(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210948182.X (22)申请日 2022.08.09 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150090 黑龙江省哈尔滨市南岗区黄 河路73号哈工大二校区土 木工程学院 (72)发明人 陈文礼　黄业伟　李惠　 (74)专利代理 机构 哈尔滨市哈科专利事务所有 限责任公司 23101 专利代理师 孟策 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种桥塔尾流区吊索风致振动数值预测方 法 (57)摘要 本发明提出了一种桥塔尾流区吊索风致振 动数值预测方法， 属于大型建筑结构风致振动领 域， 方法是通过一种非线性吊索结构控制方程， 结合吊索在桥塔尾流区内所受气动力， 通过偏微 分方程数值求解， 对吊索风振特性进行预测。 本 发明采用了全新的非线性吊索结构 模型， 考虑了 大变形下吊索形变产生动态张力进而产生的非 线性行为； 其预测结果准确可靠， 幅值、 频率、 轨 迹、 模态等均与试验和实桥观测结果吻合较好； 本发明具有计算过程占用计算资源少， 数值精度 高的优点； 易于在实际桥梁工程中应用。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 115391881 A 2022.11.25 CN 115391881 A 1.一种桥塔 尾流区吊索风 致振动数值预测方法， 其特 征在于， 方法步骤如下： (一)、 吊索振动控制方程如下： 在三维笛卡尔坐标系中， 取z高度处 吊索结构微元， 在平衡位置(0,0,z)处微元长度dz， 吊索在水平 面内运动， 运动到(u,v,z)处 时微元发生形变， 长度ds， 微元ds两端受张拉力(T+ τ )， 其中T为吊索 索力， τ 为吊索形变引起的弹性力， 满足胡克定律， 即： 其中E为吊索弹性模量， A为吊索横截面积， γ表示 为： 结构刚度由张拉力在水平面内的分量 提供， 则运动微分方程 为： 其中fx和fy为X方向与Y方向上作用于单位长度吊索的外荷载， c为结构的阻尼系数， 由 几何关系， 微元变形 前后满足： ds2＝du2+dv2+dz2               (4) 偏微分算子有： 将式(3)第一项 展开求偏导， 得 出： 其中： 令： 对于索力T， 由于微元 水平面内运动假设， 满足： T＝T0+ρ g·z                                (9) 其中T0为吊索底端荷载力， g为重力加速度，权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115391881 A 2将式(1)、 (7)、 (8)与(9)代入(6)， 对于X 方向得出： 方程在X与Y方向上 具有对称性， 同理， 对于 Y方向得出： 由此， 得到 两个方向上相互耦合的三维吊索运动控制方程； 采用式(10)和(11)作为刚度项的吊索运动方程， 方程对于大幅值振动同样具有适用 性； 非线性偏微分方程求解， 需要进行时空离散， 将微分方程转化为差分方程进行逼近求 解， 对于空间差分， 采用具有二阶精度的中心差分格式， 即： 其中l为空间差分中所采用的等分长度， 对于总长为L的吊索， 等分为N段， 则l＝L/N， j 为节点号， 取值范围为1到N+1， k 为时间步序号； 时间差分采用显式四阶龙格库塔法， 在每个时刻k先进行空间离散， 之后进行数值迭 代， 将式(3)转 化成微分方程组形式： 对于该初值问题， 初始条件为： y(t0)＝y0                                  (14) 迭代过程 为： 其中， h为时间步长， K1到K4为中间迭代值：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115391881 A 3