一種大跨橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)-浪耦合設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于跨海橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，設(shè)及一種設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)確定方法，特別設(shè)及 一種在風(fēng)-浪禪合作用下由大跨橋梁結(jié)構(gòu)的lOmin動(dòng)力荷載效應(yīng)極值超越概率分布規(guī)律估 計(jì)給定重現(xiàn)期條件下設(shè)計(jì)極限荷載效應(yīng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 確定復(fù)雜海洋環(huán)境的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大型跨海橋梁結(jié)構(gòu)及其他類似結(jié)構(gòu)十分必 要。傳統(tǒng)方法認(rèn)為風(fēng)、浪等環(huán)境要素相互獨(dú)立，給定重現(xiàn)期條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載為各要素 在該重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)荷載的組合。顯然，該方法忽略了風(fēng)、浪之間的相互禪合，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷 載遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際情況，工程設(shè)計(jì)過于保守。近年來考慮風(fēng)、浪禪合的聯(lián)合概率設(shè)計(jì)方法成為 海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，其中條件極值法和多變量極值法均W環(huán)境要素為隨機(jī)變量，前 者采用一種主要環(huán)境要素的極值概率分布和相伴環(huán)境要素的概率分布來表達(dá)多種環(huán)境要 素的聯(lián)合概率分布，后者W多變量點(diǎn)過程理論為基礎(chǔ)，通過各變量的邊緣分布和描述變量 間相關(guān)性的模型構(gòu)建多變量極值的聯(lián)合概率分布。然而，隨環(huán)境要素維數(shù)增加，聯(lián)合概率分 布函數(shù)的構(gòu)建將變得十分困難；同時(shí)，結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)與環(huán)境要素的非線性關(guān)系也使聯(lián)合概 率分布的積分困難重重。荷載效應(yīng)法也是一種聯(lián)合概率設(shè)計(jì)方法，該方法W結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng) 為目標(biāo)，將多種環(huán)境要素極值的聯(lián)合分布轉(zhuǎn)化為荷載效應(yīng)極值的一維分布，可針對(duì)具體結(jié) 構(gòu)和關(guān)鍵截面具體分析，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算。目前該方法多用于靜力設(shè)計(jì)。大型海洋結(jié)構(gòu)多 為柔性結(jié)構(gòu)，振動(dòng)周期與環(huán)境要素周期接近，為保證結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)極限荷載效應(yīng)需要考慮 動(dòng)力效應(yīng)。然而包含動(dòng)力效應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極限荷載效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算需要在環(huán)境要素分布參 數(shù)的所有可能取值范圍內(nèi)進(jìn)行大量結(jié)構(gòu)動(dòng)力模擬計(jì)算或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，效率十分低下。因此迫 切需要發(fā)展一種W傳統(tǒng)荷載效應(yīng)法為基礎(chǔ)，通過建立結(jié)構(gòu)的lOmin動(dòng)力荷載效應(yīng)概率模型 來預(yù)測(cè)給定重現(xiàn)期條件下設(shè)計(jì)極限荷載效應(yīng)的高效分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)傳統(tǒng)荷載效應(yīng)法，尤其是提供一種大跨橋梁結(jié)構(gòu) 風(fēng)-浪禪合設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的確定方法，該方法使風(fēng)、浪環(huán)境要素極值的二維分布分析轉(zhuǎn)化 為結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載效應(yīng)極值的一維分布分析，并通過建立結(jié)構(gòu)的lOmin動(dòng)力荷載效應(yīng)極值超 越概率分布函數(shù)確定給定重現(xiàn)期條件下的設(shè)計(jì)極限荷載效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果針對(duì)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 關(guān)鍵截面，且考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和環(huán)境作用的隨機(jī)特征，更加符合真實(shí)情況，可推廣到其 他海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0004] 為此，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] 本發(fā)明提供一種大跨橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)-浪禪合設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)確定方法，該方法包括W 下步驟；（1)根據(jù)年極值風(fēng)速Ui。和有效波高的觀測(cè)值序列，分別統(tǒng)計(jì)二者的分布函數(shù)，其 中Ui。、均服從Gumbel分布；
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大跨橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)-浪耦合設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)確定方法，其特征在于，該方法包括以 下步驟： 第一步：根據(jù)年極值風(fēng)速Ultl和有效波高H s的觀測(cè)值序列，分別統(tǒng)計(jì)二者的分布函數(shù)， 其中U1Q、Hs均服從Gumbel分布：
式中u、h分別為表征U1JP H s的隨機(jī)變量，F(xiàn)(U)和F (h)分別為U 1(|和H s的分布函數(shù)， μ u、Uh為位置參數(shù)，σ u、σ h為尺度參數(shù)，根據(jù)U 1(|和H s的分布規(guī)律確定脈動(dòng)風(fēng)速和隨機(jī)波 浪的同步模擬點(diǎn)（U1CU，D，（i = 1，…，η)，η為模擬點(diǎn)數(shù)； 第二步：選取適當(dāng)?shù)腃opula函數(shù)建立Ult^PHs的聯(lián)合概率密度函數(shù)(μ, A); 第三步：以O(shè)chi脈動(dòng)風(fēng)速譜和J0NSWAP波浪頻譜為目標(biāo)譜，在模擬點(diǎn)（U1CU，U處進(jìn) 行k次脈動(dòng)風(fēng)速和隨機(jī)波浪同步模擬，每次模擬時(shí)長(zhǎng)均為lOmin，將風(fēng)速時(shí)程和由同步隨機(jī) 波浪模擬得到的波面時(shí)程轉(zhuǎn)換為大跨橋梁結(jié)構(gòu)的荷載時(shí)程； 第四步：建立大跨橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，并完成動(dòng)力有限元計(jì)算，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 截面； 第五步：從大跨橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元計(jì)算結(jié)果中提取出關(guān)鍵截面處的動(dòng)力荷載效應(yīng) 時(shí)程M1(lmin(t)，確定荷載效應(yīng)極值的統(tǒng)計(jì)閾值q，采用閾值法（POT)提取極值序列，利用廣 義帕累托分布（GPD)建立關(guān)鍵截面在該模擬點(diǎn)處的IOmin動(dòng)力荷載效應(yīng)極值分布函數(shù)
為IOmin動(dòng)力荷載效應(yīng)極值隨機(jī)變量，此時(shí)風(fēng)、浪環(huán)境要素極值的二 維聯(lián)合分布轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載效應(yīng)極值的一維分布； 第六步：重復(fù)第三步?第五步，直至完成全部η個(gè)模擬點(diǎn)處的統(tǒng)計(jì)分析； 第七步：利用貝葉斯公式建立結(jié)構(gòu)IOmin動(dòng)力荷載效應(yīng)極值的超越概率分布函數(shù) Pr (Hiltlniin > m):
式中m為IOmin設(shè)計(jì)極限荷載效應(yīng)； 第八步：建立大跨橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面年設(shè)計(jì)極限荷載效應(yīng)超越概率分布函數(shù)Pr (my_ > mK)與 Pr (m1Qmin> m)的關(guān)系，此時(shí)取 m = m κ: Pr(myear>mE) = 365X24X6XPr (m10min> mE) = 1/R Pr (mi〇min〉m r) = I. 90 X 1(T5/R 式中my_為年荷載效應(yīng)極值隨機(jī)變量，R為重現(xiàn)期，mK為該重現(xiàn)期條件下關(guān)鍵截面的設(shè) 計(jì)極限荷載效應(yīng)，因此，在分布曲線Pr (m1Qmin> m)上，超越概率為1. 90 X 1(T5/R的動(dòng)力荷載 效應(yīng)即為具有R年重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)極限荷載效應(yīng)mK。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種大跨橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)-浪耦合設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)確定方法，該方法是一種改進(jìn)的荷載效應(yīng)法，用結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載效應(yīng)極值的一維分布代替風(fēng)、浪環(huán)境要素極值的二維聯(lián)合分布，進(jìn)而通過結(jié)構(gòu)的10min動(dòng)力荷載效應(yīng)極值超越概率分布規(guī)律估計(jì)給定重現(xiàn)期條件下的設(shè)計(jì)極限荷載效應(yīng)。該方法綜合運(yùn)用了有限元模擬技術(shù)、Monte Carlo數(shù)值模擬、閾值法(POT)、廣義帕累托分布(GPD)以及貝葉斯公式，所得設(shè)計(jì)極限荷載效應(yīng)針對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵截面，考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，更加符合真實(shí)情況，使結(jié)構(gòu)的風(fēng)-浪耦合設(shè)計(jì)更加可靠。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104537139
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410627587
【發(fā)明人】黃銘楓, 涂志斌, 樓文娟, 宋建永
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué), 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年11月10日