一种基于风浪流荷载组合的跨海桥梁动力响应计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于风浪流荷载组合的跨海桥梁动力响应计算方法，包括以下步骤：步骤1：分别建立风‑浪之间和风‑流之间的耦合关系；步骤2：确定不同重现期的风、浪、流参数，根据步骤1的耦合关系得到某一重现期下的风‑浪‑流组合；步骤3：确定风荷载点位坐标生成随机风场，得到风荷载；步骤4：确定波流荷载点位坐标生成随机波流场，得到波浪荷载和水流荷载；步骤5：根据步骤2得到的风‑浪‑流组合和步骤3、4得到的荷载，得到风‑浪‑流荷载组合T；步骤6：将步骤5得到的组合带入跨海桥梁即可得到桥梁的动力响应；本发明专利技术充分考虑了风‑浪‑流之间的耦合关系，更贴合实际情况，应用于工程设计可降低工程成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于风浪流荷载组合的跨海桥梁动力响应计算方法
本专利技术涉及一种跨海桥梁响应的计算方法，具体涉及基于风浪流荷载组合的跨海桥梁动力响应的计算方法。
技术介绍
目前，越来越多的跨海桥梁建设，如已建成的港珠澳大桥、舟山连岛大桥、杭州湾大桥，正在建设或规划的平潭海峡大桥、琼州海峡大桥等等；跨海桥梁所处海洋环境恶劣，往往遭受大风、急流、巨浪的影响，对桥梁设计、施工和运营都带来了巨大的挑战；目前我国并没有桥梁风-浪-流组合的相关规定，而且百年一遇的风-浪-流几乎不可能同时发生，传统的荷载组合方法会高估环境荷载，增加工程造价；一般跨海桥梁多为斜拉桥、悬索桥等大跨度桥梁，其整体刚度小，受环境荷载影响变形大，合理的确定风-浪-流荷载组合对其至关重要。风-浪-流荷载的组合方法主要包括两个方面：风浪流参数多重耦合方法和随机风浪流荷载的数值计算方法，例如专利公开号为CN107657117A“一种公铁两用桥梁车-桥-风浪流耦合振动分析方法”公开了一种桥梁-车辆-风浪流耦合振动分析方法，但是该方法并没有考虑风和浪之间的相关关系，导致结构的极限荷载效应偏离实际情况。
技术实现思路
本专利技术提供一种考虑风浪流之间的多重耦合作用，实用性强，可适用于不同海域的跨海桥梁的基于风浪流荷载组合的跨海桥梁响应计算方法。本专利技术采用的技术方案是：一种基于风浪流荷载组合的跨海桥梁响应计算方法，包括以下步骤：步骤1：分别建立风-浪之间和风-流之间的耦合关系；步骤2：确定不同重现期的风、浪、流参数，根据步骤1的耦合关系得到某一重现期下的风-浪-流组合；步骤3：确定风荷载点位坐标生成随机风场，得到风荷载；步骤4：确定波流荷载点位坐标生成随机波流场，得到波浪荷载和水流荷载；步骤5：根据步骤2得到的风-浪-流组合和步骤3、4得到的荷载，得到风-浪-流荷载组合T；步骤6：将步骤5得到的组合带入跨海桥梁即可得到桥梁的动力响应。进一步的，所述步骤1中通过耿贝尔逻辑模型联合分布函数FXY(x,y)建立风-浪之间的耦合关系：FXY(x,y)＝exp{-[(-lnF(x))m+(-lnF(y))m]1/m}式中：FX(x)为风的边缘概率分布，FY(y)为浪的边缘概率分布，x和y均为随机变量，m为；其中：式中：ax为随机变量x的耿贝尔分布的位置参数，bx为随机变量x的耿贝尔分布的尺度参数；ay为随机变量y的耿贝尔分布的位置参数，by均为随机变量y的耿贝尔分布的尺度参数。进一步的，所述步骤1中风-流之间的耦合关系建立如下：v＝vt+vu式中：v为平均流速，vt为风海流流速，vu为潮流可能最大流速；其中vu＝KU10，K为系数，U10为10分钟平均风速。进一步的，所述步骤3中的随机风场包括10分钟平均风速场和多点脉动风速场；其中多点脉动风速场互谱矩阵为S0(w)，通过谱解法得到各点的脉动风速：式中，为脉动风速的谱分量，n为模拟点位数；10分钟平均风速场的平均风速为U10。进一步的，所述步骤3中的风荷载包括静风力、抖振风和自激力；其中作用在单位长度主梁上的静风力包括空气阻力FH、升力FV和力矩FM；其中：FH＝0.5ρaU102CdHFV＝0.5ρaU102ClBFM＝0.5ρaU102CmB2式中：ρa为空气密度，Cd为主梁阻力系数，Cl为主梁升力系数，Cm为主梁力矩系数，H为主梁高度，B为主梁宽度。进一步的，所述步骤4中随机波流场包括稳定水流场和随机波浪场；随机波浪场通过线性波浪叠加法模拟，其水平流速u和加速度计算方法如下：式中，ai为第i点的波浪幅值，ki为第i点的波数，wi为第i点的波浪圆频率，εi为第i点的波浪随机相位；z为第i点的水深，t为第i点的计算时间，d为水深，i＝1,2，…m；m为随机波浪场计算点数；其中S(w)为功率谱函数，Δωi为频率间隔。进一步的，所述波浪荷载中水平波浪力p计算过程如下：式中：ρw为海水的密度，D为结构的直径，A为结构的断面面积，CD为海洋的阻力系数，CM为海洋的惯性力系数；水流荷载Fw计算过程如下：式中：vt为风海流流速，vu为潮流可能最大流速，Cw为水流阻力系数，ρ为水的密度。进一步的，所述步骤2中重现期T(x,y)与联合分布函数之间的关系如下：进一步的，所述步骤5中根据JCSS组合概率模型获取风-浪-流荷载的组合T；确定主要荷载，主要荷载设计基准期为Tz，其他参数荷载在设计基准期内等分为n段，每一时段为Ti：本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术充分考虑了风-浪-流之间的耦合关系，得到的组合T更贴合实际情况，避免在桥梁结构设计的时候出现极限荷载偏离实际情况的问题；(2)本专利技术方法简单，可直接有效的应用于工程设计，避免在设计过程中出现高估环境荷载的问题，减少了工程成本。附图说明图1为本专利技术方法流程示意图。图2为本专利技术风浪荷载作用点位示意图。图3为本专利技术中实施例得到的风浪联合分布等值线图。图4为本专利技术中实施例得到的随机风荷载验证图。图5为本专利技术中实施例得到的随机波浪荷载验证图。图6为本专利技术中实施例得到的单点风荷载时程图。图7为本专利技术中实施例得到的单桩波浪荷载时程图。图8为本专利技术中实施例得到的跨海桥梁跨中横向位移响应图。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，一种基于风浪流荷载组合的跨海桥梁动力响应计算方法，包括以下步骤：步骤1：分别建立风-浪之间和风-流之间的耦合关系；通过耿贝尔逻辑模型联合分布函数FXY(x,y)建立风-浪之间的耦合关系：FXY(x,y)＝exp{-[(-lnF(x))m+(-lnF(y))m]1/m}(1)式中：FX(x)为风的边缘概率分布，FY(y)为浪的边缘概率分布，x和y均为随机变量，m为；其中：式中：ax为随机变量x的耿贝尔分布的位置参数，bx为随机变量x的耿贝尔分布的尺度参数；ay为随机变量y的耿贝尔分布的位置参数，by均为随机变量y的耿贝尔分布的尺度参数。引入风海流的概念，建立风-流之间的耦合关系；平均流速为风海流流速和潮流可能最大流速的线性叠加：v＝vt+vu(2)式中：v为平均流速，vt为风海流流速，vu为潮流可能最大流速；其中vu＝KU10，K为系数，0.024≤K≤0.030，U10为10分钟平均风速。步骤2：确定不同重现期的风、浪、流参数，根据步骤1的耦合关系得到某一重现期下的风-浪-流组合；通过现有桥址区海洋预报资料或区域海洋气象材料，确定不同重现期的10分钟平均风速、有效波高和平均流速的组合；重现期与联合分布函数的关系如下：步骤3：确定风荷载点位坐标生成随机风场，得到风荷载；根据实际桥梁确定风荷载点位坐标，生成随机风场；随机风场由10分钟平均风速场和多点脉动风速场组成；10分钟平均风速场的风速为U10，多点脉动风速场互谱矩阵为S0(w)，通过谱解法得到各点的脉动风速：式中，为脉动风速的谱分量，n为模拟点位数。其中主梁风谱采用Kaimal谱，桥塔风谱采用Lumley-Panofsky谱。随机风荷载包括静风力、抖振力和自激力，作用在单位长度主梁上的静风力包括空气阻力FH、升力FV和力矩FM；其中：FH＝0.5ρaU102CdH(5)FV＝0.5ρaU102ClB(6)FM＝0.5ρaU102CmB2(7)式中：ρa为空气密度，Cd为主梁阻力系数，Cl为主梁升力系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于风浪流荷载组合的跨海桥梁动力响应计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：分别建立风‑浪之间和风‑流之间的耦合关系；步骤2：确定不同重现期的风、浪、流参数，根据步骤1的耦合关系得到某一重现期下的风‑浪‑流组合；步骤3：确定风荷载点位坐标生成随机风场，得到风荷载；步骤4：确定波流荷载点位坐标生成随机波流场，得到波浪荷载和水流荷载；步骤5：根据步骤2得到的风‑浪‑流组合和步骤3、4得到的荷载，得到风‑浪‑流荷载组合T；步骤6：将步骤5得到的组合带入跨海桥梁即可得到桥梁的动力响应。

【技术特征摘要】
1.一种基于风浪流荷载组合的跨海桥梁动力响应计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：分别建立风-浪之间和风-流之间的耦合关系；步骤2：确定不同重现期的风、浪、流参数，根据步骤1的耦合关系得到某一重现期下的风-浪-流组合；步骤3：确定风荷载点位坐标生成随机风场，得到风荷载；步骤4：确定波流荷载点位坐标生成随机波流场，得到波浪荷载和水流荷载；步骤5：根据步骤2得到的风-浪-流组合和步骤3、4得到的荷载，得到风-浪-流荷载组合T；步骤6：将步骤5得到的组合带入跨海桥梁即可得到桥梁的动力响应。2.根据权利要求1所述的一种基于风浪流荷载组合的跨海桥梁动力响应计算方法，其特征在于，所述步骤1中通过耿贝尔逻辑模型联合分布函数FXY(x,y)建立风-浪之间的耦合关系：FXY(x,y)＝exp{-[(-lnF(x))m+(-lnF(y))m]1/m}式中：FX(x)为风的边缘概率分布，FY(y)为浪的边缘概率分布，x和y均为随机变量，m为；其中：式中：ax为随机变量x的耿贝尔分布的位置参数，bx为随机变量x的耿贝尔分布的尺度参数；ay为随机变量y的耿贝尔分布的位置参数，by均为随机变量y的耿贝尔分布的尺度参数。3.根据权利要求1所述的一种基于风浪流荷载组合的跨海桥梁动力响应计算方法，其特征在于，所述步骤1中风-流之间的耦合关系建立如下：v＝vt+vu式中：v为平均流速，vt为风海流流速，vu为潮流可能最大流速；其中vu＝KU10，K为系数，U10为10分钟平均风速。4.根据权利要求1所述的一种基于风浪流荷载组合的跨海桥梁动力响应计算方法，其特征在于，所述步骤3中的随机风场包括10分钟平均风速场和多点脉动风速场；其中多点脉动风速场互谱矩阵为S0(w)，通过谱解法得到各点的脉动风速：式中，为脉动风速的谱分量，n为模拟点位数；10分钟平均风速场的平均风速为U10。5.根据...

【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