一种桥塔尾流区吊索风致振动数值预测方法技术

本发明专利技术提出了一种桥塔尾流区吊索风致振动数值预测方法，属于大型建筑结构风致振动领域，方法是通过一种非线性吊索结构控制方程，结合吊索在桥塔尾流区内所受气动力，通过偏微分方程数值求解，对吊索风振特性进行预测。本发明专利技术采用了全新的非线性吊索结构模型，考虑了大变形下吊索形变产生动态张力进而产生的非线性行为；其预测结果准确可靠，幅值、频率、轨迹、模态等均与试验和实桥观测结果吻合较好；本发明专利技术具有计算过程占用计算资源少，数值精度高的优点；易于在实际桥梁工程中应用。易于在实际桥梁工程中应用。易于在实际桥梁工程中应用。

【技术实现步骤摘要】
一种桥塔尾流区吊索风致振动数值预测方法


[0001]本专利技术属于大型建筑结构风致振动领域，具体涉及一种桥塔尾流区吊索风致振动数值预测方法。

技术介绍

[0002]悬索桥是目前跨越能力最强的缆索承重体系桥梁结构，直接承受竖向荷载的主梁通过吊索悬吊在主缆上，因此吊索是悬索桥重要的结构构件。与斜拉桥斜拉索类似，悬索桥吊索同样具有柔性大和阻尼小的特点。区别在于，斜拉索越靠近跨中，其长度越大；而吊索则是越靠近桥塔则长度越大。悬索桥桥塔附近的吊索长度可达180m以上，因此对风荷载更加敏感，也更容易发生大幅度风致振动。
[0003]对大跨度悬索桥现场观察结果表明，桥塔影响区域内的流场特征非常复杂。吊索处于该复杂绕流场内，因此其振动形式也十分复杂。大跨度悬索桥桥塔绕流场内吊索的风致振动具有幅值大、频率低、多阶模态耦合、面内面外耦合等特点。目前，该振动已经成为吊索最突出的动力响应之一。因此，研究桥塔影响区内吊索振动，发展相应的分析及控制方法具有重要的科学意义和工程应用价值。然而，对于该类型的吊索风致振动的研究还较少，无法对吊索风振特性进行有效预测。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种桥塔尾流区吊索风致振动数值预测方法，其特征在于，方法步骤如下：(一)、吊索振动控制方程如下：在三维笛卡尔坐标系中，取z高度处吊索结构微元，在平衡位置(0,0,z)处微元长度dz，吊索在水平面内运动，运动到(u,v,z)处时微元发生形变，长度ds，微元ds两端受张拉力(T+τ)，其中T为吊索索力，τ为吊索形变引起的弹性力，满足胡克定律，即：其中E为吊索弹性模量，A为吊索横截面积，γ表示为：结构刚度由张拉力在水平面内的分量提供，则运动微分方程为：其中f
x
和f
y
为X方向与Y方向上作用于单位长度吊索的外荷载，c为结构的阻尼系数，由几何关系，微元变形前后满足：ds2＝du2+dv2+dz2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)偏微分算子有：将式(3)第一项展开求偏导，得出：其中：令：对于索力T，由于微元水平面内运动假设，满足：T＝T0+ρg
·
z
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)其中T0为吊索底端荷载力，g为重力加速度，
将式(1)、(7)、(8)与(9)代入(6)，对于X方向得出：方程在X与Y方向上具有对称性，同理，对于Y方向得出：由此，得到两个方向上相互耦合的三维吊索运动控制方程；采用式(10)和(11)作为刚度项的吊索运动方程，方程对于大幅值振动同样具有适用性；非线性偏微分方程求解，需要进行时空离散，将微分方程转化为差分方程进行逼近求解，对于空间差分，采用具有二阶精度的中心差分格式，即：其中l为空间差分中所采用的等分长度，对于总长为L的吊索，等分为N段，则l＝L/N，j为节点号，取值范围为1到N+1，k为时间步序号；时间差分采用显式四阶龙格库塔法，在每个时刻k先进行空间离散，之后进行数值迭代，将式(3)转化成微分方程组形式：对于该初值问题，初始条件为：y(t0)＝y0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)迭代过程为：其中，h为时间步长，K1到K4为中间迭代值：
为保证迭代精度，计算每个K值时均更新一次空间离散的差分值；(二)、桥塔尾流区三维吊索气动力得出方法如下：根据公路桥梁抗风设计规范，考虑风剖面引起的来流风速随高度变化，有：其中，U
10
为重现期100年的年平均最大风速数学期望值，a0为地表粗糙度系数，其取值由周边地貌类型确定。由此可确定桥塔不同高度处的来流风速；桥塔尾流区吊索所受到的脉动风荷...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文礼，黄业伟，李惠，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：