[發明專利]一種高效計算超高層結構溫度應變的方法和系統

有效

• 申請號: 202010168266.2
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111460545B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 高飛;陳潘;翁順;夏勇;朱宏平
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/23;G06F119/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 徐美琳;李智

1.一種高效計算超高層結構溫度應變的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)根據太陽相對位置建立虛擬太陽，根據超高層結構建筑的幾何形狀建立有限元模型；

(2)對有限元模型進行網格劃分得到多個結構單元，將虛擬太陽設定為輻射源，結構單元設定為吸收體，計算輻射源和每個吸收體之間的輻射系數，利用輻射系數判斷結構單元為陰面單元或陽面單元；

(3)在陰面單元上施加第三類熱邊界條件時，太陽輻射強度取0，在陰面單元和陽面單元上施加第三類熱邊界條件后，對有限元模型進行仿真模擬，得到模擬溫度場，基于溫度應變與模擬溫度場成正比的原則計算溫度應變；

所述步驟(3)還包括：

利用模擬溫度場和溫度應變公式計算溫度應變，所述溫度應變公式為：

其中，ε為待計算截面的溫度應變，A表示待計算截面的截面面積，T(x,y)表示待計算截面上坐標為(x,y)處的模擬溫度場，E代表彈性模量，α_T表示熱膨脹系數，H為待計算截面所處的高度，k₁為待計算截面因周邊構件約束而產生的軸向彈簧剛度。

2.如權利要求1所述的一種高效計算超高層結構溫度應變的方法，其特征在于，所述太陽相對位置包括太陽高度角β、太陽方位角α和日地距離d，所述日地距離d為常數，所述太陽高度角β和太陽方位角α為：

其中，表示超高層結構建筑所處的緯度，τ為輻射歷計時角，單位為度，τ以年為周期變化，τ每小時增加15度，τ∈[0,131400)；k為整數，k＝0,1,2,…,364。

3.如權利要求2所述的一種高效計算超高層結構溫度應變的方法，其特征在于，所述虛擬太陽的具體建立方式為：

根據太陽高度角β和太陽方位角α計算太陽在任意時刻的位置，建立虛擬太陽。

4.如權利要求1-3任一所述的一種高效計算超高層結構溫度應變的方法，其特征在于，所述步驟(2)中網格劃分時，對超高層結構建筑中的柱、核心筒、梁和板采用不同的網格尺寸進行劃分。

5.如權利要求1-3任一所述的一種高效計算超高層結構溫度應變的方法，其特征在于，所述步驟(2)中利用輻射系數判斷的具體實現方式為：

若輻射系數為0，則結構單元被判定為陰面單元；若輻射系數不等于0，則結構單元被判定為陽面單元。

6.如權利要求1-3任一所述的一種高效計算超高層結構溫度應變的方法，其特征在于，所述步驟(3)還包括：

將氣象參數轉化為第三類熱邊界條件，所述氣象參數包括環境溫度T_a、風速v和太陽輻射強度I，所述第三類熱邊界條件包括表面傳熱系數h_f和周圍流體溫度T_f，

h_f＝9.8+3.8v

其中，α_s為熱輻射吸收系數，0α_s1。

7.如權利要求1-3任一所述的一種高效計算超高層結構溫度應變的方法，其特征在于，所述方法計算得到的溫度應變應用于評估超高層結構建筑的安全狀態，具體地：

從超高層結構建筑的實測應變中剔除溫度應變，得到超高層結構建筑的真實應變，利用真實應變評估超高層結構建筑的安全狀態。

8.一種高效計算超高層結構溫度應變的系統，其特征在于，包括以下模塊：

模型建立模塊，用于根據太陽相對位置建立虛擬太陽，根據超高層結構建筑的幾何形狀建立有限元模型；

陰面判斷模塊，用于對有限元模型進行網格劃分得到多個結構單元，將虛擬太陽設定為輻射源，結構單元設定為吸收體，計算輻射源和每個吸收體之間的輻射系數，利用輻射系數判斷結構單元為陰面單元或陽面單元；

模擬計算模塊，用于在陰面單元上施加第三類熱邊界條件時，太陽輻射強度取0，在陰面單元和陽面單元上施加第三類熱邊界條件后，對有限元模型進行仿真模擬，得到模擬溫度場，基于溫度應變與模擬溫度場成正比的原則計算溫度應變；

所述模擬計算模塊還用于：

利用模擬溫度場和溫度應變公式計算溫度應變，所述溫度應變公式為：

其中，ε為待計算截面的溫度應變，A表示待計算截面的截面面積，T(x,y)表示待計算截面上坐標為(x,y)處的模擬溫度場，E代表彈性模量，α_T表示熱膨脹系數，H為待計算截面所處的高度，k₁為待計算截面因周邊構件約束而產生的軸向彈簧剛度。