CN110162862A - 一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法，步骤为：收集桥梁附近气象观测站的30年以上风速与气温的极值样本组；按炎热季和寒冷季将风速与气温的各个极值样本组分割成两个子样本组；建立各个子样本组中风速与气温的二维联合分布模型；根据各个子样本组的联合分布计算风速与气温的两变量重现期；绘制各个子样本组的两变量重现期等值线；按荷载规范先设定其中一个变量的取值，对应的风速与气温组合构成一组基本风速与气温联合设计值；将基本风速换算至桥梁计算基准高度处设计风速、气温换算至结构温度。本发明实现了对规范规定的大跨桥梁工程设计中应考虑的风荷载、温度荷载进行适当折减的目标，避免了大跨桥梁的设计过于保守。

Description

一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法
技术领域
本发明属于桥梁抗风设计和研究领域，特别涉及一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法。
背景技术
大跨桥梁多分布在一些非常重要的公路或铁路运输线路上，是影响到国计民生的生命线工程。在大跨桥梁建成运营期间，各种灾害性天气和极端气象事件可能会对大跨桥梁的安全造成影响，给大跨桥梁的安全运行带来一定的风险，进而影响到国家的经济建设和人民的生命财产安全。因此在大跨桥梁的设计研究阶段，风荷载以及温度荷载对大跨桥梁结构的影响应得到慎重考虑。
《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)、《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T3360-01-2018)以及《铁路桥涵设计规范》(TB 10002-2017)中规定了公路桥梁和铁路桥梁的风荷载和温度荷载的取值，并且为了保证桥梁结构足够的安全，规范规定的荷载取值往往偏于保守。在桥梁工程设计中需要同时考虑风荷载和温度荷载，两种活荷载在组合时采用简单叠加的办法，而实际工程区域大风天气、极端温度天气状况同时发生的可能性因地而异，每个工程都不一样，如果都一概地采用简单叠加规范规定的风荷载和温度荷载的办法，势必会造成大跨桥梁的设计过于保守，由此导致的构件尺寸加大会带来不必要的恒载增加、材料浪费以及造价增加等问题。因而在大跨桥梁工程设计中应考虑风荷载和温度荷载的适当折减，但规范无法给出折减系数的取值。
因此，需要一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法以解决上述问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中无法对规范规定的大跨桥梁工程设计中应考虑的风荷载、温度荷载进行适当折减的缺陷，本发明提供大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法，实现了对规范规定的大跨桥梁工程设计中应考虑的风荷载、温度荷载进行适当折减的目标，避免了大跨桥梁的设计过于保守。
技术方案：本发明提出一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法，包括如下步骤：
(1)收集桥梁附近气象观测站的30年以上风速与气温的极值样本组；
(2)按炎热季和寒冷季将风速与气温的各个极值样本组分割成两个子样本组；
(3)建立各个子样本组中风速与气温的二维联合分布模型；
(4)根据各个子样本组的联合分布计算风速与气温的两变量重现期；
(5)以两变量重现期与单变量的设计重现期相同为原则，绘制各个子样本组的两变量重现期等值线；
(6)在两变量重现期等值线上，按荷载规范先设定其中一个变量的取值，对应的风速与气温组合构成一组基本风速与气温联合设计值；
(7)将基本风速换算至桥梁计算基准高度处设计风速、气温换算至结构温度，即为风与温度荷载的联合设计值。
进一步的，所述步骤(1)中极值样本组的收集方法采用月极值取样，所得极值样本组包括：
极值风速样本组：月极值风速以及此时对应的气温；
最高气温样本组：月最高气温以及此时对应的风速；
最低气温样本组：月最低气温以及此时对应的风速。
其中，风速为距离地面10米高度处10分钟内的平均风速值。
进一步的，所述步骤(3)中建立各个子样本组中风速与气温的二维联合分布模型的具体步骤如下：
(3.1)分别构建各个子样本组中风速和气温的边缘分布模型；
(3.2)利用Copula函数构建各个子样本组中风速和气温的联合分布模型。
进一步的，所述步骤(4)中根据各个子样本组的联合分布计算风速与气温的两变量重现期的具体步骤如下：
(4.1)同现重现期
(4.2)第二(Kendall)重现期
式中，FX(x)和FY(y)分别表示风速和温度的边缘分布，ωT表示极值样本的取样时间间隔，单位为年，采用月极值时ωT等于1/12，K(p)为Copula函数C的分布函数。
进一步的，所述步骤(6)中基本风速与气温联合设计值包括以下四种：
根据极值风速样本组炎热季部分的极值风速与对应气温的两变量重现期等值线，计算当风速取荷载规范规定的基本风速时最高气温的折减值，此时的基本风速与最高气温折减值构成一组联合设计值；
根据极值风速样本组寒冷季部分的极值风速与对应气温的两变量重现期等值线，计算当风速取荷载规范规定的基本风速时最低气温的折减值，此时的基本风速与最低气温折减值构成一组联合设计值；
根据最高气温样本组炎热季部分的最高气温与对应风速的两变量重现期等值线，计算当气温取荷载规范规定的最高气温时基本风速的折减值，此时的最高气温与基本风速折减值构成一组联合设计值；
根据最低气温样本组寒冷季部分的最低气温与对应风速的两变量重现期等值线，计算当气温取荷载规范规定的最低气温时基本风速的折减值，此时的最低气温与基本风速折减值构成一组联合设计值。
进一步的，所述步骤(2)中所述的炎热季和寒冷季各包含六个连续的月份，具体包含的月份需根据样本的分布特征来确定，以炎热季和寒冷季的数据在散点图上有较明显的分界为优。
进一步的，所述步骤(1)中构建寒冷季部分的气温边缘分布模型时，应将气温的坐标轴设定为从高温指向低温。
进一步的，所述步骤(4)中所述的两种两变量重现期，由第二重现期计算得到的联合设计值相较于同现重现期的计算结果偏于保守，可根据工程设计需要选取适当的两变量重现期类型。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明的大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法可以根据桥位附近风速与气温的历史统计资料，提供多组风与温度荷载的联合设计值作为大跨桥梁的设计依据，实现了对规范规定的大跨桥梁工程设计中应考虑的风荷载、温度荷载进行适当折减的目标，避免了大跨桥梁的设计过于保守。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为具体实施例中极值风速样本组的数据分类散点图；
图3为具体实施例中极值风速样本组炎热季子样本组的同现重现期等值线示意图；
图4为具体实施例中极值风速样本组炎热季子样本组的第二重现期等值线示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明所述的一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法，包括以下步骤：
S1.收集某大跨桥梁附近气象观测站的30年风速与气温的极值样本组。
采用月极值取样，所得极值样本组包括：
(1)极值风速样本组：30年内每个月的极值风速以及此时对应的气温；
(2)最高气温样本组：30年内每个月的最高气温以及此时对应的风速；
(3)最低气温样本组：30年内每个月的最低气温以及此时对应的风速。
其中，风速为距离地面10米高度处10分钟内的平均风速值。
S2.按炎热季和寒冷季将风速与气温的各个极值样本组分割成两个子样本组。
炎热季和寒冷季各包含六个连续的月份，具体包含的月份需根据样本的分布特征来确定，以炎热季和寒冷季的数据在散点图上有较明显的分界为优。请参见图2，图中的数据散点来自极值风速样本组，将样本组按照寒冷季(1、2、3、4、11、12月)和炎热季(5、6、7、8、9、10月)分割为两个部分，可以看出两部分数据散点有较明显的分界。
S3.建立各个子样本组中风速与气温的二维联合分布模型。
风速与气温的二维联合分布模型的构建方法包括以下步骤：
(1)分别构建各个子样本组中风速和气温的边缘分布模型，其中构建寒冷季部分的气温边缘分布模型时，应将气温的坐标轴设定为从高温指向低温；
(2)利用Copula函数构建各个子样本组中风速和气温的联合分布模型。
S4.根据各个子样本组的联合分布计算风速与气温的两变量重现期。
两变量重现期包括：
(1)同现重现期
(2)第二(Kendall)重现期
式中，FX(x)和FY(y)分别表示风速和温度的边缘分布，ωT表示极值样本的取样时间间隔，单位为年，采用月极值时ωT等于1/12，K(p)为Copula函数C的分布函数。
S5.以两变量重现期与单变量的设计重现期相同为原则，绘制各个子样本组的两变量重现期等值线。该桥梁的基本风速单变量设计重现期为100年，故设定风速与气温的两变量重现期也为100年，分别绘制各个子样本组的风速与气温的同现重现期等值线和第二重现期等值线。
S6.在两变量重现期等值线上，按荷载规范先设定其中一个变量的取值，对应的风速与气温组合构成一组基本风速与气温联合设计值。
基本风速与气温联合设计值包括以下四种：
(1)根据极值风速样本组炎热季部分的极值风速与对应气温的两变量重现期等值线，计算当风速取荷载规范规定的基本风速时最高气温的折减值，此时的基本风速与最高气温折减值构成一组联合设计值，请参见图3和图4，图中为极值风速样本组炎热季子样本组的两种两变量重现期等值线，其中竖向虚线表示风速取荷载规范规定的基本风速，竖向虚线与100年两变量重现期等值线的交点即为所求联合设计值，为了便于对比，图中还展示了两变量重现期分别为5年、10年、20年、50年以及200年时的等值线；
(2)根据极值风速样本组寒冷季部分的极值风速与对应气温的两变量重现期等值线，计算当风速取荷载规范规定的基本风速时最低气温的折减值，此时的基本风速与最低气温折减值构成一组联合设计值；
(3)根据最高气温样本组炎热季部分的最高气温与对应风速的两变量重现期等值线，计算当气温取荷载规范规定的最高气温时基本风速的折减值，此时的最高气温与基本风速折减值构成一组联合设计值；
(4)根据最低气温样本组寒冷季部分的最低气温与对应风速的两变量重现期等值线，计算当气温取荷载规范规定的最低气温时基本风速的折减值，此时的最低气温与基本风速折减值构成一组联合设计值。
S7.将基本风速换算至桥梁计算基准高度处设计风速、气温换算至结构温度，即为风与温度荷载的联合设计值。由第二重现期计算得到的联合设计值相较于同现重现期的计算结果偏于保守，可根据工程设计需要选取适当的两变量重现期类型。

Claims (5)

1.一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)收集桥梁附近气象观测站的30年以上风速与气温的极值样本组；
(2)按炎热季和寒冷季将风速与气温的各个极值样本组分割成两个子样本组；
(3)建立各个子样本组中风速与气温的二维联合分布模型；
(4)根据各个子样本组的联合分布计算风速与气温的两变量重现期；
(5)以两变量重现期与单变量的设计重现期相同为原则，绘制各个子样本组的两变量重现期等值线；
(6)在两变量重现期等值线上，按荷载规范先设定其中一个变量的取值，对应的风速与气温组合构成一组基本风速与气温联合设计值；
(7)将基本风速换算至桥梁计算基准高度处设计风速、气温换算至结构温度，即为风与温度荷载的联合设计值。
2.根据权利要求1所述的一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中极值样本组的收集方法采用月极值取样，所得极值样本组包括：
极值风速样本组：月极值风速以及此时对应的气温；
最高气温样本组：月最高气温以及此时对应的风速；
最低气温样本组：月最低气温以及此时对应的风速。
3.根据权利要求1所述的一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中建立各个子样本组中风速与气温的二维联合分布模型的具体步骤如下：
(3.1)分别构建各个子样本组中风速和气温的边缘分布模型；
(3.2)利用Copula函数构建各个子样本组中风速和气温的联合分布模型。
4.根据权利要求1所述的一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中根据各个子样本组的联合分布计算风速与气温的两变量重现期的具体步骤如下：
(4.1)同现重现期
(4.2)第二(Kendall)重现期
式中，FX(x)和FY(y)分别表示风速和温度的边缘分布，ωT表示极值样本的取样时间间隔，单位为年，采用月极值时ωT等于1/12，K(p)为Copula函数C的分布函数。
5.根据权利要求1所述的一种大跨桥梁风与温度荷载联合设计值的确定方法，其特征在于，所述步骤(6)中基本风速与气温联合设计值包括以下四种：
根据极值风速样本组炎热季部分的极值风速与对应气温的两变量重现期等值线，计算当风速取荷载规范规定的基本风速时最高气温的折减值，此时的基本风速与最高气温折减值构成一组联合设计值；
根据极值风速样本组寒冷季部分的极值风速与对应气温的两变量重现期等值线，计算当风速取荷载规范规定的基本风速时最低气温的折减值，此时的基本风速与最低气温折减值构成一组联合设计值；
根据最高气温样本组炎热季部分的最高气温与对应风速的两变量重现期等值线，计算当气温取荷载规范规定的最高气温时基本风速的折减值，此时的最高气温与基本风速折减值构成一组联合设计值；
根据最低气温样本组寒冷季部分的最低气温与对应风速的两变量重现期等值线，计算当气温取荷载规范规定的最低气温时基本风速的折减值，此时的最低气温与基本风速折减值构成一组联合设计值。
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