一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法，包括以下步骤：步骤1：建立风速和波高的边缘概率分布函数；步骤2：建立风速和波高的联合分布模型，确定不同重现期的风浪组合；步骤3：建立有限元模型，确定风荷载和波浪荷载的加载位置；步骤4：生成脉动风场计算桥塔静风阻力和抖振阻力；生成随机波浪场，计算桩基和承台的波浪荷载；步骤5：加载到有限元模型中，求解结构的动力响应；步骤6：重复步骤4、5求解风浪组合下的结构动力响应，得到结构极端响应等值线图；步骤7：进行结构的优化设计；本发明专利技术考虑了风浪之间的相关性，提高了风浪预测的准确性，并且计算精度高、用于桥梁的设计优化符合实际情况，减少工程造价。

Structural optimization method of sea-crossing bridge based on extreme response of wind-wave joint distribution

The invention discloses an optimization method of cross-sea bridge structure based on extreme response of wind-wave joint distribution, which includes the following steps: step 1: establishing the probability distribution function of wind speed and wave height at the edge; step 2: establishing the joint distribution model of wind speed and wave height to determine the combination of wind and wave at different recurrence periods; step 3: establishing the finite element model to determine the loading location of wind and wave loads. Step 4: Generate fluctuating wind field to calculate static wind resistance and buffeting resistance of bridge tower; Generate random wave field to calculate wave load of pile foundation and abutment; Step 5: Load into finite element model to solve dynamic response of structure; Step 6: Repeat steps 4 and 5 to solve structural dynamic response under wind wave combination to obtain structural extreme response contour map; Step 7: Optimize the structure. The invention considers the correlation between wind and wave, improves the accuracy of wind and wave prediction, and has high calculation accuracy, conforms to the actual situation for bridge design optimization, and reduces engineering cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法
本专利技术涉及桥梁结构设计优化
，具体涉及一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法。
技术介绍
目前我国正处在一个跨海桥梁建设的高峰期，越来越多的跨海桥梁连接着大陆和岛屿，为两岸经济发展和交通运输做出了重要的贡献；桥塔-承台-桩基组合结构是一种跨海桥梁主塔常用的结构形式；现已成功应有在港珠澳大桥、平潭海峡大桥等跨海桥梁的建设中，该组合结构是跨海桥梁的重要组成部分；随着桥梁不断向深海延伸，其所受到的风浪荷载也越来越大；例如(胡勇.跨海桥梁基础波浪(流)力计算问题探讨[J],水道港口,2012年04期)通过收集国内外多座已经建设或在建的跨海桥梁的资料，对跨海桥梁基础波浪力计算中的关键技术问题进行了探讨，认为波浪荷载已经成为桥梁基础设计的控制荷载；但是跨海桥梁的主塔较高，高度可达200～300m，受风荷载影响显著；目前国内外对该组合结构的研究主要集中在单风或者单浪的情况，鲜有对风浪联合进行考虑，导致设计不能达到最优。
技术实现思路
本专利技术提供一种解决桥址区风浪联合影响的基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法。本专利技术采用的技术方案是：一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法，包括以下步骤：步骤1：建立风速和波高的边缘概率分布函数；步骤2：建立风速和波高的联合分布模型，确定不同重现期的风浪组合；步骤3：建立跨海桥桥塔-承台-桩基组合结构的有限元模型，确定风荷载和波浪荷载的加载位置；步骤4：通过谱解法生成脉动风场计算桥塔静风阻力和抖振阻力；通过谐波合成法生成随机波浪场，计算桩基和承台的波浪荷载；步骤5：将步骤4计算得到的风浪荷载加载到步骤3建立的有限元模型中，求解结构的动力响应；步骤6：重复步骤4和步骤5求解步骤2得到的所有风浪组合下的结构动力响应，从而得到结构极端响应等值线图；步骤7：根据步骤6得到的结构极端响应等值线图进行跨海桥结构的优化设计。进一步的，所述步骤1中建立多种边缘概率分布函数，通过最大似然值选择需要的函数。进一步的，所述步骤2中根据copula函数和步骤1中的边缘概率分布函数，建立风速和波高的联合分布模型。进一步的，所述步骤4中桥塔静风阻力为：：桥塔抖振阻力为：式中：ρ为空气密度，U为平均风速，b为桥塔宽度，h为桥塔长度，Cd为空气阻力系数，v(t)为脉动风速，t为时间。进一步的，所述步骤4中随机波浪场为P-M谱，桩基的波浪荷载Fpile为：承台的波浪荷载Fcap为：式中：ρw为水的密度，CD为海洋阻力系数，D为结构直径，u为水质点的速度，CM为海洋的惯性力系数，为水质点的加速度，H为波高，k为波数，γ为水的重度，z为计算点至水底的高度，d为水深，w为线性波圆频率，fA为绕射系数。进一步的，所述步骤1中建立四种边缘概率分布函数，分别为Gumbel、Weibull、Gamma和Lognormal函数。进一步的，所述步骤2中建立四种copula模型，分别为Gumbelcopula、Claytoncopula、Gaussiancopula和Frankcopula；通过AIC准则评价上述四种模型，确定最优分布模型。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术考虑风浪之间的相关性，提高了风浪预测的准确性，(2)本专利技术通过谱解法、谐波合成法、有限元计算组合结构的极端响应并绘制等值线图，计算精度高；(3)本专利技术的计算结果可以用于海洋桥梁的设计阶段，既可以为估计桥位区不同重现期下的风浪荷载提供重要的参考，也可有效的估计出跨海桥梁的极端响应，进而指导结构选型、选材。(4)本专利技术所计算出的风浪荷载及结构响应更符合实际情况，改进了现存方法的计算结果偏于保守的缺点，可以减小工程造价，节约经济成本。附图说明图1为本专利技术流程结构示意图。图2为本专利技术实施例中构建得到的有限元模型。图3为本专利技术实施例中脉动风场模拟示意图。图4为本专利技术实施例中随机波浪场模拟示意图。图5为本实施例中组合结构塔顶位移极端响应等值线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。如图1所示，一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法，包括以下步骤：步骤1：建立风速和波高的边缘概率分布函数；收集桥址区气象水文资料或海洋预报站资料，建立四种常见的边缘分布概率模型，可以建立Gumbel、Weibull、Gamma和Lognormal分布；通过最大似然值选择最优模型，极大似然值越小，说明模型越符合要求；其中耿贝尔分布Gumbel如下：其中，μ、σ为Gumbel分布的估计参数；威布尔Weibull分布如下：其中：k、λ为Weibull分布的估计参数；伽玛Gamma分布如下：其中：a、b为Gamma分布的估计参数；对数正态分布Lognormal如下：其中：α、β为Lognormal分布的估计参数。在本实施例选择的区域，对于平均风速来说，Gamma分布为最优分布，a为28.30，b为0.51；对于有效波高来说，Weibull分布为最优分布，k为2.47，λ为2.06。步骤2：建立风速和波高的联合分布模型，确定不同重现期的风浪组合；根据copula函数(是一类将联合分布函数与它们各自的边缘分布函数连接在一起的函数)，建立平均风速和有效波高的联合分布模型；选取四种典型的copula模型，即Gumbelcopula、Claytoncopula、Gaussiancopula和Frankcopula；通过AIC准则评价适用于风浪联合分布的最优联合分布模型，确定不同重现期的风浪组合。Gumbelcopula、Claytoncopula和Frankcopula为阿基米德族copula函数；Gaussiancopula为高斯copula函数。Gumbelcopula函数表示形式为：CGumbel(u,v)＝exp{-[(-lnu)θ+(-lnv)θ]1/θ}Claytoncopula函数表示形式为：CClayton(u,v)＝(u-θ+v-θ-1)-1/θGaussiancopula函数表示形式为：Frankcopula函数表示形式为：式中，θ为相关系参数，u，v分别为风浪边缘概率分布。通过AIC准则(即Akaikeinformationcriterion，是衡量统计模型拟合优良性的一种标准)选择最优模型，AIC值越小则模型越优。在本实施例选择区域，对于平均风速和有效波高的联合分布，Gumbelcopula模型为最优模型，相关系数θ为1.4624。步骤3：建立跨海桥桥塔-承台-桩基组合结构的有限元模型，确定风荷载和波浪荷载的加载位置；建立的模型如图2所示，图中框框为确定的风荷载和波浪荷载的加载位置。步骤4：通过谱解法生成脉动风场计算桥塔静风阻力和抖振阻力；通过谐波合成法生成随机波浪场，计算桩基和承台的波浪荷载；通过谱解法生成脉动风场，功率谱采用我国《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-01-2004)建议的风速谱密度函数；空间相关性采用Davenport相干函数，进而计算脉动风荷载；由于桥塔为钝体截面，风荷载可简化为静风力和抖振力；以阻力为例：桥塔静风阻力为：：桥塔抖振阻力为：式中：ρ为空气密度，U为平均风速，b为桥塔宽度，h为桥塔长度，Cd为空气阻力系数，v(t)为脉动风速，t为时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立风速和波高的边缘概率分布函数；步骤2：建立风速和波高的联合分布模型，确定不同重现期的风浪组合；步骤3：建立跨海桥桥塔‑承台‑桩基组合结构的有限元模型，确定风荷载和波浪荷载的加载位置；步骤4：通过谱解法生成脉动风场计算桥塔静风阻力和抖振阻力；通过谐波合成法生成随机波浪场，计算桩基和承台的波浪荷载；步骤5：将步骤4计算得到的风浪荷载加载到步骤3建立的有限元模型中，求解结构的动力响应；步骤6：重复步骤4和步骤5求解步骤2得到的所有风浪组合下的结构动力响应，从而得到结构极端响应等值线图；步骤7：根据步骤6得到的结构极端响应等值线图进行跨海桥结构的优化设计。

【技术特征摘要】
1.一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立风速和波高的边缘概率分布函数；步骤2：建立风速和波高的联合分布模型，确定不同重现期的风浪组合；步骤3：建立跨海桥桥塔-承台-桩基组合结构的有限元模型，确定风荷载和波浪荷载的加载位置；步骤4：通过谱解法生成脉动风场计算桥塔静风阻力和抖振阻力；通过谐波合成法生成随机波浪场，计算桩基和承台的波浪荷载；步骤5：将步骤4计算得到的风浪荷载加载到步骤3建立的有限元模型中，求解结构的动力响应；步骤6：重复步骤4和步骤5求解步骤2得到的所有风浪组合下的结构动力响应，从而得到结构极端响应等值线图；步骤7：根据步骤6得到的结构极端响应等值线图进行跨海桥结构的优化设计。2.根据权利要求1所述的一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法，其特征在于，所述步骤1中建立多种边缘概率分布函数，通过最大似然值选择需要的函数。3.根据权利要求1所述的一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方法，其特征在于，所述步骤2中根据copula函数和步骤1中的边缘概率分布函数，建立风速和波高的联合分布模型。4.根据权利要求1所述的一种基于风浪联合分布极端响应的跨海桥结构优化方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永乐，房忱，唐浩俊，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51