[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

说明书

本发明公开了一种高效计算超高层结构温度应变的方法和系统，其中方法包括：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；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；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。本发明可以高效准确地计算温度应变、进而得到结构构件的真实应变变化、准确评估结构的安全状态。

技术领域

本发明属于建筑结构分析计算技术领域，更具体地，涉及一种高效计算超高层结构温度应变的方法和系统。

背景技术

结构健康监测技术已被广泛应用于大型土木结构的安全状态评估。从结构健康监测系统中收集的数据不仅测量了结构的真实响应，更重要的是，还测量了环境引起的结构响应。温度应变作为最重要的环境响应，它的变化可能掩盖结构损伤引起的变化，从而影响安全评估的准确性。近年来，大量超高层结构安装了健康监测系统，但是，关于如何计算温度应变的报道还较少。

目前，计算温度应变的方法主要有热传导有限元法和统计分析法。热传导有限元法首先通过建立热传导分析有限元模型，计算得到结构整体的温度场，然后建立结构分析有限元模型，将温度场转化为温度荷载，利用热-结构耦合分析来计算结构响应。在建立热传导分析有限元模型时，由于混凝土中钢筋对整体温度场的贡献可以忽略不计，因此可以不用考虑钢筋的影响，直接按照结构几何形状建立纯混凝土实体模型即可获得较精确的温度场。但是在建立结构分析有限元模型时，混凝土中的钢筋对结构整体刚度贡献较大，在建立有限元模型时必须考虑钢筋的影响，这对于体型巨大的超高层结构来说是非常困难的，不仅建模过程耗时耗力，最终的有限元模型也会因为单元数量巨大而无法完成计算。统计分析通常采用回归分析方法建立测点温度与结构响应之间的映射关系。统计分析的缺点是计算精度依赖于测点数据量，并且无法解释模型系数的物理意义。此外，统计分析是通过以往的响应数据来预测结构的响应，这依赖于过往响应数据的真实性。这种响应-响应映射容易出现系统偏差。例如，在构建温度到应变的映射关系时，如果先前的应变数据包含结构损伤，那么所建立的温度应变定量关系也包含结构损伤，这不能反映温度应变之间原有的力学关系。目前亟需提出一种从温度场到温度应变的映射方法。

由此可见，现有技术存在不能准确计算温度应变、无法得到结构构件的真实应变变化、无法准确评估结构的安全状态的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高效计算超高层结构温度应变的方法和系统，由此解决现有技术存在不能准确计算温度应变、无法得到结构构件的真实应变变化、无法准确评估结构的安全状态的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高效计算超高层结构温度应变的方法，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。

进一步地，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：