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太阳辐射下单轨交通钢轨道梁温度场与温度效应分析
| 论文题名： | 太阳辐射下单轨交通钢轨道梁温度场与温度效应分析 |
| 关键词： | 钢轨道梁;单轨交通;太阳辐射;温度场;热应力耦合;参数化分析 |
| 摘要： | 单轨交通钢轨道梁可用于复杂地表环境之下的物流线路载体，在未来物流领域中拥有广阔的应用前景。然而，目前国内外针对钢结构的研究多为高温作用下钢箱梁的结构力学性能，包括但不限于火灾、焊接、急剧冷却等情况，很少有涉及太阳辐射这种自然环境条件下的钢结构力学性能研究。另外，单轨交通钢轨道梁由于结构细小而狭长，整体呈现偏柔性，通常需要设置体外预应力筋从而增加承载力与结构刚度。加上坡度的存在，太阳辐射作用下产生的温度梯度等可能会对单轨交通钢轨道梁结构产生不利影响，对结构安全带来隐患。因此，对单轨交通钢轨道梁截面在太阳辐射作用下温度场以及温度效应进行分析，进而验证现有规范温度梯度的适用性，具有重大的意义。 本文结合传热学、太阳辐射的基本特点，通过总结太阳辐射理论、温度场边界条件等建立适合单轨交通钢轨道梁截面形式的荷载与边界模型。借助ANSYS有限元分析软件，实现包括季节、地理位置、梁顶面坡度、材料特性等影响因素在内的日照环境模拟，分析了单轨交通钢轨道梁在太阳辐射作用下的温度场及温度效应。主要结论如下： （1）截面温度最大值分布在外表面。空心截面温度应力最大值分布在内表面的截面折角处，存在应力集中。横隔板处截面温度应力最大值分布在截面底板两侧折角处，存在应力集中。 （2）影响因素中，表面吸收率与季节影响较大，截面最高温度变动达10℃左右，最大温度应力变动达1.2~1.5MPa左右；流体运动形式的影响较小，白昼期间紊流换热较层流换热的温度降低约0.5℃，温度应力降低约0.015MPa。另外，坡度或可能造成温度及温度应力变化范围加大，大寒日白昼最高温与最低温的差值较大暑日而言增大了约10℃，温度应力差范围则增大了约2MPa。与最佳坡度相差越大，对变化幅度的影响越弱。 （3）横隔板处梁截面，不同厚度处的温度应力变化差异较为明显。存在一个厚度界限值，从界限值起，越靠近表面，温度应力曲线变化越剧烈、越频繁，且均为3个峰值。从界限值起，越靠近形心，温度应力曲线变化越剧烈但不频繁，均为1个峰值。 （4）既有规范关于温度梯度影响可能被低估。既有规范对单轨交通钢轨道梁变形评价效果不太理想，需要针对单轨交通钢轨道梁的设计、验算编制专有技术标准。给出了改进后的竖向温度梯度模型，建立了放大系数k与坡度之间的关系式。并给出了能够较好地评价横向温度效应的线性横向温度梯度。 |
| 作者： | 余勇波 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 朱尔玉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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