辐射-热-流多物理场耦合作用下大跨度钢结构非均匀时变温度效应研究

Many large-span steel structures consist of big outdoor members or light transmittance roofs. Radiation-thermal-fluid multi-physics field coupled effects and thermal-wind load coupled effects occur under the intense solar radiation, which induce the non-uniform time-variation temperature effect (NUTV temperature effect) in nature. However, due to the absence of solar absorption coefficient and without considering the multi-phsics and thermal-wind coupled effect, the safety of structures is over-estimated. This study investigates the solar absorption coefficient of the steel surface and the radiation-thermal-fluid multi-physics field coupled effect. The numerical modeling method is also developed on radiation-thermal-fluid multi-physics coupled phenomena corresponding to real structural thermal environment. The NUTV thermal load is studied during the construction period and service period. Considering all NUTV thermal loads in service conditions, a multi-objective optimization method will be presented based on the master-slave parallel genetic algorithm, and the optimal healing temperature will be studied. Considering the temperature effect correlation between the construction period and the service period, the NUTV temperature effect mechanism during the construction-service process will be studied under the radiation-thermal-fluid multi-phsics field coupled effect and thermal-wind coupled effect. The reseach resuls will provide some scientific foundation for the precise evaluation and safety control of NUTV temperature effect for the large-span steel structures under the radiation-thermal-fluid multi-phsics field coupled action and thermal-wind coupled action.

对于有大型室外构件或大面积透光性屋面的大跨钢结构，在时变太阳强烈辐射作用下，结构经历的温度效应实质是在辐射-热-流多物理场耦合、温-风荷载耦合作用下的非均匀时变温度效应。目前研究中，缺乏钢表面太阳辐射吸收系数试验数据，忽略了多物理场耦合、温-风荷载耦合效应的影响，高估了结构的安全性，给工程带来安全隐患。本项目将测定钢结构表面的太阳辐射吸收系数，剖析辐射-热-流耦合机理，探索符合结构实际热环境的多物理场动态耦合数值建模方法，研究大跨钢结构施工-服役全寿命的非均匀时变温度作用。考虑可能经历的各种非均匀时变温度作用，基于主从式并行遗传算法，研究大跨钢结构合拢温度的最优取值规律。考虑施工-服役温度效应相关性，研究辐射-热-流多物理场耦合、温-风耦合作用下大跨钢结构施工-服役全过程的非均匀时变温度效应机理。为大跨钢结构在多物理场、温-风耦合作用下非均匀时变温度效应的精确评估与安全控制提供科学依据。

以大型室外钢结构或采用玻璃、膜等透光性屋面的大跨度钢结构为研究对象，针对其太阳辐射非均匀温度场时变规律复杂、行业无计算理论和设计方法可依的问题，采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的研究方法，研究了辐射-热-流耦合作用下大跨度钢结构的非均匀温度效应，获得发明专利1项；发表核心学术期刊论文12篇，其中SCI检索9篇；完成学术专著1部（已进入三校，待印刷）；结合项目培养博士生1名，硕士生5名，成果编入国家行业规范和中国工程建设标准化协会标准《开合屋盖结构技术规程》，为工程建设提供了科学依据，保障了结构安全。具体取得的成果如下：1）采用紫外-可见-近红外分光光度计对钢结构常用涂料、防火涂料及铝的太阳辐射吸收系数进行了测定试验，并通过控制变量法研究了底漆、中间漆、面漆及面漆颜色等参数对太阳辐射吸收系数的影响，同时给出了白色、灰色、红色、黄色、绿色的氟碳面漆、聚氨酯面漆、氯化橡胶面漆的吸收系数建议值，并给出了超薄型、薄型、厚型防火涂料及铝的吸收系数建议值。对各种涂料夏季太阳辐射作用下的温度场进行了实测，获得了各种涂料的太阳辐射温度，温度变化规律与太阳辐射吸收系数成正比，间接验证了测试结果的合理性。2）综合采用CFD数值模拟技术和FEM有限元技术建立了太阳短波辐射、环境长波辐射、周围空气流体环境等辐射-热-流耦合作用下大跨度钢结构非均匀温度场的数值分析方法，并采用试验验证了数值模拟方法的精度和有效性，以天津天山海世界米立方单层网壳、于家堡交通枢纽站房屋盖钢结构、曹妃甸大跨度网壳结构和首秦金属材料公司办公楼中庭屋盖结构等典型工程的非均匀时变温度场，推导了各种典型钢构件在辐射-热-流耦合作用下太阳辐射非均匀温度场的简化计算公式。3）以山东茌平体育馆弦支穹顶叠合拱结构为例，建立了包含杆单元、梁单元、壳单元等三种单元的多尺度弦支穹顶叠合拱有限元模型，采用遗传算法，考虑结构服役期可能的太阳辐射非均匀温度作用，得到了弦支穹顶叠合拱结构的最优合拢温度。4）考虑太阳辐射、施工周期、施工期间天气变化等因素，选用均布概率模型，研究了大跨度钢结构施工过程中温度变形和温度应力，发现施工过程可引起显著的温度残余应力和残余变形，且这种温度变形和温度应力无法消除，需在设计阶段充分考虑，以保证结构的使用安全。