基于热融法的膜结构除雪研究

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近年来,因为屋盖积雪导致的膜结构倒塌事故层出不穷,造成了难以估计的经济及生命财产损失,倒塌的主要原因是在风力作用下屋盖表面积雪分布不均且传统的人工除雪很难适应轻柔的大跨空间结构屋盖,除雪人员无形中增加了屋面的荷载,除雪难度很大,而且膜结构对于雪荷载比较敏感,受雪荷载影响较大,但是目前关于屋面除雪方面的研究较少,因此有必要开展膜结构除雪研究。本文基于热融法开展对膜结构屋面融雪效果的研究,设计并完成了室外膜面融雪试验,探讨了不同因素对膜面融雪效果的影响,在此基础上,基于传热学理论使用有限元软件Abaqus进行数值模拟,通过与试验结果对比验证了数值模拟的准确性,在此基础上开展参数化分析系统研究不同因素对膜表面温度场的影响,最后将数值方法应用于两个实际工程(长春某收费站、大连某足球场)进行除雪方案的设计并针对性的给出了除雪建议,主要内容包括以下三个方面:(1)基于热融法的膜面融雪试验研究。通过试验研究发热电缆布置间距、输入功率、雪层厚度等因素对膜面融雪效果的影响。从试验材料、试验试件制作、试验场地、工况设计、试验设备、试验步骤等方面阐述了试验方案,并论述了处理试验数据涉及的技术方法,通过表面有雪率随时间的变化研究了不同因素对膜面融雪效果的影响,总结了试验过程中试件表面温度分布及电缆升温规律。(2)基于热融法的膜面融雪效果的数值模拟研究。首先分析了传热学基本概念及相应的能量方程,之后基于传热学理论使用Abaqus对膜表面温度场进行了数值模拟,将数值模拟结果与试验结果对比验证了数值模拟的准确性,最后基于试验涉及的影响因素并在此基础上进行参数的扩充,使用Abaqus研究这些因素对膜面融雪效果的影响。(3)热融法在膜结构除雪中的案例分析。选择了两个膜结构工程(长春某收费站、大连某足球场)进行除雪方案设计,对不同风向角下工程的积雪分布进行了数值模拟,得出其积雪分布系数,针对工程屋盖表面积雪分布特点提出不同的除雪方案并利用Abaqus模拟了表面温度场,探讨了不同方案的除雪效果,针对性的给出了除雪建议。
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