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原文传递基于表面辐射的桥梁结构控温技术研究

论文题名：	基于表面辐射的桥梁结构控温技术研究
关键词：	特大桥;混凝土箱梁;表面辐射;温度应力;控温技术
摘要：	21世纪以来，我国建设了一批跨径大、技术含量高的特大桥，其中混凝土箱体结构因其结构刚度大、施工快捷、行车平稳等诸多优势而被广泛应用，特别是在高速公路与城市快速路中成为首选结构形式。但是，因为混凝土材料导热性差，混凝土箱梁结构在户外受到日照辐射、空气对流、热辐射等温度荷载作用时，不可避免会产生较大的温度梯度应力，从而严重威胁桥梁运营周期中的安全性和耐久性。本文突破传统的控制温度裂缝思路，创新性地提出利用辐射降温材料改善箱梁结构温度场分布，通过机理分析、试验研究与三维模拟，开展桥用辐射降温材料的研发与自调温效果研究分析。　　首先，开展了桥梁箱体结构对于温度应力及控温需求分析，梳理了辐射降温材料与混凝土箱梁温度应力的研究现状，创新提出基于表面辐射理论控制桥梁结构温度的方法。　　其次，从混凝土箱梁温度场理论着手，对桥梁混凝土箱梁的控温思路进行分析，认知混凝土箱梁结构的控温技术路线。分析隔热材料的分类及影响因素，重点了解“大气窗口”在太阳辐射中的作用，根据太阳光谱特性、热稳定性、化学兼容性、经济性等因素筛选辐射降温原材料。辐射控温涂料由反射层与辐射降温层复合，使辐射控温涂料达到最佳效果。依据反射层与辐射层机理的差异，分别优选出基料与颜填料，采用红外光谱仪、自制保温测温系统等仪器系统开展了复合辐射降温涂料制备试验。结果表明，应用复合辐射控温涂料对桥梁结构进行控温具有可行性。　　然后，利用控制变量法对反射层与辐射层的基料与颜填料分别进行材料优化降温测试。依据反射层控温的机理需求，完成了反射层涂料的控温试验，结果表明，在聚二甲基硅烷(PDMS)基料中掺入600目质量分数为30％的铝银粉时，降温效果最佳，降温幅度可达到90％以上。依据辐射层的机理需求，完成了辐射层涂料的控温试验，结果表明，在PDMS基料中掺入4％质量分数粒径为5微米的SiO2微球时，降温效果最佳。　　最后，鉴于上述试验实测结果，基于表面辐射原理利用COMSOL有限元软件对重庆嘉华大桥箱梁进行了12小时三维瞬态分析，结果表明:在正午12时，依托工程的箱梁腹板应用辐射材料后相较未采用辐射材料的箱梁腹板温度低10.27℃。同时，针对温度效应对钢管混凝土桥梁可能产生的危害，对钢管混凝土桥梁进行了户外模拟测试，并为后续辐射降温涂料提供试验依据，结果表明，应用复合辐射降温涂料的钢管相较未应用该涂料的钢管温度低15℃，降温幅度为28.7％。所有以上试验结果验证了基于表面辐射理论制备的复合辐射降温涂料对桥梁结构具有优异的控温效果。　　本论文可为辐射降温用于桥梁结构控温技术的后续研究提供理论支撑与试验依据。
作者：	张媛媛
专业：	建筑与土木工程
导师：	张劲泉;周建庭
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2020