[發(fā)明專利]一種高效計算超高層結(jié)構(gòu)溫度應變的方法和系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111460545B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設計）人: 高飛;陳潘;翁順;夏勇;朱宏平
• 申請（專利權(quán)）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

本發(fā)明公開了一種高效計算超高層結(jié)構(gòu)溫度應變的方法和系統(tǒng)，其中方法包括：根據(jù)太陽相對位置建立虛擬太陽，根據(jù)超高層結(jié)構(gòu)建筑的幾何形狀建立有限元模型；對有限元模型進行網(wǎng)格劃分得到多個結(jié)構(gòu)單元，將虛擬太陽設定為輻射源，結(jié)構(gòu)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(shù)，利用輻射系數(shù)判斷結(jié)構(gòu)單元為陰面單元或陽面單元；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。本發(fā)明可以高效準確地計算溫度應變、進而得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實應變變化、準確評估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于建筑結(jié)構(gòu)分析計算技術(shù)領域，更具體地，涉及一種高效計算超高層結(jié)構(gòu)溫度應變的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)已被廣泛應用于大型土木結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)評估。從結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中收集的數(shù)據(jù)不僅測量了結(jié)構(gòu)的真實響應，更重要的是，還測量了環(huán)境引起的結(jié)構(gòu)響應。溫度應變作為最重要的環(huán)境響應，它的變化可能掩蓋結(jié)構(gòu)損傷引起的變化，從而影響安全評估的準確性。近年來，大量超高層結(jié)構(gòu)安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，但是，關(guān)于如何計算溫度應變的報道還較少。

目前，計算溫度應變的方法主要有熱傳導有限元法和統(tǒng)計分析法。熱傳導有限元法首先通過建立熱傳導分析有限元模型，計算得到結(jié)構(gòu)整體的溫度場，然后建立結(jié)構(gòu)分析有限元模型，將溫度場轉(zhuǎn)化為溫度荷載，利用熱-結(jié)構(gòu)耦合分析來計算結(jié)構(gòu)響應。在建立熱傳導分析有限元模型時，由于混凝土中鋼筋對整體溫度場的貢獻可以忽略不計，因此可以不用考慮鋼筋的影響，直接按照結(jié)構(gòu)幾何形狀建立純混凝土實體模型即可獲得較精確的溫度場。但是在建立結(jié)構(gòu)分析有限元模型時，混凝土中的鋼筋對結(jié)構(gòu)整體剛度貢獻較大，在建立有限元模型時必須考慮鋼筋的影響，這對于體型巨大的超高層結(jié)構(gòu)來說是非常困難的，不僅建模過程耗時耗力，最終的有限元模型也會因為單元數(shù)量巨大而無法完成計算。統(tǒng)計分析通常采用回歸分析方法建立測點溫度與結(jié)構(gòu)響應之間的映射關(guān)系。統(tǒng)計分析的缺點是計算精度依賴于測點數(shù)據(jù)量，并且無法解釋模型系數(shù)的物理意義。此外，統(tǒng)計分析是通過以往的響應數(shù)據(jù)來預測結(jié)構(gòu)的響應，這依賴于過往響應數(shù)據(jù)的真實性。這種響應-響應映射容易出現(xiàn)系統(tǒng)偏差。例如，在構(gòu)建溫度到應變的映射關(guān)系時，如果先前的應變數(shù)據(jù)包含結(jié)構(gòu)損傷，那么所建立的溫度應變定量關(guān)系也包含結(jié)構(gòu)損傷，這不能反映溫度應變之間原有的力學關(guān)系。目前亟需提出一種從溫度場到溫度應變的映射方法。

由此可見，現(xiàn)有技術(shù)存在不能準確計算溫度應變、無法得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實應變變化、無法準確評估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種高效計算超高層結(jié)構(gòu)溫度應變的方法和系統(tǒng)，由此解決現(xiàn)有技術(shù)存在不能準確計算溫度應變、無法得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實應變變化、無法準確評估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種高效計算超高層結(jié)構(gòu)溫度應變的方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)太陽相對位置建立虛擬太陽，根據(jù)超高層結(jié)構(gòu)建筑的幾何形狀建立有限元模型；

(2)對有限元模型進行網(wǎng)格劃分得到多個結(jié)構(gòu)單元，將虛擬太陽設定為輻射源，結(jié)構(gòu)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(shù)，利用輻射系數(shù)判斷結(jié)構(gòu)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。

進一步地，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(shù)，所述太陽高度角β和太陽方位角α為：