關鍵詞： Abaqus；混凝土箱梁；熱傳導；輻射散熱；熱力耦合

在橋梁工程領域，混凝土箱梁因其結構穩定性和承載能力而廣泛應用于現代橋梁設計中。隨著全球氣候變化和極端天氣事件的頻發，混凝土箱梁在服役過程中面臨的熱力耦合效應日益受到重視。熱力耦合分析是指在結構分析中同時考慮溫度場和力學場的相互作用，這對于確保橋梁在不同環境條件下的長期性能和安全性至關重要。

暴露在自然環境下的混凝土箱梁受到太陽輻射，對流換熱和輻射換熱的作用，在Abaqus中可以通過熱傳導、輻射和散射的設置實現此過程。本文致力于將傳熱分析后的應力/溫度結果與加上輻射散熱后的應力/溫度結果進行對比，探討熱力耦合分析進行輻射散熱的必要性。

圖1 箱梁日照熱邊界示意圖

根據《Abaqus幫助文檔》第16.1.2和16.1.3節，Abaqus可以進行順序耦合傳熱分析，即先進行傳熱分析，再進行應力/變形分析。此時節點溫度作為時間的函數存儲在傳熱結果(. fi1)文件或輸出數據庫. odb)文件中，要在傳熱、溫度－位移耦合或應力／位移分析中定義載荷，可以從 abaqus emload實用程序創建的輸出數據庫. odb)文件中讀取節點集中熱通量和點載荷。

【模型信息】箱梁截面尺寸信息如下圖所示，混凝土節段取3m，混凝土強度等級為C60。熱膨脹系數取10^-5C^-1oi，比熱容取960J/(kg*C)，導熱系數取1.62W/(m*C)，導熱系數取1.62W/(m*C)。

圖2混凝土箱梁尺寸圖（單位：cm）

【瞬態熱傳導分析】設置瞬態熱分析步，設置分析步時長為24000（按照一天24h設置，使其具有一定的物理意義），同時修改每個增量最大可改變溫度為120℃，設置完成情況如下圖所示。

（a）分析步時長設置 （b）分析步增量設置

圖3瞬態熱分析步設置

分析步設置完成后，將場變量設置為每隔1h（即1000個時間步長）輸出一次結果。接著在load模塊根據計算或實驗數據對各表面（包括頂底板內外表面以及腹板）輸入不同熱流密度大小以及幅值曲線（此處僅為簡單示例）。

圖4不同表面的熱流密度幅值示意

同時在預定義場中為混凝土箱梁設置初始溫度25.5℃，如下圖所示。

圖5混凝土箱梁初始溫度設置

【輻射&散熱分析】在瞬態熱分析的步驟基礎上另存一個模型Model-2，右鍵點擊填寫模型關鍵字，為其中物理常數中的Stefan-Boltzmann常數和絕對零度設置相應值。

圖6 模型關鍵常數設置

在相互作用模塊中，定義熱沉溫度為22℃的表面散熱，幅值為Amp-7，表明在0時刻到達最大值1。

圖7 表面散熱設置示意圖

設置完散熱后，通過下圖方式建立輻射率為0.8，環境溫度為25.5℃的表面輻射，幅值曲線依然采用Amp-7。

圖8 表面輻射設置示意圖

【熱力順序耦合分析】另存新模型Model-3，設置靜力通用分析步，在場變量輸出中增加NT節點溫度輸出，在Load模塊將上述瞬態熱傳導分析和輻射&散熱分析的溫度場結果文件分別插值進預應力場中。

圖9 預應力場變量設置

【結果對比】將瞬態熱傳導分析和輻射&散熱分析的位移，應力云圖相關指標進行對比分析如下圖所示。

（a）僅熱傳導的熱力耦合結果云圖

（b）加上輻射&散熱的熱力耦合結果云圖

圖10 最大主應力和位移云圖對比

由上圖可以清楚地看到，僅熱傳導的熱力耦合結果中最大主應力為1.25Mpa，而考慮了輻射和散熱的熱力耦合結果中最大主應力為0.97Mpa；不僅僅是應力變化較大，僅熱傳導的熱力耦合結果中位移最大值為3.47mm，而考慮了輻射和散熱的熱力耦合結果中位移最大值僅為0.69mm。而且二者的應力和位移分布圖也有顯著差別。

接下來，我們提取熱傳導分析和輻射&換熱分析的下倒角某一點的溫度-時間曲線和應力-時間曲線進行對比分析。

圖11 節點溫度-時間曲線

圖12 節點mises應力-時間曲線

由上圖可知，僅進行熱傳導分析時無論是溫度場抑或是應力場，均會比加上輻射和散熱后的結果大，就實際情況而言，處于自然環境下的混凝土箱梁不僅會進行熱傳導，還會進行適當的散熱和輻射活動，因此在對箱梁進行溫度場和溫度效應分析時，輻射和散熱的作用不可忽略，僅設置熱流密度進行熱傳導無法模擬真實環境下的混凝土箱梁。

【注】本文進行熱力耦合分析的實體模型較為復雜，文中并未展示完全相關的技巧設置，例如熱流密度、換熱系數的設置等。針對不同表面所設置的熱流幅值都不盡相同，需要通過計算和經驗結合確定。

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