[发明专利]一种高效计算超高层结构温度应变的方法和系统

权利要求书

1.一种高效计算超高层结构温度应变的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据太阳相对位置建立虚拟太阳，根据超高层结构建筑的几何形状建立有限元模型；

(2)对有限元模型进行网格划分得到多个结构单元，将虚拟太阳设定为辐射源，结构单元设定为吸收体，计算辐射源和每个吸收体之间的辐射系数，利用辐射系数判断结构单元为阴面单元或阳面单元；

(3)在阴面单元上施加第三类热边界条件时，太阳辐射强度取0，在阴面单元和阳面单元上施加第三类热边界条件后，对有限元模型进行仿真模拟，得到模拟温度场，基于温度应变与模拟温度场成正比的原则计算温度应变；

所述步骤(3)还包括：

利用模拟温度场和温度应变公式计算温度应变，所述温度应变公式为：

其中，ε为待计算截面的温度应变，A表示待计算截面的截面面积，T(x,y)表示待计算截面上坐标为(x,y)处的模拟温度场，E代表弹性模量，α_T表示热膨胀系数，H为待计算截面所处的高度，k₁为待计算截面因周边构件约束而产生的轴向弹簧刚度。

2.如权利要求1所述的一种高效计算超高层结构温度应变的方法，其特征在于，所述太阳相对位置包括太阳高度角β、太阳方位角α和日地距离d，所述日地距离d为常数，所述太阳高度角β和太阳方位角α为：

其中，表示超高层结构建筑所处的纬度，τ为辐射历计时角，单位为度，τ以年为周期变化，τ每小时增加15度，τ∈[0,131400)；k为整数，k＝0,1,2,…,364。

3.如权利要求2所述的一种高效计算超高层结构温度应变的方法，其特征在于，所述虚拟太阳的具体建立方式为：

根据太阳高度角β和太阳方位角α计算太阳在任意时刻的位置，建立虚拟太阳。

4.如权利要求1-3任一所述的一种高效计算超高层结构温度应变的方法，其特征在于，所述步骤(2)中网格划分时，对超高层结构建筑中的柱、核心筒、梁和板采用不同的网格尺寸进行划分。

5.如权利要求1-3任一所述的一种高效计算超高层结构温度应变的方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用辐射系数判断的具体实现方式为：

若辐射系数为0，则结构单元被判定为阴面单元；若辐射系数不等于0，则结构单元被判定为阳面单元。

6.如权利要求1-3任一所述的一种高效计算超高层结构温度应变的方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括：

将气象参数转化为第三类热边界条件，所述气象参数包括环境温度T_a、风速v和太阳辐射强度I，所述第三类热边界条件包括表面传热系数h_f和周围流体温度T_f，

h_f＝9.8+3.8v

其中，α_s为热辐射吸收系数，0α_s1。

7.如权利要求1-3任一所述的一种高效计算超高层结构温度应变的方法，其特征在于，所述方法计算得到的温度应变应用于评估超高层结构建筑的安全状态，具体地：

从超高层结构建筑的实测应变中剔除温度应变，得到超高层结构建筑的真实应变，利用真实应变评估超高层结构建筑的安全状态。

8.一种高效计算超高层结构温度应变的系统，其特征在于，包括以下模块：

模型建立模块，用于根据太阳相对位置建立虚拟太阳，根据超高层结构建筑的几何形状建立有限元模型；

阴面判断模块，用于对有限元模型进行网格划分得到多个结构单元，将虚拟太阳设定为辐射源，结构单元设定为吸收体，计算辐射源和每个吸收体之间的辐射系数，利用辐射系数判断结构单元为阴面单元或阳面单元；

模拟计算模块，用于在阴面单元上施加第三类热边界条件时，太阳辐射强度取0，在阴面单元和阳面单元上施加第三类热边界条件后，对有限元模型进行仿真模拟，得到模拟温度场，基于温度应变与模拟温度场成正比的原则计算温度应变；

所述模拟计算模块还用于：

利用模拟温度场和温度应变公式计算温度应变，所述温度应变公式为：

其中，ε为待计算截面的温度应变，A表示待计算截面的截面面积，T(x,y)表示待计算截面上坐标为(x,y)处的模拟温度场，E代表弹性模量，α_T表示热膨胀系数，H为待计算截面所处的高度，k₁为待计算截面因周边构件约束而产生的轴向弹簧刚度。