专利名称：大跨度桥梁风致灾变全过程的模拟方法
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fv(l和一阶扭转频率
fto ；第三步:给定初始平均风速U1和风速增量Λ U ；第四步:设当前平均风速Ui，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fvi和扭转振动频率fti分别为上级风速下的竖弯振动频率fVg和扭转振动频率ftH，当i=l时即为桥梁结构的一阶竖弯频率fv(l和一阶扭转频率ft(l ；
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:Fz (t) = D (t) cos ( α 0+ ψ) -L (t) sin ( α 0+ ψ) (I)
权利要求
1.大跨度桥梁风致灾变全过程模拟方法，其特征在于它包括以下步骤: 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fv(l和一阶扭转频率ft(l; 第三步:给定初始平均风速U1和风速增量AU ; 第四步:设当前平均风速仏，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fvi和扭转振动频率fti分别为上级风速下的竖弯振动频率fvH和扭转振动频率fti_i，当i=l时即为桥梁结构的一阶竖弯频率fv(l和一阶扭转频率ft(l ； 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，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:
2.根据权利要求1所述的大跨度桥梁风致灾变全过程模拟方法，其特征在于第六步进一步包括:对竖弯和扭转位移响应进行频谱分析，确定竖弯振动卓越频率fv和扭转振动卓越频率ft，并将fv和ft与试算值fvi和fti分别进行比较， 如果I (fv-fvi)/fvi|〈0.05且I (ft-fti)/fti|〈0.05，说明频率迭代收敛；根据位移响应判断是否出现了颤振发散，随着风速的增长，如果振动形式逐渐从随机振动过渡到谐波发散振动，振幅逐渐增大，相应振动的阻尼将逐渐减小到O时就是颤振；如果出现了颤振发散，则结束计算；否则，增加风速，进入第四步； 如果I (fv-fvi)/fvi|>0.05或I (ft-fti)/fti|>0.05，则计算各单元的扭转变形均值，并令fvi=fv, fti=ft，重复第五步和第六步。
全文摘要
本发明提供了一种大跨度桥梁风致灾变全过程模拟方法，该方法将三分力系数、有效瞬时风攻角和相对风速统一作用在主梁的气动力上，然后对其中的自激力成分进行非定常修正；将气动力荷载施加到有限元模型上进行动力时程计算，并在各级风速下进行扭转基频和竖弯基频的迭代；根据位移响应，判断桥梁结构在某级风速下的稳定状态。本发明实现了静风失稳、抖振和颤振的统一计算，克服了传统风振计算中单独计算的不足，提高了桥梁风振计算的精度。
文档编号G06F17/50GK103218481SQ20131010053
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者张文明 申请人:东南大学