桥面铺装层温度场的ANSYS模拟

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第3 5卷第 2期 20 07年 2月

J u n lo u h Ch n n v r i f Te h ol y o r a fSo t i a U i e st o c n og y

华南理工大学学报 (自然科学版 ) ( trl c neE io ) Na a S i c dt n u e i

V 1 5 o2 o 3 N . .Fe u r 2 7 br a y 00

文章编号：10 -6 X(0 7 0 .09 0 0 055 20 )20 5 .5

桥面铺装层温度场的 A S S N Y模拟术逯彦秋张肖宁唐伟霞 (. 1哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 109; . 5 0 0 2华南理工大学交通学院，广东广州 5 04; 16 0 3辽宁省城乡建设规划设计院广东分院， .广东广州 50 0 ) 157

摘

要：为了较准确地掌握桥面铺装层温度场的分布规律，温度应力计算及铺装材料为

设计提供理论依据，气象学和传热学基本原理出发，从分析了影响桥面铺装层温度场的环境因素，据傅立叶传热定律导出了桥面铺装层瞬态温度场的二维计算模型，用 A—根采 N S S有限元软件对该模型进行了模拟分析， Y并将计算结果与实测结果进行比较.结果表

明：正确掌握边界条件及材料热物性参数的条件下，用文中的计算模型可得到较为精在采确的数值解 .

关键词：面铺装层；桥辐射；温度场；模拟中图分类号： 46 2; U 6 U 3 .6 T 63文献标识码： A

目前，国内外学者对道路的温度场研究颇多， 但对桥面铺装层温度场的研究尚未见文献报道 .面路温度场理论并不适用于桥面铺装层，温度又是影而大气逆辐射’. .

//

响桥面铺装材料使用寿命的重要因素，因此有必要对桥面铺装层的温度场进行研究 . 确定桥面铺装层结构的温度场，直接的手段最是在各地广泛地进行温度实地观测，种实测工作这需要耗费大量的人力、物力，而且即使全年进行这种实测，到极端温度的可能性也很小 .遇因此，据桥根梁结构所处的地区，助已有的标准气象资料来掌借握确定桥面铺装层温度场，具有重要的理论和实就用意义.一 .

’毫笔笔笔芝笔笔杰毛 i 毫笔毫笔乏奄 i笔套杰

毫笔冬 毫芝毫

I换 f//热 ff交 l,

桥苹阳 / 舯瓜且 . J/

图 1环境对桥面铺装层温度场的影响

1环境因素对桥梁结构的影响 桥梁结构持续经受着周期性变化的各种环境因素的综合作用… .种环境因素对桥面铺装层温度各场的影响过程如图 1所示 .

F g 1 Ef c f t e e v r n n 1 tmp r tr il f t e i. f t o h n i me t O1 e e au e f d o h e o ebi g e k p v me t r ed c a e n d

太阳直接辐射和天空散射辐射的总和称为太阳总辐射，是一种短波热辐射 .阳总辐射到达桥面这大铺装层表面时，部分被桥面铺装层吸收并转变为大

热量，其余部分则被反射回到大气中.收稿日期： 0 60 .0 20 .43基金项目：交通部西部课题科研基金资助项目( 0 13 8 2 0—1—2 34 ) 2 -1

在桥梁结构与大气接触上、表面，下桥梁和大气

之间的温度差异会导致由于传导和对流引起的热量交换.桥面铺装层辐射与大气逆辐射之差称为桥面铺装层有效辐射，这是一种长波热辐射 .

作者简介：逯彦秋 ( 9 5)男， 17,博士生，主要从事桥面铺装研究 .— a: uaqu0 8 16 cm E m i lyn i 0@ 2 .o l 2

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第3 5卷

桥梁是悬浮于地表之上的结构，箱梁底部向外界环境辐射的同时也会受到另外两种辐射影响： ( )表环境辐射 1地地球表面，论是固体状无态或者是液体状态，都会发出与它们表面温度相适应的长波辐射.直接会影响到箱梁温度 .它

1 2…,3为时刻 0: 0 1 0,:0,,3 O,, 2 ) 0 0,: 0 2 O… 2: 0时

的气温实测数据.经实测验证，用式 ( )够准确模拟任意天采 2能气气温的变化过程.

2 2太阳辐射 .太阳辐射是使桥面铺装层升温的重要因素.完全晴天时太阳辐射热流密度的日变化曲线与正弦半波相似]我国同济大学的严作人等在已知太阳辐，

( )面反射 2地

地面反射是由大气逆辐射引起

的.面反

射波直接作用于箱梁底部 .地 分析表明，众多环境因素中，温对桥面铺装在气层温度场的影响最为显著 .阳辐射仅出现在白天，太 是促使桥面铺装层温度在白天升高的重要因素，也是除气温之外最主要的影响因素 .桥面铺装层结构与大气之间的热交换和桥面铺

射热流密度的情况下采用余弦函数的傅立叶级数对太阳辐射热流密度的日分布进行了模拟H .上述 但工作远不能满足桥面铺装层温度日变化过程分析的

需要，为此，建立了太阳辐射热流密度 q()日分布。t过程的模拟函数，下式所示：如

装层有效辐射对桥面铺装层温度分布有重要影响，可以通过气温反映这两者的影响.

相对于气温和太阳辐射而言，云层状况、大气的相对湿度、降水等环境因素仅对特定天气状况下的桥面铺装层温度场有一定影响，些影响可以通过这气温和太阳辐射部分体现出来 . 综上所述，温和太阳辐射是影响桥面铺装层气温度场的主要环境因素.建立预估模型时，考虑在仅气温和太阳辐射，而忽略其他因素的影响.

l』

(A薹 t ( )￡ (。5+s )o Ask日n=+ c7 i/ 2) 2 r ' T13 2() 3

a=∑ o

l砉 cs 薹 【丢 (n 薹q ),_『 s i式中：.t为关于时间 t q()的太阳辐射热流密度函数；q(=0 1 2,,3为时刻 0:0,: 0 2 O,, j J,,… 2 ) 0 O 1 O,:0…

2桥面铺装层表面复合传热机理分析众所周知，能传递有 3种形式：导、流和热传对辐射 .面主要从这 3个方面加以研究 .下

2:0时的太阳辐射热流密度实测数据. 3O

2 1对流换热 .当大气气流掠过桥面铺装层时，由于桥面铺装

2 3桥面铺装层的有效辐射 .桥面铺装层有效辐射的大小主要决定于桥面铺装层表面温度、气温度、度以及天空状况等.大湿根据 See—oz n热辐射规律知：不同温度时， tf B hmam n在 桥面铺装层和大气都各自向外辐射热能，同时也吸收来自对方的辐射热能，由于桥面铺装层和大气之间的相互辐射和吸收形成桥面铺装层辐射换热，

因而辐射换热取决于大气和桥面铺装层吸收率.实事上，一段时间内，面铺装层和周围大气之间不断反桥

层与气流之间的温差对流换热，由牛顿冷却定律可知由此形成的对流换热热流密度 q为q= ( a—T ) T s () 1

式中：为对流换热系数；和分别为大气温度 和桥面铺装层温度. 为了拟合气温变化规律，安大学宋存牛教授长采用式 ( )模拟任意天气气温的变化过程： 2 =

薏AskBn (o tk￣ k() ￣+s c i (

复进行着能量吸收和反射.面铺装层材料和大气桥不同于黑体，应视为灰体处理 .通过分析，终得到最桥面铺装层的有效辐射热流密度 q:

季 l丢

q=[一]= f :

A丢 c、 k薹 2= s" 5

一

D T+T )+T ) T—T) ( ( s( a s

() 4

式中：r S fnB lm n常数，o=5 6 o为 te—oz am e t r . 7x1 0( m ) .绷 0

【= ( 2 . 2 B2 5 k 3"、

为大气对桥面铺装层吸收率和桥面铺装层对大气的

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逯彦秋等：桥面铺装层温度场的 A S S模拟 NY

6 l

吸收率.了方便， h: (+ )+ )则为令 ( ,大气和桥面铺装层的有效辐射热流密度 q为 q=h(一 ) () 5

f (+ ) 0 y ,≤ 0 T l

2 4进入桥面铺装层总的热流量密度 .经过以上分析可知，入桥面铺装层热流密度应进

j c 。㈩ l +≤ yi

等于对流换热热流密度 q、阳辐射热流密度 q()太 t及桥面铺装层有效辐射热流密度 q之和，虑到桥 考面铺装层对太阳辐射的吸收率 s,进入桥面铺装 .则层总的热流量密度 q为

l c+鲁 3 2边界条件 .下边界条件及层间接触条件.

≤ y

桥面铺装层的边界条件 _分为：边界条件、 6 上

q: sq()+( t B+h)一]=[ sq t ( )+B[一] () 6

桥面铺装层上边界条件满足第二类和第三类边界条件的线性组合，:即+ )( ) 8

式中： B=2 6 4 T

+1 5 v . (A . 4 )+D + )+: ( (

)△;为桥面铺装层材料与周围环境温度之差；为风速.

根据上文分析，面铺装层下边界条件仅考虑桥气温的影响，足第二类边界条件：满0 T1一

B值综合反映了当大气和桥面铺装层之间温差为 1 K时，单位时间内，过单位面积时二者间进在通行对流换热热流密度和有效辐射热流密度之和， B

=B(一

() 9

33初始条件 .初始条件即起始时刻桥面铺装层温度场，实可测取得或根据一定的气候条件赋初值.量研究资大

值大小与风速、温、气桥面铺装层材料热物参数及桥面铺装层光滑程度等因素有关.

3基本方程 根据沥青混凝土桥面铺装层的实际情况，研究由 n层不同材料组成的层状桥面铺装层结构的温度

料表明，道路结构温度场在凌晨 6点较稳定.道路温度场计算中取此时刻的实测温度作初始条件.本文借鉴了道路温度场的计算经验，取用凌晨 6点时的桥面铺装的温度场作为初始条件.

场问题 .如下基本假设 J做： ( )桥面铺装层各层均为完全均匀和各向同性 1的连接体； ( )桥面铺装层结构为带状物， 2不考虑温度沿桥面铺装层轴方向变化，面铺装层的温度场按二桥

34方程求解 .经过以上分析，求解桥面铺装结构的温度场在时，既可以对边界条件式 ( ) ( ) 8、9进行求解 (计算方法见参考文献[],到桥面铺装上下边界温度， 7 )得 从而可采用传热学中的第一类边界条件，可由式也 ( ) ( ) ( ) ( )立，得一级数和 (般取 1 2、3、8、9联求一 2项即可满足土木精度上的要求 )按混合边界条件求，解.至此，桥面铺装层的温度场可以采用有限元法进行求解.

维热传导问题求解； ( )桥面铺装层各层间接触良好，间温度和 3层热流连续.

( )箱梁内空气，为优良的隔热层. 4视 桥面铺装层温度场可按平面热传导问题进行研究.取截面的水平方向为 x轴，垂直向下方向为 Y轴

4桥面铺装层温度场有限元分析为了验证上述理论，文中运用 A S S软件对本 NY

正向，成平面直

角坐标系.做假设桥面铺装层结构第 i的导热系数为，层导温系数为，度为 6,度厚。温函数为= (,,)i,,,. XY t,=12… n

位于重庆市区的鹅公岩大桥的钢桥面沥青混凝土铺装层温度场进行了计算，并将计算结果与实测结果进行了比较 .

3 1热传导方程 .基于以上假定，根据传热学的知识可以得到桥面铺装层温度场的微分方程为

4 1计算参数的选取 .A S S计算所需的材料物热性参数， NY包括各层铺装材料密度 P,压比热容 c,热系 定导，由现

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第3 5卷

场实验得到，大气环境温度以考察地点所在地气象

件进行计算 . 3 a、 b分别为 8月 1日 9 1、图 ()() 1:6 1:6时刻钢箱梁温度场分布云图 . 41温度/ l (一 30O O 1 3

站的测量数据为准，阳辐射能按参考文献[]太 8的方法，根据不同地区的纬度、气透明度、气质量大大

分别进行计算.各计算参数的取值见表 1 .表 1计算参数Ta l Ca c ltn a a tr be 1 l ua ig p r mee s

● 3 26 7 1 6 ● 3 30 1. 0 0

参数

( ) 0 40 - 9 1 a 2 0 - 8 1,:6 t

温度， I (

S MAI 3导热系搠 l( m )/ W ( K) S 1 MA 0导热系搠 2 ( m K )/W ( ) 钢板导热系獭 ( ( I )/W m K) 1空气导热系搠 ( ( )/W m K)S MAI度 p/ k 3密 l ( g m ) S MA1 0密度 p/ k m ) 2 ( g 钢板密度 p/ k m。 ), ( g

垦_ 3 7o 0 3 o

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枷渤 咖 图m温度云㈣枷础一枷 3一 图 Fi 3 Te g. mpea u e c n o r r t r o tu s

( ) 0 40 - 1:6 b 2 0 - 8 1,4 1 l

空气密度p/ k m。) 4 ( g S I MA 3比热容 cl( ( g I / J k K) 1) S MA1 0比热容 c/ J. k K) ) D ( ( g 2

4 3桥面铺装层温度场的实测值 .本课题组于 2 0 0 4年 7月 2 9日至 8月 3

日，对

位于重庆市区的鹅公岩大桥上安装了一套温度监测系统，监测桥面铺装层温度在不同气候条件下的变化情况 .鹅公岩大桥为大型悬索钢结构桥梁，钢桥面铺装层结构为 7 5c双层 S . m MA,层 4c厚面 m S 1,层 3 5c厚 S MA 3底 . m MA1 .桥面铺装层的温 0钢

钢板比热容 c, (/ J.( g ) k K) 空气比热容 c (/ J ( g K 1 k )I )桥面铺装层吸收系数 a 日间对流换热系数 a。( (/W m ) K) 夜间对流换热系数 a/ W m ) ( ( K) 箱内对流换热系数 a/( m K) ) W (

度检测共设置了 3个点：①号点布置于铺装层底部， 检测钢板温度；号点布置于铺装层上表面 4c ② m处，检测铺装层内部温度；③号点布置于铺装层上表面 1m处， c检测铺装层表面温度.检测点的布置情况如图 4所示 .

太阳常数 IG ( ) S/ W m 大气透明度重庆地区纬度/。 ()

4 2 A S S计算软件对桥面铺装层温度场 . N Y的分析单元划分的具体情况见图 2(桥面铺装层是钢对称结构，为计算上的方便，取截面的一部分 )仅 .面层， m厚的s 4c MAl 3

\ 底，厚 sA层 .m的Ml 3c 5 o\钢板、

/ ///

③号点/// ////,

②号点觑，

图 4鹅公岩大桥桥面铺装层温度检测点位置

图 2箱梁单元划分F g 2 Me h n fb x b a u i i. s ig o o e m n t s

F g 4 L c t n ftmp r tr n p ci n d t a r g e k i. o ai s o o e e au e i s e t os tb d e d c o i p v me to - o g y n lr e b d e a e n fe g n - a a g r g i

初始条件取用凌晨 6点时的桥面铺装层温度；

4 4计算结果及实测结果比较 .将 20年 8 1 04月 1日铺装层上①号点、号点②及③号点实测温度及用 A S S软件计算温度， NY用O in .用软件绘制成曲线，行对比分析. r i70通 g进如图 5所示.

计算所需相关气象资料，由当地气象站提供 .算温

计度场是瞬态的，间步长采用 0 2,算时间2 h时 .5计 h 4.由于边界条件是关于时间的非线性函数，以施加所

温度荷载时， A S S内部函数编辑器编辑边界条用 NY件函数 .

从图 5可以看出，采用本方法进行计算，面铺桥

根据表 1所提供的计算参数， A S S计算软用 NY

装温度场数值的计算结果与实测结果吻合较好.

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逯彦秋等：面铺装层温度场的 A S S桥 N Y模拟

[]宋存牛. 2层状路面结构体非线性温度场研究概况[] J.公路，0 5 1 1: - . 2 0,( )5 5 0 3S n n nu Ge e a i a in o t d e n n n l e r o g Cu - i . n r s u t f su i s o o - n a l t o i tmp rt r ed i a e e a e n s u t r l s s m e e a u e f l n ly r d p v me t t cu a y t i r e

[] Hgw y 20,( )5 -3 J . i a,0 5 1 1:05 . h

[] B brF C c a o fm xm m pvm n tm rt e 3 a e . a u t no siu ae et e p a r r ll i e uf m w a e pr J . u,9 7 3 ( )27 r et r eot] H R BB l 15,1 7:5 - o h r s[ l27 5.

[]严作人. 4层状路面温度场分析[ . D]上海：同济大学道路与交通工程系，9 2 18 .

图 5钢桥面铺装层温度场的计算结果与实测结果F g 5 C l u ai g r s l n e t g rs l ft e t mp r t r i . a c lt e ut a d t si e ut o h e e au e n s n s i d o t lb d e d c a e n f l fs e r g e k p v me t e e i

[]陈华鑫， 5张争奇，胡长顺.纤维沥青混合料的低温抗裂性能[]华南理工大学学报： J.自然科学版，04 3 2 0,2( ) 8 6 4:28Ch n H ax n Z a g Z e g q, a g s u . o t m- e u i, h n h n - i Hu Ch n -h n L w- e

5结论 ( )面铺装层结构温度场 i根 1桥 I『变化规律，按二维热传导问题求解； ^f

射的牟{ l

e a e a t a k n f ma c f f—en oc d a, p rt r n i r c i g p r r n e o i rr if re s u - c e o e b - -

pa iue[] Jun fSuh C ia U i ri f h tmx r J . ora o t h n e t o l t l o n v syTcnlg:a r cec dt n2O,2 4:28 . ehooy N t a Si eE io,O4 3 ( )8-6 ul n i

[]孔祥谦.限单元法在传热学中的应用[ .京： 6有 M]北科学出版社，9 8 19 .

( )温、面铺装层温度在尤降温过 I, 2气桥帅J 1交变规律可用一个常数和简谐波的最 J米拟合； 3 J I I () 3在正确地掌握边界条件、 I{装材料桥 n; I l i特性参数及气候条件的情况下，以较准确地 _‘可}算 t钢桥面铺装层的温度场.

[]方荣生. 7太阳能应用技术[ .京：国农业机械出 M]北中版社，9 5 18 .

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[]张朝晖. N Y 8 0热分析教程与实例解析[ . 9 A S S. M]北京：国铁道出版社，0 5中 20 .

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[O王松， 1]董春敏.有限元分析[ . M]北京：电子工业出版社，0 5 20.

S m u a i n o m p r t r ed o i g c i l to f Te e a u e Fi l fBr d e De k

Pa e e twih ANS o t r v m n t YS S fwa e

L a qu u Y n i

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( .Sho o o m n ai i c dE g er g abnIstt o eh, abn109 H i nj g hn; 1 c ol f m u i t nS e ea ni e n,H i ntue f c . H i 5 00。 el gi,C a C c oc n n n i r i T r o a n i2 c h lo r f c a d C mmu ia in,S u h C ia Un v fT c .,Gu g h u 5 0 4 .S o

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Ab t a t h s p p ra mst e e lt e t mp r tr it b t n i h r g e k p v me ta d t r vd o s r c:T i a e i r v a h e e au e d sr u i n t e b d e d c a e n n o p o ie s me o i o it e r tc u d ln s fr t ac l t n o e e au e sr s n h tra e in o e b d e d c a e n . h o ei a g i e i e o hec u a i ftmp rt r te s a d t e ma e i d sg ft r g e k p v me t l l o l h i

I e i v sia in, h t s h r co st a fe t h mp r t r ed o eb d ed c a e n r r t n n t n e t t h g o t e amo p e ef tr tafc et a h t e ea u e f l ft r g e k p v me tae f — i h i i a s l z d b s d o e o r p y a d c r c h o e .A— i n i n c c lt n mo e f e t se t e e au e ay e a e n a r g a h n ao f s t e r s l i i i t d me so a u ai d lo a in mp r t r wo l o h t r n t i d i s l h d a c r i g t o r rh a— a s a h n,t r p s d mo li smu ae s — f l s e t b i e c o d n o t e F u e e tt n f rlw.T e h e p o o e d e i lt d u ig t e f e a s h i r e s n h i nt l me t ot r i ee n f e s wa e ANS . T e o t i e e u t a e f al o a

e i h s ft e o— e s o u v y ti YS h b a n d r s l n y c mp d w t t o e o n t—p ts r e .I s sr i l r h h h c n l e h t i e hec re tb u d r o di o d t emo p y ia a a t r ft epa e n tra,t e o cud d t a,gv n t o r c o n a y c n t nsa h r— h sc p mee o h v me tma e l h i n l r s i p p s d mo e l s t bti r cs ume c o u in. o r o e d lhep o o a n p e ie n i l r a s lt o Ke r s:b d e d c a e n;r dit n;t mp r t r ed;smu a in y wo d i r g e k p v me t a a i o e e au e f l i i lt o

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