[发明专利]大跨度桥梁风致灾变全过程的模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于桥梁抗风设计领域，尤其是一种考虑了各种风振形式耦合作用的大跨度桥梁风致灾变全过程的模拟方法。

背景技术

随着科学技术的进步和设计水平的提高，21世纪的世界桥梁工程已经进入了跨海连岛建设的新时期，现代桥梁不断向着长大化方向发展。桥梁跨径大幅度增长带来的主要问题是结构刚度的急剧下降，使得桥梁结构对风作用比较敏感，因此桥梁风致响应问题变得越来越重要。

桥梁风致灾变全过程模拟旨在用一个统一的数学模型解决风速从小到大的所有结构风振形式模拟问题，具体就是低风速时的抖振、极限风速时的静风失稳和颤振。静风失稳、颤振和抖振是同一事物的三个方面，它们是桥梁结构风振响应中人为剥离出来的不同形态。在静风力、自激力、抖振力甚至涡激力的共同作用下，桥梁结构产生一般性的风振响应。静风失稳和颤振是均匀流场中的特例，抖振是紊流场中的振动响应。传统的风致响应计算中，将静风失稳、颤振和抖振单独计算，忽略了它们之间的耦合作用，难以适应超大跨度桥梁风振分析的需要。

传统的抗风理论中，将来流风速分解为平均风速和脉动风速，将气动力分解为静风荷载、抖振力和自激力三部分，然后叠加在桥梁结构上。其中，静风荷载按常规静力三分力系数计算；抖振力通常采用Scanlan的准定常理论计算,并使用Davenport引入的气动导纳函数进行修正；自激力通常采用Scanlan提出的气动导数的线性表达式，并利用Lin提出的脉冲响应函数方法将自激力进行时域化表达。上述叠加气动力模型存在以下不足：在紊流风作用下，主梁静风力、抖振力和自激力三项的效应实际上是相互影响的，严格来说是不能截然分开再进行叠加的。

发明内容

发明目的：为克服传统桥梁风振计算方法的上述两方面不足，本发明提供了一种同时考虑静风失稳、随机抖振和颤振发散之间相互耦合作用的桥梁结构风致灾变的全过程模拟方法。

发明内容：本发明的大跨度桥梁风致灾变全过程模拟方法包括以下步骤：

第一步：建立桥梁有限元模型，确定桥梁结构在恒载作用下的初始状态；

第二步：进行无阻尼的结构模态分析，提取其一阶竖弯频率f_v0和一阶扭转频率f_t0；

第三步：给定初始平均风速U₁和风速增量ΔU；

第四步：设当前平均风速U_i，采用谐波合成法生成水平和垂直脉动风时程；假定系统的竖弯振动频率f_vi和扭转振动频率f_ti分别为上级风速下的竖弯振动频率f_vi-1和扭转振动频率f_ti-1，当i=1时即为桥梁结构的一阶竖弯频率f_v0和一阶扭转频率f_t0；

第五步：根据初始风攻角和各单元的扭转变形均值计算各单元的有效攻角；然后根据当前风速、试算振动频率和有效攻角二次插值计算各单元的颤振导数，即先在不同初始攻角下相应的折减风速处进行第一次插值计算，而后根据实际的有效攻角进行第二次插值计算；

第六步：计算统一气动力荷载，进行动力时程分析，具体如下列公式表示：

F_z(t)＝D(t)cos(α₀+ψ)-L(t)sin(α₀+ψ)    (1)