薛俊青，李哲熙，BRISEGHELLA Bruno，黃福云

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

結(jié)構(gòu)長期暴露在露天環(huán)境中，其溫度場受到太陽輻射和環(huán)境溫度的影響。其中，太陽輻射被混凝土結(jié)構(gòu)吸收后會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并與環(huán)境溫度相疊加，使混凝土表面溫度上升，進(jìn)一步由外向內(nèi)通過熱量傳遞改變結(jié)構(gòu)溫度場[1-5]。目前，關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)日照溫度場的研究方法主要分為三類：理論分析、數(shù)值模擬和試驗測試[1]。隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，可采用有限元通用軟件開展橋梁結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)的溫度場傳熱學(xué)數(shù)值模擬[2-3,5-10]。橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱傳導(dǎo)理論相對成熟，決定數(shù)值模擬精確程度的關(guān)鍵在于日照邊界條件的選取。日照作用下，橋梁結(jié)構(gòu)與外界換熱方式主要包括太陽輻射、對流換熱和輻射換熱三種，其中太陽輻射計算最為復(fù)雜。因此，太陽輻射數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會影響橋梁溫度場的計算精度[1,2,5]。我國大部分地區(qū)缺乏實測太陽輻射數(shù)據(jù)。中國有756個氣象站，其中僅122個監(jiān)測太陽輻射數(shù)據(jù)[11]。福建省只有福州市和建甌市的氣象站監(jiān)測太陽輻射數(shù)據(jù)[5]。實測太陽輻射耗費大量時間和費用，因此學(xué)者們采用數(shù)值方法建立各種太陽輻射計算模型[1,2,12]。

有限元模型中需要輸入的主梁各部位太陽輻射強(qiáng)度均可通過將逐時太陽直接輻射和逐時太陽散射輻射代入公式計算獲得[2]。部分?jǐn)?shù)值模型可以直接計算逐時太陽直接輻射或逐時太陽散射輻射(以下簡稱“直接法”)，計算過程簡便。采用與太陽高度角和海拔高度有關(guān)的Hottel模型可以計算逐時太陽直接輻射。采用與大氣吸收率和透射率有關(guān)的Liu-Jordan模型可以計算逐時太陽散射輻射[12]。將Hottel模型和Liu-Jordan模型結(jié)合來計算逐時太陽輻射的方法可簡稱為“H-L方法”，即采用Hottel模型和Liu-Jordan模型分別求出逐時太陽直接輻射和逐時太陽散射輻射，兩者相加得到逐時太陽總輻射。ASHRAE模型也可以計算逐時太陽直接輻射與太陽散射輻射，并給出了美國各地區(qū)的經(jīng)驗系數(shù)[13](以下簡稱“美國ASHRAE方法”)。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)ASHRAE中的經(jīng)驗系數(shù)適用于北半球內(nèi)與美國氣候條件相似的國家[14]。學(xué)者基于北京地區(qū)1980—1989年的實測太陽輻射數(shù)據(jù)也建立ASHRAE模型(以下簡稱“北京ASHRAE方法”)[15]。

太陽直接輻射與太陽散射輻射之和為太陽總輻射[2]。因此，除了直接法之外，還有學(xué)者采用逐時太陽總輻射減去逐時太陽直接輻射或逐時太陽散射輻射，獲得對應(yīng)的逐時太陽散射輻射或逐時太陽直射輻射(以下簡稱“間接法”)。采用數(shù)值模型可直接計算逐時太陽總輻射，但計算過程較復(fù)雜且計算量大[12]。通過基于日照時數(shù)建立的線性經(jīng)驗?zāi)Ｐ?ngstr?m-Page模型計算日太陽總輻射，再采用Collares-Pereira-Rabl模型可獲得逐時太陽總輻射[12]。將逐時太陽總輻射減去Hottel模型計算的逐時太陽直接輻射，可得到逐時太陽散射輻射(以下簡稱“C-H方法”)。將逐時太陽總輻射減去Liu-Jordan模型計算的逐時太陽散射輻射，可得到逐時太陽直接輻射(以下簡稱“C-L方法”)。

我國地幅遼闊，實測所有地域的太陽輻射數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)。本文實測廣東深圳、四川雅安、河北邯鄲和福建寧德的逐時太陽輻射數(shù)據(jù)，與不同太陽輻射數(shù)值方法的計算值進(jìn)行對比。建立位于我國不同地域的12座橋梁的混凝土主梁截面有限元模型，將截面溫度計算值與實測值進(jìn)行對比。提出適用于我國混凝土主梁截面溫度場數(shù)值模擬的太陽輻射計算方法。

1 逐時太陽輻射實測

采用PC-3型移動式自動氣象站實地采集廣東深圳(2019年8月9日)、四川雅安(2011年8月9日)、河北邯鄲(2015年7月11日)與福建寧德(2016年8月10日)的逐時太陽總輻射、逐時太陽直接輻射和逐時太陽散射輻射數(shù)據(jù)，如圖1所示。

由圖1可以看出：各城市的逐時太陽輻射曲線的變化趨勢大體相同，太陽輻射在6：00左右開始出現(xiàn)，12：00左右達(dá)到最大值，18：00左右消失。福建寧德的太陽輻射極值最大，太陽總輻射、太陽直射輻射和太陽散射輻射分別為1 184、899、309 W/m2。河北邯鄲的太陽總輻射和太陽直射輻射極值最小，分別為897 W/m2和678 W/m2。四川雅安的太陽散射輻射極值最小，為136 W/m2。

圖1 我國4座城市的夏天逐時太陽輻射實測曲線Fig.1 Measured hourly solar radiation curves in summer of four cities in China

2 太陽輻射數(shù)值方法對比分析

根據(jù)文獻(xiàn)可計算適用于4座城市的各種太陽輻射數(shù)值方法的關(guān)鍵參數(shù)。經(jīng)緯度分別為N22.69°和E114.34°(深圳)、N30.01°和E103.04°(雅安)、N36.62°和E114.54°(邯鄲)、N26.67°和E119.54°(寧德)。Hottel模型所需的海拔高度分別為0.1 km(深圳)、1.25 km(雅安)、0.065 km(邯鄲)和0.04 km(寧德)；太陽高度角可通過太陽赤緯角與所需時刻計算得到，太陽赤緯角分別為15.67°(深圳和雅安)、22.11°(邯鄲)和15.36°(寧德)；運算日期分別為221(深圳和雅安)、192(邯鄲)和222(寧德)；修正系數(shù)r0、r1和r2均取1。Liu-Jordan模型根據(jù)太陽直射透過比轉(zhuǎn)化為散射系數(shù)，太陽直射透過比根據(jù)Hottel模型計算得到。美國ASHRAE模型的系數(shù)A、B和C分別為1 107.21、0.201和0.122(深圳和雅安)，1 085.12、0.207和0.136(邯鄲)，1 107.21、0.201和0.122(寧德)。北京ASHRAE模型的系數(shù)A、B和C分別為1 333.22、0.384和0.171(深圳和雅安)，1 324.31、0.412和0.185(邯鄲)，1 333.72、0.382和0.170(寧德)。?ngstr?m-Page模型的經(jīng)驗系數(shù)a和b分別為0.226和0.473(深圳)，0.277和0.322(雅安)，0.383和0.301(邯鄲)，0.191和0.556(寧德)。Collares-Pereira-Rabl模型的日天文輻射總量分別為27.15(深圳)、23.25(雅安)、27.93(邯鄲)和29.02(寧德)；逐時系數(shù)a1和b1分別取0.710和0.375(深圳)，0.728和0.358(雅安)，0.755和0.332(邯鄲)，0.718和0.367(寧德)；日落時角分別為96.87°(深圳)、99.51°(雅安)、103.66°(邯鄲)和98.10°(寧德)。

將4座城市的實測逐時太陽輻射曲線分別與采用直接法(H-L方法、美國ASHRAE方法和北京ASHRAE方法)和間接法(C-H方法和C-L方法)計算曲線對比，如圖2—圖5所示。其中，采用C-H方法計算雅安的太陽輻射時會出現(xiàn)太陽總輻射小于太陽直射輻射，導(dǎo)致太陽散射輻射出現(xiàn)負(fù)數(shù)的情況，不符合科學(xué)常理。采用均方根誤差(root mean square error，RMSE)和平均絕對百分比誤差(mean absolute percentage error, MAPE)定量分析不同數(shù)值方法計算曲線與實測曲線的擬合程度[16]，結(jié)果列于表1—表3。表中，ERMS為均方根誤差，EMAP為平均絕對百分比誤差。

對比逐時太陽總輻射和逐時太陽直射輻射的實測曲線與不同數(shù)值方法的計算曲線，由圖2—圖5中的(a)(b)和表1、表2可以發(fā)現(xiàn)：對于深圳，所有數(shù)值方法的計算曲線峰值均大于實測曲線；采用H-L方法、C-H方法和C-L方法的計算曲線的趨勢與實測曲線相近，其中H-L方法的誤差最??；ERMS和EMAP分別為77 W/m2、99 W/m2和28%、73%。對于雅安，C-L方法的計算曲線峰值小于實測曲線，其余數(shù)值方法的計算曲線峰值均大于實測曲線；采用H-L方法和C-L方法的計算曲線與實測曲線相近且誤差較小；ERMS和EMAP的最大值分別為105 W/m2、100 W/m2和72%、361%。對于邯鄲，所有數(shù)值方法的計算曲線峰值均小于實測曲線。對于寧德，所有數(shù)值方法計算的太陽總輻射曲線峰值均小于實測曲線，H-L方法計算的逐時太陽直射輻射曲線峰值小于實測曲線，其余數(shù)值方法的計算曲線峰值均大于實測曲線。對于邯鄲和寧德，采用H-L方法、C-H方法和C-L方法的計算曲線的趨勢與實測曲線相近且誤差較小；邯鄲ERMS和EMAP的最大值分別為139 W/m2、133 W/m2和80%、168%；寧德ERMS和EMAP的最大值分別為84 W/m2、111 W/m2和13%、33%。各地采用美國ASHRAE方法和北京ASHRAE方法的計算曲線比實測曲線飽滿且誤差較大。

對比逐時太陽散射輻射實測曲線與不同數(shù)值方法的計算曲線，由圖2—圖5中的(c)和表3可以發(fā)現(xiàn)，4座城市的所有數(shù)值方法的計算曲線均與實測曲線誤差不大。深圳的ERMS最大值為42 W/m2，EMAP最大值為23%；雅安的ERMS最大值為43 W/m2，EMAP最大值為31%；邯鄲的ERMS最大值為32 W/m2，EMAP最大值為37%；寧德的ERMS最大值為85 W/m2，EMAP最大值為26%。

綜合分析，采用H-L方法、C-H方法和C-L方法計算的逐時太陽輻射數(shù)值曲線與實測曲線相比誤差較小，但C-H方法和C-L方法的計算過程較為復(fù)雜。

圖2 逐時太陽輻射實測曲線與不同數(shù)值方法計算曲線對比(深圳)Fig.2 Comparison of hourly solar radiation curves obatined by filed tests and different calculation methods (Shenzhen)

圖3 逐時太陽輻射實測曲線與不同數(shù)值方法計算曲線對比(雅安)Fig.3 Comparison of hourly solar radiation curves obatined by filed tests and different calculation methods (Ya’an)

圖4 逐時太陽輻射實測曲線與不同數(shù)值方法計算曲線對比(邯鄲)Fig.4 Comparison of hourly solar radiation curves obatined by filed tests and different calculation methods (Handan)

圖5 逐時太陽輻射實測曲線與不同數(shù)值方法計算曲線對比(寧德)Fig.5 Comparison of hourly solar radiation curves obatined by filed tests and different calculation methods (Ningde)

表1 不同城市逐時太陽總輻射計算曲線RMSE與MAPETab.1 RMSE and MAPE of calculated hourly global solar radiation curves for different cities

表2 不同城市逐時太陽直接輻射計算曲線RMSE與MAPETab.2 RMSE and MAPE of calculated hourly direct solar radiation curves for different cities

表3 不同城市逐時太陽散射輻射計算曲線RMSE與MAPETab.3 RMSE and MAPE of calculated hourly diffuse solar radiation curves for different cities

3 混凝土主梁截面溫度場對比分析

選取位于我國東部的江蘇蘇州[17]、淮安[18]、南京[19]和揚(yáng)州[20]及浙江千島湖[21]，南部的福建漳州[6]和泉州[2]及廣東深圳[7,9]和東莞[22]，西部的四川攀枝花[23]和新疆昌吉[24]，北部的河北邯鄲[25]的12座橋梁為背景工程，采用MIDAS-FEA軟件建立混凝土主梁截面有限元模型，開展溫度場數(shù)值模擬?；炷恋拿芏?、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容分別取2 400 kg/m3、1.5 W/(m·℃)和960 J/(kg·℃)[8]。主梁外邊界條件考慮綜合環(huán)境溫度(將箱外太陽輻射、對流換熱和輻射換熱作用疊加在環(huán)境溫度上得到等效溫度)和綜合換熱系數(shù)(疊加對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù))[2]。逐時環(huán)境溫度曲線和風(fēng)速基于文獻(xiàn)[2,6,7,9,17-25]和中國氣象網(wǎng)查詢獲得。采用H-L方法計算太陽輻射數(shù)據(jù)。太陽輻射對不同類型主梁的不同部位的影響模擬參考文獻(xiàn)[2]。主梁內(nèi)邊界條件采用空氣單元模擬[10]。網(wǎng)格劃分尺寸為0.02 m，每個節(jié)點只有溫度一個自由度。將12座橋梁的主梁截面溫度測點的計算值與實測值對比繪制，如圖6所示。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，計算值與實測值吻合較好。采用均值和方差定量分析主梁截面溫度計算值與實測值的吻合程度，列于表4。分析發(fā)現(xiàn)：均值為0.998～1.101，方差為0.001～0.120，模擬精度良好且偏安全。證明可采用H-L方法計算的太陽輻射數(shù)據(jù)開展位于我國不同地域的橋梁混凝土主梁截面溫度場數(shù)值模擬。

圖6 混凝土主梁截面溫度實測值與計算值對比Fig.6 Comparison of average effective temperatures of concrete girder cross-sections obatined by filed tests and finite element model

表4 精度分析

4 結(jié)論

通過對比我國4座城市的實測逐時太陽輻射數(shù)據(jù)和不同數(shù)值方法的計算值，并開展位于我國不同地域的12座橋梁的混凝土截面溫度場數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

(1)對比我國4座城市的實測逐時太陽輻射數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，太陽輻射變化趨勢大體相同；在6 ∶00左右開始出現(xiàn)，12 ∶00左右達(dá)到最大值，18 ∶00左右消失。福建寧德的太陽輻射極值最大，太陽總輻射、太陽直射輻射和太陽散射輻射分別為1 184、899、309 W/m2。河北邯鄲的太陽總輻射和太陽直射輻射極值最小，四川雅安的太陽散射輻射極值最小。

(2)H-L方法計算精度高且過程簡便。選取位于我國不同地域的12座橋梁，采用H-L方法計算太陽輻射數(shù)據(jù)，建立混凝土主梁截面有限元模型，截面溫度計算值與實測值吻合良好。證明可采用H-L方法計算的太陽輻射數(shù)據(jù)開展混凝土主梁截面溫度場數(shù)值模擬。

(3)采用美國ASHRAE方法和北京ASHRAE方法計算的逐時太陽總輻射曲線和逐時太陽直射輻射曲線比實測曲線飽滿且誤差較大。

(4)采用C-H方法和C-L方法計算的逐時太陽輻射數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合較好，但計算過程較為復(fù)雜。采用C-H方法計算雅安的逐時太陽輻射數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)太陽總輻射小于太陽直射輻射，導(dǎo)致太陽散射輻射出現(xiàn)負(fù)數(shù)的情況，不符合科學(xué)常理。

本文采用我國4座城市的實測逐時太陽輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下一步將開展更多城市的逐時太陽輻射數(shù)據(jù)實測工作，擴(kuò)大數(shù)據(jù)范圍，進(jìn)一步驗證本文的結(jié)論。