大跨度橋梁抖振響應的多尺度分析方法技術

大跨度橋梁抖振響應的多尺度分析方法是為了解決主梁精細抖振響應的分析計算方法這一橋梁抖振分析中的難點問題，實現結構健康監測系統實測數據和抖振響應計算結果在應力層面上的對比。在已有大跨度橋梁結構抖振分析技術的基礎上，引入了結構多尺度有限元模擬技術來獲得結構關鍵部位的精細抖振響應，以提高精細抖振響應分析技術的可行性和有效性。顯然與現有的獲得抖振精細響應的方法相比，多尺度技術的引入大大提高了分析的效率和分析結果的精度，同時節約了成本，便于廣大工程人員中推廣應用。由于大型橋梁結構的健康監測已成為發展趨勢，該技術必將產生巨大的經濟和社會效益。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一套完整的大跨度橋梁抖振精細響應的多尺度分析方法，尤其適用于獲得橋梁結構在風荷載作用下的精細內力、應力及位移等抖振響應。
技術介紹
風災在全世界范圍內造成了巨大的人員傷亡和經濟損失。以我國華東沿海遭受的臺風襲擊為例，2004年的臺風“云娜”造成直接經濟損失超過200億人民幣。2005年的臺風 “麥莎”、“泰利”、“卡努”，直接經濟損失就達到數百億人民幣。2006年的8號超強臺風“桑美”、2007年的“圣帕”、“韋帕”、“羅莎”，2008年的“海鷗”、“鳳凰”、“森拉克”，2009年的“莫拉克”、2010年的“凡亞比”、“鲇魚”等，風災損失也非常驚人。我國有著漫長的海岸線，有數千公里處于臺風直接侵襲范圍，每次臺風均造成大量工程結構的損壞和倒塌。因此，有必要加強風對結構作用的研究，以提高結構的抗風能力，降低強風所造成的損失。另一方面，我國當前正處于土木工程建設的蓬勃發展階段，從20世紀90年代中期開始先后建成的大跨度橋梁包括主跨900米的西陵長江大橋、主跨888米的虎門大橋、主跨 1377米的香港青馬大橋、主跨1385米的江陰長江大橋以及主跨1490米的潤揚長江大橋懸索橋。同時國內很多特大規模的跨江跨海橋梁工程正處于建設階段。對于大跨度橋梁而言， 隨著橋跨的不斷增加，結構趨向柔性，對風的敏感性加大。由于跨度及橋寬的不斷增加，使得風致抖振問題變得日益突出，當風速較高時，抖振內力和位移響應均將非常顯著，有可能會引起橋梁構件的強度或疲勞破壞、車輛行駛不穩定等嚴重后果，其影響不容忽視。經過數十年的發展，目前已可以采用風洞實驗、理論分析和數值計算等方法來進行橋梁抗風研究，但通過這些手段所得成果最終還是要通過結構的現場實測結果來進行檢驗。近年來，大型橋梁結構的健康監測已經成為世界范圍內土木工程領域的前沿研究方向。 一些大跨度或重要橋梁上已安裝結構健康監測系統，其中大都包含了風環境監測子系統和結構響應監測子系統，如日本明石海峽大橋、南備贊瀨戶懸索橋、美國Sunshine Skyway斜拉橋、丹麥Faroe跨海斜拉橋、Great Belt懸索橋、我國香港青馬大橋、上海徐浦大橋、濱州黃河公路大橋、潤揚長江公路大橋、江陰長江公路大橋、蘇通大橋等。其中我國的這些大型橋梁很多都位于東南沿海強/臺風多發地區，每年都可能獲得強/臺風及橋梁響應的監測數據，為建立橋址區強風特性數據庫、開展大跨度橋梁抖振響應現場實測研究提供了良好的平臺。結構健康監測系統提供了橋梁結構的結構真實響應，包括加速度、位移及應變時程等，給橋梁結構理論驗證及模型識別提供了可靠的實測依據。然而由于在傳統的大跨橋梁風振反應分析中通常采用“脊骨梁”模型，分析結果也主要體現在關鍵截面的位移或加速度響應這一層面，無法獲得主梁關鍵部位準確應力響應時程，使得實測的應變時程數據目前尚難以用于對理論結果的驗證。對特大跨橋梁整體結構進行精細微觀建模及分析目前是不現實的，取出局部模型精細模擬，又存在邊界條件難確定的問題。多尺度計算是解決以上問題的有效途徑，該方法對用戶關心的結構關鍵部位進行精細模擬，通過結構宏觀與細觀模型之間的有效銜接來獲取精細分析結果，目前已在土木工程等領域內得到廣泛應用。因此，迫切需要基于已有的多尺度理論專利技術一套適用于大跨度橋梁抖振響應的精細化分析方法。
技術實現思路
技術問題本專利技術的目的是對現有的橋梁抖振響應分析方法進行了精細化改進， 同時引入了多尺度有限元模擬技術，在此基礎上發展了一套完整的、能夠獲得結構關鍵部位精細應力時程的大跨度橋梁抖振響應多尺度分析方法，實現了健康監測系統實測結果與抖振分析結果在應力層面上的對比。技術方案針對上述問題，本專利技術開發了一種專用于大跨度橋梁抖振響應分析的多尺度方法，可以獲得用戶所關心部位的準確應力時程。該方法以彈性力學中最為基本的圣維南原理為基礎，理論模型較為簡單，便于在廣大橋梁風工程技術人員中推廣應用。為了將整體模型分析結果準確施加至局部精細模型上，需編制二者之間的有效銜接程序，同時保持局部模型原有的荷載和邊界條件不變，自動將整體模型的計算結果插值到切割邊界上，進行精細模型的分析計算。按照圣維南原理的要求，必須保證局部精細模型的尺寸足夠大才能夠獲得準確分析結果。解決上述問題所采用的技術方案流程如圖1所示，具體包括如下8個步驟第一步根據結構設計圖紙，采用可編程參數化設計語言建立大跨度橋梁的有限元計算整體模型，該模型是一個網格劃分相對粗糙的模型，如圖2所示；第二步根據用戶的具體需求，采用可編程參數化設計語言建立大跨度橋梁關鍵部位的局部精細有限元模型，該模型網格劃分較細，如圖2所示，且局部模型尺寸能夠滿足圣維南原理的要求；第三步基于計算流體力學技術或風洞試驗識別出大跨度橋梁主梁斷面的氣動導數，并將其以可調用數組方式進行存儲，為主梁斷面所受氣動自激力的計算奠定基礎；第四步根據用于抖振分析的風速數據以及識別出的氣動導數來確定主梁斷面所受氣動自激力的大小；第五步作用在主梁單位長度上的靜力風荷載按照體軸坐標系、利用靜力三分力系數進行計算；第六步作用在單位長度上的抖振力按照kanlan教授的準定常理論計算；第七步在整體有限元計算模型上添加靜力風荷載、氣動自激力及抖振力時程，進行抖振響應非線性時程分析。第八步維持局部模型原有的荷載和邊界條件不變，編制整體和局部模型之間的銜接程序，利用第六步所得分析結果對局部模型的切割邊界進行插值，進行局部精細模型的抖振響應分析。其中第二步所述的大跨度橋梁關鍵部位的局部精細有限元模型可根據用戶進行抖振分析時的具體需求來建立。即有限元計算整體模型都由第一步得到，就局部模型而言， 用戶關心橋梁結構哪個部位的抖振精細響應，則建立這個部位的局部精細有限元模型。第八步所述的局部精細模型抖振響應分析的過程中，必需注意多尺度分析中需要維持局部模型原有的荷載和邊界條件不變，通過所編制的整體和局部模型之間的銜接程序，利用第七步所得分析結果對局部模型的切割邊界進行插值計算。有益效果現有健康監測系統中存在著大量的臺風期間的結構應變響應監測時程數據，但由于沒有合適的精細分析方法，這些應變數據無法與數值計算結果進行對比驗證。 該專利專利技術了一，能夠獲得獲得結果關鍵部位和用戶關心部位的精細應力響應時程，在保證了分析結果精度的基礎上，通過多尺度技術的引入大大提過了分析效率，節約了寶貴的社會資源，同時編制了全部相關計算程序，便于工程技術人員利用結構健康監測系統監測得到的寶貴應變時程數據進行對比驗證。由于大型橋梁結構的健康監測已成為發展趨勢，因此改技術具有廣闊的工程應用前景，經濟社會效益巨大。附圖說明圖1大跨度橋梁抖振響應的多尺度分析流程圖，圖2大跨度橋梁主梁多尺度有限元模擬示意圖，圖3風荷載作用下橋梁主梁斷面的氣動自激力示意圖。具體實施例方式根據上述技術方案，在計算大跨度橋梁的精細抖振響應時，可以采用多尺度技術來對結構進行有限元模擬，包括對結構整體的相對粗糙有限元模擬和結構關鍵部位的局部精細有限元模擬，再借助于現有的抖振響應分析方法和結構多尺度銜接技術進行分析計算，該方法應用于大跨度橋梁抖振響應精細分析中的流程圖如圖1所示，具體包括如下8個步驟1)根據設計圖紙建立大跨度橋梁的有限元計算整體模型；2)建立大跨度橋梁關鍵部位的局部本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種大跨度橋梁抖振響應的多尺度分析方法，其特征在于該方法包括以下步驟：第一步：根據結構設計圖紙，采用可編程參數化設計語言建立大跨度橋梁的有限元計算整體模型；第二步：根據用戶的具體需求，采用可編程參數化設計語言建立大跨度橋梁關鍵部位的局部精細有限元模型；第三步：基于計算流體力學技術或風洞試驗識別出大跨度橋梁主梁斷面的氣動導數，并將其以可調用數組方式進行存儲；第四步：根據用于抖振分析的風速數據以及識別出的氣動導數、采用Ｓｃａｎｌａｎ氣動自激力表達式來確定主梁斷面所受氣動自激力的大小；第五步：作用在主梁單位長度上的靜力風荷載按照體軸坐標系、利用靜力三分力系數進行計算；第六步：作用在單位長度上的抖振力按照Ｓｃａｎｌａｎ教授的準定常理論計算；第七步：在整體有限元計算模型上添加靜力風荷載、氣動自激力及抖振力時程，進行抖振響應非線性時程分析；第八步：維持局部模型原有的荷載和邊界條件不變，編制整體和局部模型之間的銜接程序，利用第七步所得分析結果對局部模型的切割邊界進行插值，進行局部精細模型的抖振響應分析。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：王浩，李愛群，宗周紅，周銳，李峰峰，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：84