[发明专利]一种大跨桥梁下部结构风-浪耦合作用荷载数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大跨桥梁下部结构风-浪耦合作用荷载数值模拟方法，尤其是涉及数值模拟过程中风与浪耦合、风与结构耦合以及波浪与结构耦合三个方面的环境与结构相互作用多重耦合问题的解决方法。

背景技术

大跨桥梁下部结构在施工和运营过程中将承受复杂的、随时空变化的随机环境荷载，主要包括风荷载和波浪荷载。大量研究表明风、浪两种环境要素相互影响，存在较强的耦合特性。风、浪的相互耦合使得海面风场特性显著区别于陆地风场特性，主要表现在风场壁面(即波面)光滑但不断演变、近地面粗糙度减小、摩擦风速随时空变化、脉动风速谱的频率向低频偏移。同时，风是浪的重要动力来源，波浪形态受到风速控制，随机波浪频谱是风速和风区的函数。

风、浪耦合作用下结构动力响应的精确分析依赖于输入环境荷载数据的可靠性。一般而言，环境荷载作用数据来源于现场实测或数值模拟；前者可靠度好，但对设备仪器要求较高且耗时较长；后者适应性强、耗时短，但鲜有考虑风、浪两者的相互耦合。同时，置于风场和波浪中的大型结构本身对风、浪的干扰以及风-结构、波浪-结构之间的相互作用不可忽略，风-浪耦合作用荷载数值模拟需要解决这三方面的耦合问题。为实现大跨桥梁下部结构风-浪耦合作用荷载的高效模拟，发展一种以海面风场和随机波浪的概率统计及物理机制描述为特征的数值模拟程序十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以海面风场和随机波浪的概率统计及物理机制描述为特征的风-浪耦合作用荷载数值模拟程序，在数值算法上解决模拟过程中遇到的风与浪耦合、风与结构耦合和波浪与结构耦合三种不同的相互作用耦合问题，为风-浪耦合作用下大跨桥梁下部结构动力响应分析及设计奠定了基础。

为此，本发明采用如下技术方案：

首先，通过脉动风速谱和波浪频谱的谱矩阵耦合来实现风、浪两种随机过程的时域内同步耦合模拟；其次，通过雷诺应力张量修正结构周边风场的脉动风速谱来实现风与结构的耦合模拟；最后，通过MacCamy-Fuchs绕射理论来实现波浪与结构的耦合模拟。

本发明提供一种大跨桥梁下部结构风-浪耦合作用荷载数值模拟方法，该方法包括以下步骤：

(1)确定大跨桥梁下部结构脉动风速模拟点和随机波浪模拟点的坐标；

(2)根据海面风场和随机波浪频谱特性，利用Ochi脉动风速谱和JONSWAP波浪频谱生成耦合谱矩阵S：

式中为脉动风速u的谱分量，n为模拟点数，S_η为波浪频谱分量，η为随机波浪的波面。耦合谱矩阵S的建立为风、浪两种随机过程的时域内同步耦合模拟奠定了算法基础；

(3)建立大跨桥梁下部结构数值模拟风场，利用雷诺应力模型(RMS)完成该风场的计算流体力学(CFD)数值模拟，提取脉动风速模拟点处的雷诺应力张量来修正耦合谱矩阵S中的脉动风速谱分量修正后的自谱为：

Suii(f)=τii6fSuii*(X);X=zfUz;i=1,...,n---(2)]]>