太阳辐射下钢管构件非均匀温度场研究

作     者：赵文琦 何旭辉 邹云峰 蔡陈之 徐明 黄石基 

作者机构：中南大学土木工程学院 中南大学轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室 

出 版 物：《铁道科学与工程学报》 (Journal of Railway Science and Engineering)

年 卷 期：2025年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(51925808) 湖南省自然科学基金(2024JJ4065) 长沙市杰出创新青年培养计划(kq2306013) 

主　　题：桥梁工程 温度场 模型试验 数值计算 钢管构件 太阳辐射 

摘      要：桥梁钢结构在自然环境中受到气温、太阳辐射以及风速等多种因素的综合影响，导致其内部的温度分布不均，这可能会构成潜在的安全风险。为有效缓解非均匀温度效应对桥梁钢结构的不利影响，深入探索桥梁钢结构在太阳辐射作用下的温度效应机制。选取不同方位和倾角的圆形和矩形钢管构件作为研究对象，开展一项温度试验研究，分析钢管形状、方位和倾角对其温度分布特性的影响。基于试验数据，构建探究钢管构件热行为的有限元模型并进行严格验证。通过定性和定量相结合的方式，揭示方位和倾角对圆形和矩形钢管热应力分布的影响机理，为桥梁钢结构的施工和运维提供参考。研究结果表明：方位和倾角是影响钢管构件温度分布的重要因素，与东西走向钢管相比，南北走向钢管的各部分温度变化呈现出不同步的特点，导致更加复杂的温度分布模式。无论是圆形还是矩形钢管，在水平放置时温度差异最为显著，而随着倾角增大，这种温度差异逐渐减小。水平钢管的日最大温差与45°和90°钢管的日最大温差相比，差异最大可达7.5℃和14.5℃。此外，钢管构件的热应力变化与太阳辐射强度的变化密切相关。南北走向钢管的热应力分布较东西走向钢管更加不均匀，而水平钢管的热应力较45°和90°钢管更大。圆形和矩形钢管的最大Von Mises应力均出现在南北向水平钢管，最大热应力分别达到119.1MPa和123.8MPa，且最大平均热应力分别达到86.5MPa和92.1MPa。研究成果为钢结构桥梁的热效应研究提供科学依据，对工程设计和安全管理具有重要指导意义。