[发明专利]桥梁风致行为的非线性特性分析方法、存储介质及服务器

说明书

本发明公开了一种桥梁风致行为的非线性特性分析方法、存储介质及服务器，所述方法包括步骤：基于大跨度桥梁的非线性气动力模型，得到静风力、自激力、抖振力和涡振力的参数；基于谐波合成法和FFT技术，生成桥址区的不同风场数据；建立桥梁的三维非线性有限元模型，将非线性气动力单元和风场数据加载到主梁单元，耦合动力计算获得预定风速区间桥梁的非线性风致行为；应用主梁的位移响应分岔、振动形态和结构破坏模式分析桥梁颤抖振和涡振等多种风致振动的非线性动力行为特性。本发明适用于不同主梁断面形式和不同结构形式的大跨度桥梁非线性风致行为分析，有助于揭示其风振机理。

技术领域

本发明涉及桥梁抗风分析和非线性动力分析领域，尤其涉及一种大跨度桥梁风致行为的非线性特性分析方法、存储介质及服务器。

背景技术

近年来，强/台风频繁发生，给人类社会带来了巨大的生命和财产损失，造成大量的工程结构损伤和破坏，严重影响了经济和社会活动。特别地，大跨度桥梁主要处于沿海地区，这些地区的风一般都较大，甚至有可能出现强/台风正面袭击的情况；随着桥梁跨径的日益增大，大跨度桥梁结构趋于轻柔，结构刚度和阻尼减小，频率较低，对风的作用更加敏感，导致桥梁结构的风致振动问题日趋突出，风致振动有可能导致交通中断或使行人丧失安全感，导致桥梁构件过早疲劳破坏，严重的还会造成桥毁人亡的惨剧。大跨度桥梁的风致振动主要包括颤振、抖振、涡振、驰振和拉索风雨振动等，然而由于材料非线性、结构非线性和气动力非线性等非线性因素的存在，使得大跨度桥梁的风致振动可能表现出更为复杂的非线性动力响应，包含了极限环、分岔、混沌等丰富的非线性现象，例如软颤振在颤振临界速度处会发生Hopf分岔，产生极限环振荡；涡振在进入和远离风速锁定区间时也会发生Hopf分岔。因此，探索桥梁结构在风致振动过程中的分岔和混沌现象具有非常重要的理论价值和工程意义。

目前，对于大跨度桥梁风致行为的研究主要集中在线性理论，虽然线性理论的研究十分完善，但是不能够准确的描述大振幅运动的状态，故不能用于分析大跨度桥梁风致行为的非线性特性研究。由于分岔和混沌理论是一种揭示非线性运动本质的重要研究手段，目前已有学者将分岔和混沌理论运用到桥梁的风致振动问题中研究，以揭示其复杂的运动规律和内在机理。例如，李加武等基于混沌时间序列分析方法建立了二维桥梁风致振动的数学模型，并进行了桥梁颤振和涡振的混沌特性；Caracoglia尝试用Lyapunov指数数值预测了桥梁的颤振；许坤基于风洞试验，对于主梁涡振系统的振幅分支、动力稳定及分岔等特性进行了模拟，揭示了主梁涡振系统动力分岔产生的原因。因此，大跨度桥梁风致行为的非线性特性分析是近年来才逐渐被重视和发展起来的。

然而目前的大跨度桥梁风致振动的分析方法中，缺乏能够精确反映桥梁-风相互作用下各种风致行为的复杂气动力非线性现象、结构非线性现象、材料非线性现象等的分析方法，也无法解释各种桥梁风致振动的内在机理。

因此，现有技术还有待于提高和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大跨度桥梁风致行为非线性特性分析方法、存储介质及服务器，旨在解决现有技术缺乏精确反映桥梁-风相互作用下各种风致行为的复杂气动力非线性现象、结构非线性现象、材料非线性现象等的分析方法，导致无法有效揭示桥梁颤抖振和涡振等不同风致振动的作用机理的问题。

本发明的技术方案如下：

一种桥梁风致行为的非线性特性分析方法，其中，包括步骤：

基于大跨度桥梁的非线性气动力模型，拟合得到静风力、自激力、抖振力和涡振力子模型的参数；

基于谐波合成法和FFT技术，生成桥址区的不同风场数据；

建立大跨度桥梁的三维非线性有限元模型，将非线性气动力单元和风场数据加载到主梁单元，耦合动力求解获得预定风速区间桥梁的非线性风致行为；

应用位移响应分岔、振动形态和破坏失效模式分析大跨度桥梁颤抖振和涡振风致振动的非线性动力行为特性。