 摆放角度; 作者简介：王化杰 (1982) , 男, 副教授, 硕士生导师;作者简介：钱宏亮 (1977) , 男, 教授, 博士生导师, 收稿日期：2016-05
3、-21基金：中国建筑股份有限公司科技研发课题 (CSCEC-2012-Z-07) Experimental study on non-uniform temperature field of grid structure model under solar radiationWANG Huajie CHEN You QIAN Hongliang JIN Xiaofei LAI Jiaqi Department of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai; School of Civil Engineering,
4、Harbin Institute of Technology; China Construction First Engineering Division Co., Ltd.; China United Engineering Company; Abstract： To obtain the temperature distribution rules of steel structures under solar radiation and offer standard reference and reliable basis for related numerical research,
5、temperature field test of a specially designed triangle space truss model was carried out under various conditions. Through the continuous measurements, abundance experimental data and distribution rules were obtained and analyzed in detail. According to the comprehensive test results, solar tempera
6、ture distribution rules under different conditions were summarized initially. Laying angle has a great influence on temperature field of members in non-horizontal location, while it has little influence on horizontal ones, and the maximum temperature difference between different members can reach 13
7、 centigrade. Then numerical simulation for solar temperature field of the test model was conducted contrastively considering the shadow effect.The results show that test results and simulation results are almost the same, in which the average error rate is not more than 6%. The proposed simulation m
8、ethods are effective for structural non-uniform temperature field analysis, and the experimental study and conclusions can provide valuable references for other similar analysis methods of temperature field.Keyword： steel structure; truss model; experimental study; non-uniform temperature field; dis
9、play angle; Received： 2016-05-21大跨空间钢结构具有跨度大、杆件多、结构形式复杂、高次超静定等特点, 对温度荷载较为敏感, 而现阶段规范1对温度作用考虑主要是以 50 a 重现期的月平均最高气温与月平均最低气温, 按热工学原理确定结构的最高、最低以及初始平均温度为依据, 按均匀温度作用进行计算, 没有考虑非均匀温度作用影响.而实际上, 随着结构跨度的增加, 非均匀温度场效应将越来越明显, 结构设计及施工过程中有必要考虑非均匀温度场的影响, 尤其是在露天施工过程中, 日照下不均匀温度荷载将成为施工合拢的主要控制因素2.目前, 国内外学者对于非均匀温度场的研究主要集中
10、在桥梁3、大坝4, 射电望远镜5等结构, 对于体育场馆、会展中心以及航站楼等空间结构温度场研究则涉及较少, 只有少数学者对空间钢结构日照非均匀温度场做了数值模拟和实测研究, 如罗尧治等6利用无线温度传感网络系统对国家体育场钢结构屋盖温度场进行持续测量, 得到了结构温度变化规律并将温度作用分为均匀温度场作用与非均匀温度场作用.王元清等7对箱形、工字形两种截面钢构件进行了温度试验, 得到了两种构件日间温度-时间变化规律.金晓飞等8对山西三馆钢结构屋盖进行数值模拟, 获得了一天各时刻结构的日照非均匀温度作用大小及分布.但是实际工程实测研究只能在局部进行温度场试验且测量精度难以保证, 无法得到结构整体
11、温度分布规律, 而构件温度场试验则无法测量温度场边界条件, 且不能体现整体结构的温度场效应规律, 均无法对已有数值模拟方法进行良好的验证.因此有必要建立整体空间结构模型, 对其非均匀温度场进行全面精细化测量, 得到整体结构模型的非均匀温度场规律, 为验证非均匀温度场模拟方法提供标准、可靠的试验依据.本文建立了网架结构模型, 并对其进行连续温度测量, 得到了网架结构模型日照非均匀温度场分布规律, 并采用所建立的 ANSYS 非均匀温度场数值模拟方法对试验进行数值模拟, 以试验为依据对数值模拟方法的准确性进行了验证.1 网架模型温度场试验1.1 模型简介网架模型为等边三角形平板网架, 边长 4.5
12、 m, 厚度 0.7 m, 网格尺寸 1.5 m, 杆件选用圆钢管453, 节点采用焊接球连接, 焊接球大小为 WS1606, 网架结构尺寸见图 1.图 1 网架结构尺寸 (mm) Fig.1 Size of grid structure (mm) 下载原图1.2 设备选型试验测量内容包括网架结构各测点温度以及影响结构温度的大气温度、风速、太阳辐射强度等外界因素.温度测量采用 PT100A 级温度传感器, 量程为-50450, 测量精度为 0.15.风速风向测量采用三杯式风速风向仪, 量程为030 m/s, 精度为 0.5 m/s.太阳辐射强度采用手持式 SM206 太阳能功率计测量, 最大量
13、程 3 999 W/m, 精度10 W/m.温度数据采集采用 TST3826 静态采集仪, 可同时满足 60 通道温度数据的定时自动采集.1.3 测点布设及场地选取网架结构温度场主要考虑以下因素进行测点布设:1) 由于杆件众多且杆件沿长度方向温度不变, 故相同方位角杆件选择其中一根杆件进行测量, 测点布置位于杆件跨中截面.2) 考虑到下弦与腹杆会受到阴影遮挡影响, 因此选择受到阴影遮挡的杆件布置测点.根据上述原则共选取 18 根杆件、36 个温度测点进行测量, 其中上弦 3 根, 腹杆 9 根, 下弦 6 根, 每个杆件又在顶面和底面布置温度测点, 具体位置见图 2, 图中 X1_1 表示下弦
14、 1 号杆顶面测点.试验场地选择日照不受遮挡, 通风顺畅的空旷草坪进行.网架模型放置于自平衡反力架上, 反力架上固定放置遮光板以防止反力架自身受热对试验构件产生温度影响, 具体见图 3.图 2 温度测点布设 Fig.2 Layout of temperature measuring points 下载原图图 3 试验布置 Fig.3 Experimental layout 下载原图2 试验结果分析2.1 典型日网架温度场分布当天气晴朗无云、太阳辐射强烈、风速小、气温高时, 网架结构杆件温度较高.故以 20 d 为一个时间段, 将试验中杆件温度最高的一天称为典型日.以下以夏季较热的 8 月份典型
15、日为例对网架非均匀温度场进行实验研究.图 4 为典型日实测风速、太阳辐射强度时程曲线.由图可知:典型日全天实测风速很小, 不超过 1 m/s, 后续数值模拟时取典型日日间平均风速 0.8 m/s;典型日太阳辐射强度日间基本不变, 约为 1 200 W/m.图 4 风速与太阳辐射强度时程曲线 Fig.4Time history curve of wind speed and solar radiation intensity 下载原图图 5 为典型日网架杆件整体温度变化曲线, 由图 5 (a) 、 (b) 可以看出:上弦和下弦杆件温度变化规律相同, 温度最大值均出现在下午 13:00 点左右,
16、下弦外圈杆件整体温度最大, 温度最大可达到 47, 最大温升达到 17, 上弦与下弦内圈整体温度变化基本相同, 无不均匀温度场分布, 温度最大均为 43, 最大温升 13.下弦外圈杆件温度大于上弦与下弦内圈杆件温度, 这是由于下弦外圈杆件下方放有遮光板, 受到遮光板反射太阳辐射使杆件升温.图中 11:00 点时刻出现杆件温度波动, 是由于云层遮挡了太阳, 太阳辐射强度骤降引起.由图 5 (c) 可以看出:腹杆各杆件整体温度变化规律不同, 不同空间摆放角度的腹杆温度最大值出现时刻不同.其中 F1 杆件温度在下午 15 点达到最大, 最大值为 41, 最大温升 11, F2 杆件温度最大值出现 12 点左右, 最大值为 37, 最大温升 7, F7 杆件温度在温度 13 点达到最大, 最大值为 42, 最大温升12.腹杆温度到达温度最大值时间与太阳光线直射腹杆面积有关, 太阳光线直射腹杆面积越大时刻即为腹杆温度达到最大值
