專利名稱：地下道路復(fù)合式路面溫度場模型建立方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下道路復(fù)合式路面溫度對使用性能影響的評估技術(shù)領(lǐng)域，具體講，涉及地下道路復(fù)合式路面溫度場模型建立方法。
背景技術(shù)：
為保證地下道路復(fù)合式路面良好的使用品質(zhì)及足夠的耐久性，必須對地下道路復(fù)合式路面的環(huán)境條件進行詳細調(diào)查、分析和研究。地下道路路面結(jié)構(gòu)的環(huán)境條件主要包括地下道路內(nèi)的溫度、濕度等狀況，其中溫度狀況對地下道路路面結(jié)構(gòu)影響較大，故本章主要研究地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的溫度條件。眾所周知，地下道路內(nèi)具有良好的保溫性能，受外界環(huán)境溫度變化的影響比較小。因此，地下道路路面受溫度影響破壞的可能性相對于地表道路而言要少得多，但這只是一種定性的分析，具體地下道路路面結(jié)構(gòu)處在一個什么樣的溫度場中，地下道路路面結(jié)構(gòu)沿深度方向的溫度變化如何便不得而知，與此相關(guān)的研究鮮有報道。國內(nèi)外許多學(xué)者利用統(tǒng)計分析和理論分析的方法對地下道路以外的路面溫度場進行了大量的分析研究工作，但關(guān)于地下道路內(nèi)的路面溫度狀況方面的研究鮮有報道。本文在對地下道路路面溫度場研究過程中，主要還是借鑒地表道路路面溫度場的研究方法，主要包括以下3種統(tǒng)計分析法、理論法和數(shù)值模擬方法。統(tǒng)計分析方法是在實測路面溫度基礎(chǔ)上，結(jié)合氣象資料，用概率統(tǒng)計方法加以處理而建立路面溫度同當?shù)貧鉁?、太陽輻射等環(huán)境氣象要素之間的定量關(guān)系或者直接將實測的有關(guān)溫度數(shù)據(jù)用于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計。該方法的優(yōu)點在于計算方法簡單，推算精度高，缺點是需要投入大量人力、物力進行長時間的觀測統(tǒng)計，并且其結(jié)論具有一定的地域性和季節(jié)性，適應(yīng)性相對較差。但對于某個地區(qū)來講，仍然是一種可行、有效的近似方法[81’131]。理論和半理論分析法是一種根據(jù)氣象資料和路面材料的熱特性參數(shù)，應(yīng)用傳熱學(xué)原理、相關(guān)假設(shè)以及邊界條件對路面溫度解析表達式進行求解的一種方法。它的缺點是路面溫度場的解析表達式過于復(fù)雜，求解時假設(shè)條件多，數(shù)值計算過于繁瑣，在很大程度上限制了它在實際工程上的應(yīng)用，并且該方法同樣需要大量的氣象資料和路面材料熱特性參數(shù)，該方法的優(yōu)點是具有較強的適應(yīng)性，不受地域以及路面材料和類型的限制[132，133]。數(shù)值模擬法，即以氣候和傳熱學(xué)基本理論為基礎(chǔ)，采用有限元方法，建立符合實際的數(shù)學(xué)模型來得到近似解，即數(shù)值解。該方法概念清晰，計算方便，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展在溫度場的研究中逐步得到了應(yīng)用。由外界環(huán)境因素引起的路面溫度場的變化非常復(fù)雜，是一個隨時間變化的瞬態(tài)傳熱問題。求解此類問題最有效方法是有限元法，用有限元法求解溫度場及溫度應(yīng)力己廣泛應(yīng)用于道路工程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，研究預(yù)測路面任意時刻、任意位置溫度的方法，更好的指導(dǎo)地下道路路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，地下道路復(fù)合式路面溫度場模型建立方法，包括如下步驟對地下道路復(fù)合式路面溫度場進行實測；地下道路復(fù)合式路面溫度場傳熱學(xué)理論分析空氣對流換熱地下道路內(nèi)任意時刻空氣與路表的對流換熱可以用牛頓冷卻方程來描述，即用式3.1來表示Qh =h (Ta-Tp) (3.1)
式中qh 空氣與路表的對流換熱；
h—路表放熱系數(shù)；
Ta-地下道路內(nèi)空氣溫度；
Tp-地下道路內(nèi)路表溫度。
路表放熱系數(shù)h指的是當氣流與路表之間的溫度為rc時，在單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量，其單位是KJ/m2h°C或kcal/m2h°C ；
空氣輻射換熱
地下道路內(nèi)空氣輻射換熱qap與大氣長波輻射qa和路表長波輻射qp之間的關(guān)系見式 3. 2 :
Qap =:acqa-qp = ac ε a σ bTak4- ε p σ bTpk4 (3.2)
式中:a。 路表對大氣輻射的吸收系數(shù),灰體的吸收率一般取為O. 93 ；
￡ a大氣的發(fā)射率，ea=0. 82;
eP一路面的發(fā)射率，ερ=0.93;
°b斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，ob=5.67X10 8ff/(m2 · K4)；
Tak、Tpk——空氣和路表的熱力學(xué)溫度(K)；
為方便計算，長波輻射可用式3. 3表示
Qap =hr ο b (Tak_Tpk) (3. 3)
其中
hr =e°b(Tak+Tpk) (Tak2+Tpk2) (3.4)
式中hr 熱福射系數(shù)(W/ (m · K))；
ε——一大氣與路表發(fā)射率，取O. 9 ；進入地下道路路表的熱流量進入地下道路內(nèi)路路表的熱流等于對流換熱qh和路表輻射換熱qap之和，即q = qh+qap(3.5)熱傳導(dǎo)方程從氣候?qū)W和傳熱學(xué)基本理論出發(fā)，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)實際情況，采用二維彈性層狀理論體系對地下道路路面的溫度場以及溫度應(yīng)力進行分析，作如下的基本假設(shè)(1)路面結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，且各層材料是均勻、完全彈性且各向同性；(2)溫度變化范圍內(nèi)，各結(jié)構(gòu)層材料熱學(xué)參數(shù)保持恒定；(3)路面結(jié)構(gòu)體溫度與路表邊界同頻率周期變化；(4)忽略接觸阻熱，路面各結(jié)構(gòu)層層間接觸良好，熱傳導(dǎo)連續(xù)；
(5)溫度變化不隨水平坐標的變化而變化，只與厚度有關(guān)。由于道路為一帶狀三維結(jié)構(gòu)體，不考慮溫度沿長度方向的變化，基于以上的基本假設(shè)，在地下道路橫斷面上，路面結(jié)構(gòu)體溫度函數(shù)T (x, y, z, t)應(yīng)滿足式3. 6的熱傳導(dǎo)方
程
權(quán)利要求
1.一種地下道路復(fù)合式路面溫度場模型建立方法，其特征是，包括如下步驟對地下道路復(fù)合式路面溫度場進行實測；地下道路復(fù)合式路面溫度場傳熱學(xué)理論分析空氣對流換熱地下道路內(nèi)任意時刻空氣與路表的對流換熱可以用牛頓冷卻方程來描述，即用式3.1 來表示qh = h (Ta-Tp)(3.1)式中qh——空氣與路表的對流換熱； h——路表放熱系數(shù)；Ta——地下道路內(nèi)空氣溫度；Tp—地下道路內(nèi)路表溫度。路表放熱系數(shù)h指的是當氣流與路表之間的溫度為1°C時，在單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量，其單位是KJ/m2h°C或kcal/m2h°C ；空氣輻射換熱地下道路內(nèi)空氣輻射換熱qap與大氣長波輻射qa和路表長波輻射qp之間的關(guān)系見式3.2 Qap = acQa_Clp = aC ￡ a 0 bTa^- ￡ p 0 bTp^(3. 2)式中a?！繁韺Υ髿廨椛涞奈障禂?shù),灰體的吸收率一般取為O. 93 ；ε a-大氣的發(fā)射率，ε a=0. 82 ；ερ——路面的發(fā)射率，ερ=0.93;σ b——斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，σ b=5. 67 X 10-8W/ (m2 · K4)；Tak> Tpk——空氣和路表的熱力學(xué)溫度(K)；為方便計算，長波輻射可用式3. 3表示Qap = Mb(Tak-Tpk)(3.3)其中hr= ε °b(Tak+Tpk)(Tak2+Tpk2)(3.4)式中hr 熱福射系數(shù)(W/ Cm2 · K))； ε——大氣與路表發(fā)射率，取O. 9 ；進入地下道路路表的熱流量進入地下道路內(nèi)路路表的熱流等于對流換熱qh和路表福射換熱qap之和，即 q = Qh+Qap(3. 5)熱傳導(dǎo)方程從氣候?qū)W和傳熱學(xué)基本理論出發(fā)，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)實際情況，采用二維彈性層狀理論體系對地下道路路面的溫度場以及溫度應(yīng)力進行分析，作如下的基本假設(shè)(1)路面結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，且各層材料是均勻、完全彈性且各向同性；(2)溫度變化范圍內(nèi)，各結(jié)構(gòu)層材料熱學(xué)參數(shù)保持恒定；(3)路面結(jié)構(gòu)體溫度與路表邊界同頻率周期變化；(4)忽略接觸阻熱，路面各結(jié)構(gòu)層層間接觸良好，熱傳導(dǎo)連續(xù)；(5)溫度變化不隨水平坐標的變化而變化，只與厚度有關(guān)。由于道路為一帶狀三維結(jié)構(gòu)體，不考慮溫度沿長度方向的變化，基于以上的基本假設(shè)， 在地下道路橫斷面上，路面結(jié)構(gòu)體溫度函數(shù)T (X，y, z, t)應(yīng)滿足式3. 6的熱傳導(dǎo)方程
2.如權(quán)利要求1所述的地下道路復(fù)合式路面溫度場模型建立方法，其特征是，對地下道路復(fù)合式路面溫度場進行實測包括3-2-2-1實測內(nèi)容(1)路面結(jié)構(gòu)溫度主要包括不同時間、不同路面結(jié)構(gòu)深度以及不同地點的地下道路路面結(jié)構(gòu)的溫度；(2)環(huán)境因素選取了影響道路結(jié)構(gòu)溫度的主要因素，即與路面溫度場同步變化的地下道路內(nèi)空氣的溫度;3-2-2-3溫度測試元件與儀器根據(jù)地下道路內(nèi)觀測的需要，選擇以下三種溫度儀器進行觀測(1)預(yù)埋式溫度探頭傳感器(2)數(shù)字點溫儀(3)表面溫度計3-2-2-4測試斷面及測點布置為了反映地下道路沿縱向及沿深度方向的溫度變化，分別在地下道路入口處，地下道路中間、以及地下道路出口處埋設(shè)了三組共6個溫度傳感器，并同時在這三處，分別沿深度方向進行了埋設(shè)，具體布置情況是浙青混凝土面層底部布置I個溫度傳感器、水泥混凝土板底布置I個溫度傳感器。溫度傳感器的埋設(shè)采用的方法是在水泥混凝土施工過程中預(yù)先把溫度傳感器埋設(shè)到相應(yīng)深度位置，然后將溫度探頭通過路面結(jié)構(gòu)中設(shè)置的排水溝，引向路面?zhèn)冗叺呐潘疁?，并將探頭用防水電工布包好，隱藏在側(cè)邊排水溝中，并注意不要讓探頭垂落到溝底；3-2-2-4觀測過程Cl)空氣溫度用表面溫度計對地下道路沿縱向不同地點的溫度進行測試，并記錄好，測試過程中，測點相對路面結(jié)構(gòu)深度方向要加密；(2)道路結(jié)構(gòu)溫度將包裹嚴實，埋藏在排水溝邊緣的溫度傳感器的接線端找出來，并與數(shù)字點溫儀連接好，按序號、次序讀取溫度值。觀測完一次后，用防水電工布將溫度傳感器的接線端包裹好， 放置在排水井中并隱藏好，以防丟失；(3)路表溫度的觀測直接將點溫儀接線頭的一端與路表面相接處，等待2分鐘后讀取，記錄讀數(shù)。一個集中觀測周期完成后，用防水電工布把所有的溫度傳感器的接線端包裹好，并隱藏在排水井的上端，以備下次觀測使用。
3.如權(quán)利要求1所述的地下道路復(fù)合式路面溫度場模型建立方法，其特征是，地下道路路面溫度場有限元模型的建立進一步細化為確定熱分析的材料物理參數(shù)導(dǎo)溫系數(shù)α是導(dǎo)熱系數(shù)λ與材料的密度(容重)P和比熱Cp的比值，單位是m2/s， 用式3. 11計算，它的物理意義是溫度隨時間變化時，熱流密度進入固體的速率α越大，介質(zhì)內(nèi)傳熱越快；α = λ/(ρ · Cp)(3. 11)路面材料熱學(xué)參數(shù)的選取如表3. 6所示。表3. 6路面材料熱力學(xué)參數(shù)
全文摘要
本發(fā)明涉及地下道路復(fù)合式路面溫度測量。為研究預(yù)測路面任意時刻、任意位置溫度的方法，更好的指導(dǎo)地下道路路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，地下道路復(fù)合式路面溫度場模型建立方法，其特征是，包括如下步驟對地下道路復(fù)合式路面溫度場進行實測；地下道路復(fù)合式路面溫度場傳熱學(xué)理論分析空氣對流換熱空氣輻射換熱從氣候?qū)W和傳熱學(xué)基本理論出發(fā)，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)實際情況，采用二維彈性層狀理論體系對地下道路路面的溫度場以及溫度應(yīng)力進行分析，作如下的基本假設(shè)。本發(fā)明主要應(yīng)用于地下道路復(fù)合式路面溫度測量。
文檔編號E01C23/01GK103031801SQ201310004408
公開日2013年4月10日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月7日
發(fā)明者王海燕, 王曉華, 甄曦, 邢錦, 張彩利, 婁中波, 鄭利, 趙巍 申請人:天津市市政工程設(shè)計研究院