一种大跨桥梁下部结构风-浪耦合作用荷载数值模拟方法
【专利摘要】本发明提供了一种大跨桥梁下部结构风-浪耦合作用荷载数值模拟方法，该方法解决了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个方面的环境与结构相互作用多重耦合问题。首先，通过脉动风速谱和波浪频谱的耦合来实现风、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。该方法综合运用了计算流体力学(CFD)方法、快速傅里叶变换技术(FFT)、特征正交分解法(POD)和频率插值法，该方法计算效率高、模拟过程简单且物理意义明确，可推广到其他类似海洋结构的风-浪耦合作用荷载数值模拟中。
【专利说明】一种大跨桥梁下部结构风-浪耦合作用荷载数值模拟方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 为此，本发明采用如下技术方案：
[0006] 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 结构的稱合模拟；最后，通过MacCamy-Fuchs绕射理论来实现波浪与结构的稱合模拟。
[0007] 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：
[0008] (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；
[0009] (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J0NSWAP波浪频 谱生成耦合谱矩阵S :
[0010]
【权利要求】
1. 一种大跨桥梁下部结构风-浪耦合作用荷载数值模拟方法，其特征在于，该方法包 括以下步骤： 第一步：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； 第二步：根据海面风场特性和随机波浪特性，利用Ochi脉动风速谱和JONSWAP波浪频 谱生成耦合谱矩阵S:
式中(4/=U…，》)为脉动风速u的谱分量，n为模拟点数，Sq为波浪频谱分量，n为 随机波浪的波面； 第三步：建立大跨桥梁下部结构周边数值模拟风场，利用雷诺应力模型（RSM)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\，修正后的自谱及为：
式中tn为雷诺应力张量，X为莫宁坐标，f为频率，Uz为海面高度z处的平均风速，Coh(f)为雷诺应力张量修正后的点相干函数，Lu为湍流积分尺度，修正后的耦合谱矩阵S 考虑了风与结构之间的相互耦合； 第四步：通过对数等间距插值设置耦合谱矩阵S的圆频率插值基点:
式中A? =cou/Nu，c〇u为截止圆频率，NU为频域离散点数，分,"为圆频率插值基点数； 第五步：在圆频率插值基点4处对耦合谱矩阵S进行特征正交分解（POD)，计算得到各 基点处的特征值么和特征向量1，通过插值公式获得任意频率点〇^_(j= 1，…，NJ处的特 征值和特征向量0j:
式中floor(sj和ceil(Sp分别表示不大于4的最大整数和不小于4的最小整数，round(Sj)为最接近Sj的整数； 第六步：合成由脉动风速和随机波浪组成的随机矢量过程V，引入快速傅里叶变换技 术（FFT)提高合成效率：
式中V(tm) =h(tm)，? ? ?，屮(tm)，n(tm)}，tm =mAt(m= 1，2, ? ? ?，Nt)，At为时间 步长，Nt为时域离散点数，
，《j= (j-1/2)A? ,NS为频率点wj处特征值&和特 征向量％的截断数，錢^为随机相位角，服从[〇, 2 ]间的独立均匀分布； 第七步：在(〇，...，Ul (〇}的基础上利用准定常假定计算脉动风速模拟点处大跨 桥梁下部结构的脉动风压，在n(tm)的基础上利用MacCamy-Fuchs绕射理论计算大跨桥梁 下部结构表面的随机波浪压力。
【文档编号】G06F19/00GK104408295SQ201410629276
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】黄铭枫, 涂志斌, 楼文娟, 陈勇 申请人:浙江大学