[发明专利]一种大跨桥梁结构风-浪耦合设计荷载效应确定方法

摘要

本发明提供了一种大跨桥梁结构风-浪耦合设计荷载效应确定方法，该方法是一种改进的荷载效应法，用结构动力荷载效应极值的一维分布代替风、浪环境要素极值的二维联合分布，进而通过结构的10min动力荷载效应极值超越概率分布规律估计给定重现期条件下的设计极限荷载效应。该方法综合运用了有限元模拟技术、Monte Carlo数值模拟、阈值法(POT)、广义帕累托分布(GPD)以及贝叶斯公式，所得设计极限荷载效应针对结构的关键截面，考虑了结构的动力特性，更加符合真实情况，使结构的风-浪耦合设计更加可靠。

主权项

一种大跨桥梁结构风‑浪耦合设计荷载效应确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：第一步：根据年极值风速U10和有效波高Hs的观测值序列，分别统计二者的分布函数，其中U10、Hs均服从Gumbel分布：F(u)=exp[-exp(-u-μuσu)]]]>F(h)=exp[-exp(-h-μhσh)]]]>式中u、h分别为表征U10和Hs的随机变量，F(u)和F(h)分别为U10和Hs的分布函数，μu、μh为位置参数，σu、σh为尺度参数，根据U10和Hs的分布规律确定脉动风速和随机波浪的同步模拟点(U10,i，Hs,i),(i＝1,…,n)，n为模拟点数；第二步：选取适当的Copula函数建立U10和Hs的联合概率密度函数第三步：以Ochi脉动风速谱和JONSWAP波浪频谱为目标谱，在模拟点(U10,i，Hs,i)处进行k次脉动风速和随机波浪同步模拟，每次模拟时长均为10min，将风速时程和由同步随机波浪模拟得到的波面时程转换为大跨桥梁结构的荷载时程；第四步：建立大跨桥梁结构有限元模型，并完成动力有限元计算，确定结构设计的关键截面；第五步：从大跨桥梁结构动力有限元计算结果中提取出关键截面处的动力荷载效应时程M10min(t)，确定荷载效应极值的统计阈值q，采用阈值法(POT)提取极值序列，利用广义帕累托分布(GPD)建立关键截面在该模拟点处的10min动力荷载效应极值分布函数m10min为10min动力荷载效应极值随机变量，此时风、浪环境要素极值的二维联合分布转变为结构动力荷载效应极值的一维分布；第六步：重复第三步～第五步，直至完成全部n个模拟点处的统计分析；第七步：利用贝叶斯公式建立结构10min动力荷载效应极值的超越概率分布函数Pr(m10min＞m)：Pr(m10min>m)=∫∫U10,Hs[1-FM|U10,Hs(m10min)]fU10,Hs(u,h)dudh]]>式中m为10min设计极限荷载效应；第八步：建立大跨桥梁结构关键截面年设计极限荷载效应超越概率分布函数Pr(myear＞mR)与Pr(m10min＞m)的关系，此时取m＝mR：Pr(myear＞mR)＝365×24×6×Pr(m10min＞mR)＝1/RPr(m10min＞mR)＝1.90×10‑5/R式中myear为年荷载效应极值随机变量，R为重现期，mR为该重现期条件下关键截面的设计极限荷载效应，因此，在分布曲线Pr(m10min＞m)上，超越概率为1.90×10‑5/R的动力荷载效应即为具有R年重现期的设计极限荷载效应mR。