【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于桥梁工程，特别涉及一种考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法。
技术介绍
1、涡激振动(vortex-induced vibration)是在较低的风速下，由气流和桥梁结构形成的复杂共振现象，具有自激、限幅振动特征的非线性风致振动。涡激振动会对桥梁的安全性和稳定性产生负面影响，长期的大幅度振动会导致结构的疲劳损伤和性能下降，影响桥梁的使用寿命和安全性。
2、目前，获取桥梁结构涡激振动性能的主要手段是节段模型风洞试验和全桥气动弹性模型风洞试验。理论上全桥气弹模型能够体现桥梁各部分构件间的相互影响，能够较真实地反映风与结构的相互作用，但由于其制作成本高、试验周期长、试验技术要求高等缺点鲜被采用。而节段模型试验对试验条件要求较低、可以更准确模拟桥梁气动外形、受雷诺数效应影响较小，得到广泛使用。
3、然而，受限于研究手段和对问题的认识深度，目前工程上普遍的方法是直接采用节段模型的试验结果，忽略了振型、涡激力三维特性和紊流等因素的影响，从而导致对实桥涡激振动性能产生误判。主要体现在以下两个方面：
4、一方面，节段模型是一个准二维模型，无法反映桥梁结构的三维特性。现有基于风洞试验或实际现象建立的涡激力半经验模型大多是在二维理论的基础上建立的，例如半经验线性模型、scanlan半经验非线性模型以及larsen广义非线性涡激力模型等。这些分析模型均假定涡激力和结构运动是二维的，但对于实际桥梁结构而言，除了有结构振型的影响外，涡激振动属于沿展向范围内的三维问题，涡激气动力沿跨向并非完全相关，
5、另一方面，实际桥梁结构的服役环境为真实的自然紊流场，而大多数的节段模型涡激振动试验和研究都是在均匀流场中进行。虽然风洞中可以通过格栅模拟紊流场，但受风洞尺寸的限制，紊流场的紊流积分尺度较小，很难实现紊流积分尺度与模型尺度的匹配。已有研究表明紊流中的涡振特性与均匀流存在较大差异，甚至存在使振幅增大的情况，目前对紊流下的涡激振动问题尚缺乏系统深入的机理研究。
6、为了更加准确的评估实际桥梁的涡振性能，已有部分研究开始考虑上述因素的影响。张志田和陈政清在文章《桥梁节段与实桥涡激共振幅值的换算关系》中基于scanlan半经验模型推导了不考虑涡激力展向相关性条件下刚性节段模型和实桥涡振振幅的关系，但该方法未考虑涡激力相关性的影响。ehsan和scanlan在文章“vortex-induced vibrationsofflexible bridges”中在非线性涡激力模型的基础上重点考虑了涡激力跨向相关性的影响，但该方法没有考虑自然紊流风场对桥梁涡振性能的影响，仅仅通过简单的图形处理考虑了涡激力相关性的影响，没有考虑节段模型相关性对涡激力参数识别的影响，且直接采用方柱的涡激力相关性函数预测其它断面不合理。朱青和朱乐东等在文章“asemi-empirical model forvortex-induced vertical forces on atwin-box deckunderturbulentwind”flow”中提出了新的涡激力模型，该模型包括了运动诱导力的所有非保守项，但此方法主要是考虑脉动风的竖向分量，竖向脉动分量对主梁部分会产生强迫力，并不是侧向气流作用在主梁边缘产生的涡激力，同时也没有考虑积分尺度对涡振响应的影响。
7、上述方法在涡激响应分析领域已经取得一定成效，但仍面临以下问题：(1)现有技术未综合考虑大跨度桥梁振型和涡激力展向相关性等三维因素对实桥涡激振动的影响。(2)现有技术在分析自然紊流风场对桥梁涡振性能的影响时，未考虑侧向气流作用在主梁边缘产生的涡激力。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有涡振响应分析方法中未考虑大跨度桥梁振型和涡激力展向相关性等三维因素的影响以及侧向气流作用在主梁边缘产生的涡激力的问题，提供一种考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，以提高涡激振动问题的分析精度，该方法包括如下步骤：
2、s1：进行风洞试验，记录所述节段模型的涡激振动响应和节段模型中线处的风速时程，并通过自由振动方法识别scanlan涡激力模型中的涡激力参数，并利用节段模型测得振幅来拟合涡激力展向相关函数；
3、s2：对所述涡激力参数进行计算，得到剔除涡激力展向相关性影响的涡激力参数，通过拟合的脉动风谱，计算出平均涡激力参数；
4、s3：根据实际任意风场的脉动风谱，对所述平均涡激力参数进行计算即可得到实桥在实际紊流风场中的涡激力参数；
5、s4：结合所述涡激力展向相关函数和具体实桥的柔性结构振型函数，得到考虑实桥振型的涡激力相关函数，并以考虑实桥振型的涡激力相关函数和具体实桥的柔性结构振型函数来计算振型积分的折减系数；
6、s5：利用实桥的振型积分、所述振型积分的折减系数和所述实际紊流风场中的涡激力参数进行计算，得到实桥在实际紊流风场中的涡振振幅，再利用所得到涡振振幅计算新的考虑实桥振型的涡激力相关函数，从而获得新的振型积分的折减系数，以此进行迭代计算，得到收敛的涡振振幅。
7、优选地，所述风洞试验包括：采用弹性悬挂系统进行桥梁断面的节段模型试验，并按照实桥要求调节系统阻尼比，采用格栅模拟方法在风洞中产生紊流场。
8、优选地，所述剔除涡激力展向相关性影响的涡激力参数计算方法为：利用所述涡激力展向相关函数计算得到考虑展向相关性影响的涡激力折减系数，再利用涡激力折减系数计算剔除涡激力展向相关性影响后的涡激力参数；
9、其中涡激力折减系数的表达式为：
10、
11、其中，ψ代表涡激力折减系数，δx代表结构物上两个条带之间的展向间距，l代表全桥长度，φ(x)代表刚性节段模型的振型函数且φ(x)＝1，r(δx)代表节段模型的涡激力相关函数；
12、剔除涡激力展向相关性影响后涡激力参数的表达式为：
13、y1′(k)＝y1(k)/ψ，
14、ε′(k)＝ε(k)；
15、其中，y1(k)为节段模型风洞试验识别非线性模型中的与自激力相关的气动参数，ε(k)为节段模型风洞试验识别非线性模型中的气动阻尼，y1′(k)和ε′(k)分别为剔除涡激力展向相关性影响后的与自激力相关的气动参数和气动阻尼，k代表折减频率。
16、优选地，对所述剔除涡激力展向相关性影响后的涡激力参数进行计算，得到所述平均涡激力参数的表达式为：
17、
18、ε″(k)＝ε′(k)
19、其中，y1″(k)代表所述平均涡激力参数中的与自激力相关的气动参数，ε″(k)代表所述平均涡激力参数中的气动阻尼，y1′(k)和ε′(k)分别为剔除涡激力展向相关性影响后的与自激力相关的气动参数和气动阻尼，代表来流纵向脉动成分和运动相互作用引起的自激力修正项系数，k代表折减频率。
20、优选地，所述实桥在实际紊流下的涡激力参数的表达式为：
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1.一种考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，所述风洞试验包括：采用弹性悬挂系统进行桥梁断面的节段模型试验，并按照实桥要求调节系统阻尼比，采用格栅模拟方法在风洞中产生紊流场。
3.如权利要求1所述的考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，所述剔除涡激力展向相关性影响的涡激力参数计算方法为：利用所述涡激力展向相关函数计算得到考虑展向相关性影响的涡激力折减系数，再利用涡激力折减系数计算剔除涡激力展向相关性影响后的涡激力参数；
4.如权利要求1所述的考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，对所述剔除涡激力展向相关性影响后的涡激力参数进行计算，得到所述平均涡激力参数的表达式为：
5.如权利要求1所述的考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，所述实桥在实际紊流下的涡激力参数的表达式为：
6.如权利要求1所述的考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特
7.如权利要求1所述的考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，所述振型积分的折减系数的表达式为：
8.如权利要求1-6所述的考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，所述实桥在实际紊流风场中的涡振振幅的表达式为：
...【技术特征摘要】
1.一种考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，所述风洞试验包括：采用弹性悬挂系统进行桥梁断面的节段模型试验，并按照实桥要求调节系统阻尼比，采用格栅模拟方法在风洞中产生紊流场。
3.如权利要求1所述的考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，所述剔除涡激力展向相关性影响的涡激力参数计算方法为：利用所述涡激力展向相关函数计算得到考虑展向相关性影响的涡激力折减系数，再利用涡激力折减系数计算剔除涡激力展向相关性影响后的涡激力参数；
4.如权利要求1所述的考虑紊流影响的大跨度桥梁三维涡振响应计算方法，其特征在于，对所述剔除涡激力展向相关性影响...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙延国，韩金，张天翼，李明水，廖海黎，马存明，李志国，周强，王骑，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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