پایش رفتار دمای جهانی و تجزیه و تحلیل یک پل کابلی سه برج

دمای متغیر بار اصلی پل های کابلی با دهانه طولانی است. پل ها نیز تحت بارهای دیگری مانند باد قرار دارند. اقدامات دما باید از هم جدا شوند تا امکان ارزیابی فردی سایر بارها فراهم شود. علاوه بر این، دمای متغیر ممکن است تأثیر قابل توجهی بر پاسخ های ساختاری داشته باشد و بنابراین باید برای تشخیص مطمئن تغییرات ساختاری در نظر گرفته شود [1]، [2]، [3]. برای مثال، Li و Ou [4] اثرات بار را بر روی یک پل کابلی دهانه 648 متری مقایسه کردند و به این نتیجه رسیدند که کرنش ناشی از دما بر کرنش کلی پل غالب است.

اگرچه رفتارهای حرارتی پل ها به طور گسترده از طریق پایش میدانی و تحلیل های عددی مورد بررسی قرار گرفته است، اکثر مطالعات بر روی تحلیل رگرسیونی از رابطه بین دما و پاسخ پل تمرکز دارند [5، [6]، [7]، [8]، [9]، [10]، [11]. به عنوان مثال، همبستگی بین دمای هوا و جابجایی ساختاری یک پل کابلی برج دوقلو از داده‌های نظارت پس‌رفته شد [8]. دو برج با افزایش دما با ضرایب همبستگی 0.89 و -0.92 از یکدیگر جدا شدند. الگوی مشابهی نیز در طول موثر خارجی ترین کابل ها مشاهده شد. از سوی دیگر، تومه و همکاران.[12] تجزیه و تحلیل انتقال حرارت المان محدود 2 بعدی (FE) را انجام داد و دماهای استخراج شده را به یک مدل سه بعدی ساده شده به عنوان بارهای حرارتی با فرض توزیع دمای ثابت در جهت طولی وارد کرد. آنها نشان دادند که مولفه دمای یکنواخت مسئول حدود 90 درصد از پاسخ های ساختاری است. مطالعات نظری نیز برای تجزیه و تحلیل تغییر شکل‌های پل کابلی ناشی از دما با دماهای ساختاری فرضی و ساده شده انجام شده است [13]، [14]، [15].

با این حال، مطالعات کمی در مورد رفتار دمایی پل های کابلی با دهانه طولانی به دلیل چندین چالش محدود است. اول، پل های کابلی شامل کابل های متعددی هستند و عدم قطعیت استاتیکی مرتبه بالایی را نشان می دهند. تغییرات دمای غیر یکنواخت در عرشه، برج ها و کابل ها باعث ایجاد اثرات پیچیده بر روی پل می شود. به عنوان مثال، افزایش دمای متوسط ​​تیرچه باعث می شود که فاصله میانی تیر به سمت بالا حرکت کند، در حالی که افزایش دمای کابل های نگهدارنده اثر معکوس دارد [13]، [14]، [15]. دوم، سنسورهای محدود و ناکافی نمی توانند دمای کل پل و نامطلوب ترین اثر دما را به دست آورند. در نتیجه، تجزیه و تحلیل همبستگی بین دما و پاسخ های پل اندازه گیری شده در نقاط محدود نمی تواند رابطه واقعی بین پاسخ های ساختاری و دما را نشان دهد. در این مورد، ممکن است به یک تحلیل عددی نیاز باشد زیرا می‌تواند دما و پاسخ‌های دقیق همه اجزای پل را ارائه دهد.

با این حال، انتقال حرارت عددی و تجزیه و تحلیل ساختاری به طور جداگانه در عمل انجام می شود. یعنی تجزیه و تحلیل انتقال حرارت بر روی عرشه/برج با یک مدل دو بعدی (2D) یا سه بعدی محلی (3D) با نادیده گرفتن تغییرات دما در جهت طولی جزء انجام می شود [12]، [16]. ]. توزیع دمای اجزاء متعاقباً از تجزیه و تحلیل انتقال حرارت گذرا محلی به‌دست می‌آید و سپس مونتاژ و وارد یک مدل FE جهانی کل پل می‌شود تا پاسخ‌های ناشی از دما از طریق تحلیل ساختاری محاسبه شود. این فرآیند نیاز به مداخله دستی قابل توجهی دارد و از نظر محاسباتی ناکارآمد است. علاوه بر این، سطح مقطع اجزای پل ممکن است در امتداد جهت طولی غیریکنواخت باشد، به ویژه آنهایی که نزدیک به تقاطع برج و تیرها هستند. مدل های 2 بعدی/3 بعدی ساده شده در شبیه سازی توزیع دمای واقعی کل پل شکست خورده اند [17]. علاوه بر این، دمای کابل‌های ثابت معمولاً در اکثر پل‌های کابلی در دسترس نیست و بنابراین از مقادیر طراحی یا تخمین زده شده در تحلیل استفاده می‌شود [18]، [19]. در نتیجه، پاسخ های پل ناشی از دما محاسبه شده نادرست هستند. مدل‌های سه‌بعدی کامل نیز برای تحلیل‌های ساختاری و انتقال حرارت ساخته شده‌اند، اما به پل‌های کوچک یا اجزای پل محدود می‌شوند [17]، [20]، [21]. انتقال حرارت کامل FE و تجزیه و تحلیل ساختاری پل های کابلی با دهانه طولانی محدود است. [19]. در نتیجه، پاسخ های پل ناشی از دما محاسبه شده نادرست هستند. مدل‌های سه‌بعدی کامل نیز برای تحلیل‌های ساختاری و انتقال حرارت ساخته شده‌اند، اما به پل‌های کوچک یا اجزای پل محدود می‌شوند [17]، [20]، [21]. انتقال حرارت کامل FE و تجزیه و تحلیل ساختاری پل های کابلی با دهانه طولانی محدود است. [19]. در نتیجه، پاسخ های پل ناشی از دما محاسبه شده نادرست هستند. مدل‌های سه‌بعدی کامل نیز برای تحلیل‌های ساختاری و انتقال حرارت ساخته شده‌اند، اما به پل‌های کوچک یا اجزای پل محدود می‌شوند [17]، [20]، [21]. انتقال حرارت کامل FE و تجزیه و تحلیل ساختاری پل های کابلی با دهانه طولانی محدود است.

این مطالعه با ایجاد یک چارچوب دقیق و یکپارچه برای درک کمی رفتار دمایی پل‌های کابلی به مشکلات ذکر شده در بالا می‌پردازد. یک مدل FE جهانی سه بعدی از کل پل ساخته شده است. شرایط محیطی اندازه گیری شده شرایط مرزی حرارتی را برای تجزیه و تحلیل انتقال حرارت جهانی فراهم می کند. دماهای محاسبه‌شده کل پل، تأیید شده توسط داده‌های نظارت میدانی، سپس به همان مدل FE برای تحلیل ساختاری پس از تبدیل عناصر حرارتی به عناصر مکانیکی اعمال می‌شوند. در نهایت، پاسخ‌های ساختاری ناشی از دما توسط همتایان اندازه‌گیری شده تأیید می‌شوند.

پل جیانگهای، پل یک کانال ناوبری پل هنگ کنگ-ژوهای-ماکائو، به عنوان بستر آزمایش استفاده می شود. این پل از چند جهت بی نظیر است. این سه برج در جهت عرضی متقارن نیستند زیرا هر یک از آنها از یک برج اصلی مستقیم، یک برج طاق کمکی و یک برج طاق تزئینی تشکیل شده است. تقاطع برج-تیر پیچیده است زیرا برج ها تیر جعبه یکپارچه را به دو جعبه جداگانه تقسیم می کنند. علاوه بر این، این پل در منطقه گرمسیری واقع شده است. شرایط مرزی محیطی پیچیده است زیرا تابش خورشیدی دریافت شده توسط سطوح مختلف پل به طور قابل توجهی در روز یا فصلی متفاوت است.

ساختار این مقاله به شرح زیر است: پل جیانگهای و سیستم نظارت بر سلامت سازه آن (SHM) به طور خلاصه در بخش 2 معرفی شده است. نتایج تجزیه و تحلیل انتقال حرارت گذرا و نتایج تحلیل ساختاری به ترتیب در 4 تجزیه و تحلیل دما از پل جیانگهای، 5 پاسخ ساختاری ناشی از دما ارائه شده‌اند. در نهایت، نتیجه گیری در بخش 6 آورده شده است.