專利名稱：大跨度橋梁風(fēng)致災(zāi)變?nèi)^程的模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是一種考慮了各種風(fēng)振形式耦合作用的大跨度橋梁風(fēng)致災(zāi)變?nèi)^程的模擬方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)計(jì)水平的提高，21世紀(jì)的世界橋梁工程已經(jīng)進(jìn)入了跨海連島建設(shè)的新時(shí)期，現(xiàn)代橋梁不斷向著長大化方向發(fā)展。橋梁跨徑大幅度增長帶來的主要問題是結(jié)構(gòu)剛度的急劇下降，使得橋梁結(jié)構(gòu)對風(fēng)作用比較敏感，因此橋梁風(fēng)致響應(yīng)問題變得越來越重要。橋梁風(fēng)致災(zāi)變?nèi)^程模擬旨在用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型解決風(fēng)速從小到大的所有結(jié)構(gòu)風(fēng)振形式模擬問題，具體就是低風(fēng)速時(shí)的抖振、極限風(fēng)速時(shí)的靜風(fēng)失穩(wěn)和顫振。靜風(fēng)失穩(wěn)、顫振和抖振是同一事物的三個(gè)方面，它們是橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)中人為剝離出來的不同形態(tài)。在靜風(fēng)力、自激力 、抖振力甚至渦激力的共同作用下，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一般性的風(fēng)振響應(yīng)。靜風(fēng)失穩(wěn)和顫振是均勻流場中的特例，抖振是紊流場中的振動(dòng)響應(yīng)。傳統(tǒng)的風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算中，將靜風(fēng)失穩(wěn)、顫振和抖振單獨(dú)計(jì)算，忽略了它們之間的耦合作用，難以適應(yīng)超大跨度橋梁風(fēng)振分析的需要。傳統(tǒng)的抗風(fēng)理論中，將來流風(fēng)速分解為平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速，將氣動(dòng)力分解為靜風(fēng)荷載、抖振力和自激力三部分，然后疊加在橋梁結(jié)構(gòu)上。其中，靜風(fēng)荷載按常規(guī)靜力三分力系數(shù)計(jì)算；抖振力通常采用Scanlan的準(zhǔn)定常理論計(jì)算，并使用Davenport引入的氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)進(jìn)行修正；自激力通常采用Scanlan提出的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的線性表達(dá)式，并利用Lin提出的脈沖響應(yīng)函數(shù)方法將自激力進(jìn)行時(shí)域化表達(dá)。上述疊加氣動(dòng)力模型存在以下不足:在紊流風(fēng)作用下，主梁靜風(fēng)力、抖振力和自激力三項(xiàng)的效應(yīng)實(shí)際上是相互影響的，嚴(yán)格來說是不能截然分開再進(jìn)行疊加的。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:為克服傳統(tǒng)橋梁風(fēng)振計(jì)算方法的上述兩方面不足，本發(fā)明提供了一種同時(shí)考慮靜風(fēng)失穩(wěn)、隨機(jī)抖振和顫振發(fā)散之間相互耦合作用的橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致災(zāi)變的全過程模擬方法。發(fā)明內(nèi)容:本發(fā)明的大跨度橋梁風(fēng)致災(zāi)變?nèi)^程模擬方法包括以下步驟:第一步:建立橋梁有限元模型，確定橋梁結(jié)構(gòu)在恒載作用下的初始狀態(tài)；第二步:進(jìn)行無阻尼的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，提取其一階豎彎頻率fv(l和一階扭轉(zhuǎn)頻率
fto ；第三步:給定初始平均風(fēng)速U1和風(fēng)速增量Λ U ；第四步:設(shè)當(dāng)前平均風(fēng)速Ui，采用諧波合成法生成水平和垂直脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程；假定系統(tǒng)的豎彎振動(dòng)頻率fvi和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率fti分別為上級風(fēng)速下的豎彎振動(dòng)頻率fVg和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率ftH，當(dāng)i=l時(shí)即為橋梁結(jié)構(gòu)的一階豎彎頻率fv(l和一階扭轉(zhuǎn)頻率ft(l ；
第五步:根據(jù)初始風(fēng)攻角和各單元的扭轉(zhuǎn)變形均值計(jì)算各單元的有效攻角；然后根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速、試算振動(dòng)頻率和有效攻角二次插值計(jì)算各單元的顫振導(dǎo)數(shù)，即先在不同初始攻角下相應(yīng)的折減風(fēng)速處進(jìn)行第一次插值計(jì)算，而后根據(jù)實(shí)際的有效攻角進(jìn)行第二次插值計(jì)算；第六步:計(jì)算統(tǒng)一氣動(dòng)力荷載，進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，具體如下列公式表示:Fz (t) = D (t) cos ( α 0+ ψ) -L (t) sin ( α 0+ ψ) (I)
權(quán)利要求
1.大跨度橋梁風(fēng)致災(zāi)變?nèi)^程模擬方法，其特征在于它包括以下步驟: 第一步:建立橋梁有限元模型，確定橋梁結(jié)構(gòu)在恒載作用下的初始狀態(tài)； 第二步:進(jìn)行無阻尼的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，提取其一階豎彎頻率fv(l和一階扭轉(zhuǎn)頻率ft(l; 第三步:給定初始平均風(fēng)速U1和風(fēng)速增量AU ; 第四步:設(shè)當(dāng)前平均風(fēng)速仏，采用諧波合成法生成水平和垂直脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程；假定系統(tǒng)的豎彎振動(dòng)頻率fvi和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率fti分別為上級風(fēng)速下的豎彎振動(dòng)頻率fvH和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率fti_i，當(dāng)i=l時(shí)即為橋梁結(jié)構(gòu)的一階豎彎頻率fv(l和一階扭轉(zhuǎn)頻率ft(l ； 第五步:根據(jù)初始風(fēng)攻角和各單元的扭轉(zhuǎn)變形均值計(jì)算各單元的有效攻角；然后根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速、試算振動(dòng)頻率和有效攻角二次插值計(jì)算各單元的顫振導(dǎo)數(shù)，先在不同初始攻角下相應(yīng)的折減風(fēng)速處進(jìn)行第一次插值計(jì)算，而后根據(jù)實(shí)際的有效攻角進(jìn)行第二次插值計(jì)算； 第六步:計(jì)算統(tǒng)一氣動(dòng)力荷載，進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，具體如下列公式表示:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨度橋梁風(fēng)致災(zāi)變?nèi)^程模擬方法，其特征在于第六步進(jìn)一步包括:對豎彎和扭轉(zhuǎn)位移響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析，確定豎彎振動(dòng)卓越頻率fv和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)卓越頻率ft，并將fv和ft與試算值fvi和fti分別進(jìn)行比較， 如果I (fv-fvi)/fvi|〈0.05且I (ft-fti)/fti|〈0.05，說明頻率迭代收斂；根據(jù)位移響應(yīng)判斷是否出現(xiàn)了顫振發(fā)散，隨著風(fēng)速的增長，如果振動(dòng)形式逐漸從隨機(jī)振動(dòng)過渡到諧波發(fā)散振動(dòng)，振幅逐漸增大，相應(yīng)振動(dòng)的阻尼將逐漸減小到O時(shí)就是顫振；如果出現(xiàn)了顫振發(fā)散，則結(jié)束計(jì)算；否則，增加風(fēng)速，進(jìn)入第四步； 如果I (fv-fvi)/fvi|>0.05或I (ft-fti)/fti|>0.05，則計(jì)算各單元的扭轉(zhuǎn)變形均值，并令fvi=fv, fti=ft，重復(fù)第五步和第六步。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種大跨度橋梁風(fēng)致災(zāi)變?nèi)^程模擬方法，該方法將三分力系數(shù)、有效瞬時(shí)風(fēng)攻角和相對風(fēng)速統(tǒng)一作用在主梁的氣動(dòng)力上，然后對其中的自激力成分進(jìn)行非定常修正；將氣動(dòng)力荷載施加到有限元模型上進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程計(jì)算，并在各級風(fēng)速下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)基頻和豎彎基頻的迭代；根據(jù)位移響應(yīng)，判斷橋梁結(jié)構(gòu)在某級風(fēng)速下的穩(wěn)定狀態(tài)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了靜風(fēng)失穩(wěn)、抖振和顫振的統(tǒng)一計(jì)算，克服了傳統(tǒng)風(fēng)振計(jì)算中單獨(dú)計(jì)算的不足，提高了橋梁風(fēng)振計(jì)算的精度。
文檔編號G06F17/50GK103218481SQ20131010053
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者張文明 申請人:東南大學(xué)