本发明属于桥梁结构风致响应预测，涉及一种基于混合时频算法的桥梁结构非线性随机风振响应预测方法及系统，尤其涉及一种基于混合时频算法的桥梁结构弯扭耦合非线性随机风振响应预测方法及系统。
背景技术：
1、风致抖振和颤振直接影响桥梁结构安全性和耐久性，是大跨度桥梁抗风设计的关键考虑因素。桥梁抗风设计理论发展至今已日臻成熟，极大地加深了对大跨度桥梁风振的理解，有效推动了现代化桥梁建设的快速发展。但纵观桥梁抗风理论的发展历程，其仍存在两个考虑不足的问题：
2、第一，存在仅关注紊流效应而忽略气动非线性的问题。自激气动力通常表征为状态变量的线性函数。颤振响应通过经典特征值方法求解，仅在一定程度上考虑紊流对颤振导数产生修正效应；抖振响应依赖于经典随机振动理论求解，并考虑气动力对系统模态特性的修正效应。本质上来看，这类系统仍服从叠加性原理的基本特性，因此可对自激力和抖振力耦合作用下的系统进行各分量的单独解构或线性重构。
3、第二，存在仅考虑气动非线性而忽略紊流效应的问题。自激气动力往往是状态变量的非线性函数，桥梁颤振通常以超临界霍普夫分岔或亚临界霍普夫分岔为特征，临界后响应表现为具有多个确定性周期解的极限环振荡。为此，构建了多类表征非线性气动力的等效线性化模型、时域非线性模型及黑匣子模型等，并提出了多种预测非线性颤振的时频域算法。但这类算法很难兼顾自然风的紊流特性，对于地势复杂区域，可能导致风振响应预测出现显著变差。
4、以上算法或忽略气动非线性，或忽略紊流激励，往往造成风振评估误差超出工程许可。研究显示，紊流激励和非线性气动力耦合作用使得桥梁系统变的非自治、非线性化，其风振响应不再是经典的谐波颤振或高斯抖振，而表现为硬化非高斯特征显著的非线性随机振动，并伴随模糊的气动稳定性及失稳边界，其内在机理复杂，求解困难。尽管国内外诸多学者针对单自由度系统非线性随机风振算法开展过相关研究，并尝试提出评估响应极值分布和峰值因子的实用方法，但对于具有多自由度的桥梁结构而言，当前进展尚难以满足桥梁结构非线性随机风振的计算需求。
5、为此，有必要通过理论分析，开发有效预测强紊流风下大跨度桥梁非线性随机风致振动的相关算法，为合理指导复杂地形条件下的桥梁结构抗风设计提供理论支撑。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明为了克服当前体系无法兼顾非线性气动力和紊流激励，难以实现桥梁非线性随机风振振动精确预测的问题，提供基于混合时频算法的桥梁结构非线性随机风振响应预测方法及系统。
2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、基于混合时频算法的桥梁结构非线性随机风振响应预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
4、s1、基于桥梁断面的截面特征、结构特征、气动特征和风场特征，构建桥梁结构弯扭耦合非线性气动力模型，该模型通过位移绝对值非线性函数表示；
5、s2、基于节段模型风洞试验，获取步骤s1非线性气动力模型中的经典颤振导数及无量纲气动参数，并测试断面在不同攻角下的静力系数；
6、s3、根据指定需求计算其平均风速；
7、s4、选择初始迭代频率，计算对应的折减风速以及折减频率，根据折减风速，相对应地选择气动参数值~、、，计算扭转模态分支频率；
8、扭转模态分支频率在均匀流场条件下，由下式进行求解：
9、
10、式中，为扭转自振圆频率；为无量纲质量惯性矩参数；为每延米质量惯性矩；和分别为弯扭耦合运动振幅比、相位差，用如下公式求解：
11、
12、
13、式中，为竖向自振圆频率；为动力放大系数，其具有如下表达：
14、
15、式中，为频率比；
16、s5、定义预设脉动风场参数，采用经典谱解法，模拟桥址处各平均风速下的脉动纵向风速和竖向风速，并与现有风谱进行比较；
17、s6、根据步骤s4计算得到的扭转模态分支频率来计算折减频率；根据步骤s5模拟的脉动风场风谱计算气动导纳函数（aaf）和抖振力；初始化状态变量，更新时间步 ；计算雅可比矩阵和；计算状态变量；
18、s7、求解所有风速步下桥梁结构系统的非线性随机风振响应时程，实现桥梁非线性随机风振振动精确预测。
19、一种桥梁结构弯扭耦合非线性随机风振响应预测系统，包括：
20、非线性气动力模型构建模块，利用桥梁断面的截面特征、结构特征、气动特征和风场特征，构建描述桥梁结构弯扭耦合非线性气动力的数学模型；
21、风洞试验数据处理模块，基于风洞试验数据，获取模型中的经典颤振导数及无量纲气动参数，，并测试不同攻角下的静力系数；
22、扭转模态分支频率计算模块，选择初始迭代频率，计算对应的折减风速以及折减频率，根据折减风速，相对应地选择气动参数值~、、，计算扭转模态分支频率；
23、脉动风场模拟模块，定义脉动风场参数，采用经典谱解法模拟风场；
24、非线性随机风振响应求解模块，根据扭转模态分支频率来计算折减频率，根据模拟的风场计算aaf和抖振力，求解桥梁结构在风作用下的非线性随机风振响应。
25、本发明的有益效果在于：
26、1、本发明提出的结合newton-raphson和newmark-的混合时域响应数值解法，显示出良好的收敛性和稳定性。这意味着在求解非线性随机风振响应时程时，该方法能够更快地达到稳定解，且对初始条件和参数变化不敏感，收敛性和稳定性得到了增强。
27、2、与经典四阶龙格库塔法(rk4)相比，本发明的方法在相同的数值样本和计算配置下，仅需更短的时间即可得到满意的预测结果。这表明本发明的方法在计算效率上有显著提升，特别适合于涉及大量数值样本计算的需求。
28、3、本发明有效求解了弯扭耦合非线性随机风致振动问题，为强紊流风作用下大跨度桥梁的抗风设计提供了新的技术手段，有助于推动桥梁设计理论的发展和工程实践的进步。
29、4、本发明通过构建桥梁结构弯扭耦合非线性气动力模型，并结合风洞试验数据，能够更精确地模拟和预测桥梁在风作用下的非线性随机风振响应。这种方法克服了现有技术中忽略气动非线性或紊流激励的问题，从而提高了预测结果的准确性。
30、5、本发明从抖振力不具备气动刚度的事实出发，利用均匀流场下的模态频率迭代结果替代紊流场下的模态频率，显著减小了计算成本。这种方法避免了在复杂风场条件下进行高成本的模态频率计算，从而提高了计算效率，降低了计算成本。
31、6、本发明的方法不仅适用于单一风速条件，还能够处理不同风速下的桥梁结构系统非线性随机风振响应时程，从而为复杂地形条件下的桥梁结构抗风设计提供了有效的技术手段，提高了其适用范围。
32、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。