叠加不同载荷过程的方法与原理

本节将介绍如何将不同载荷过程中的载荷进行组合叠加的原理。

当几个载荷进程同时作用时，设计时就必须考虑结构的组合载荷响应。例如，海上风力机的基础结构将会受到风载荷和波浪载荷的联合作用，由此所造成的结构响应支配着设计。另外一种可能的组合载荷是风载荷和覆冰载荷的组合以及潮汐载荷与前面提到的任何一种载荷的组合。

下面考虑风载荷与波浪载荷的组合。短期风气候通常用10min平均风速U₁₀来表示，而短期波浪气候通常用有效波浪高度H_S来表示。其中U₁₀和H_S分别理解为对应的风速强度和海面变化过程的强度。特定位置的风和波浪常常有共同的原因，譬如低气压。风推动波浪并且通常产生在局部地区，与此同时，由于波浪所造成的海平面粗糙度的变化又反过来影响风。浪越高意味着风越大，反之亦然。

在设计中考虑风和浪同时发生时它们之间这种强烈的关联性是十分重要的。在进行随机分析时，这种相关性可以这样建立：将其中一个环境变量通过边际累积分布函数定义为独立变量，然后利用分布条件将其他变量用独立变量进行表示。就拿风和浪的例子来说，可以通过浪高的长期边界分布来表示有效波浪高度H_S，它是一个典型的威布尔分布，接着利用它来建立10min的平均风速U₁₀。在H_S条件下的U₁₀分布可以用一个典型的对数正态分布来表示，即

式中 Φ——标准正态分布函数；

b₁，b₂——有效波浪高度H_S的函数，即b₁=b₁（H_S），b₂=b₂（H_S）。

在某些情况下，其他一些分布形式可能会比对数正态分布更好地表示H_S条件下的U₁₀，如威布尔分布。

一旦风气候和波浪气候以特定并行的U₁₀和H_S值给定，以U₁₀为条件的风速过程和以H_S为条件的波浪过程便可以看成是相互独立的。因此，不能理所当然地认为最大风速和最大波浪高度同时发生。(www.xing528.com)

设计时，合理的做法是考虑那些相对较为罕见的波浪气候和风气候的组合作为特征气候，然后找出这一时间内在该气候条件下发生的最大载荷响应。事实上，譬如可以考虑以50年重现周期的有效波浪高度作为波浪气候与在这个波浪气候下的风气候进行组合，如50年有效波浪高度下U₁₀的期望值或者较高分位数的U₁₀值。以上述罕见的特征波浪气候和风气候为基础，下面将讲述如何对载荷响应进行组合，如可以确定在这样的气候条件下，基础结构某些截面上的水平力。

对于线性载荷组合，Turkstra准则起着核心的作用。该准则指出两个独立随机过程联合作用的最大值发生在其中一个过程达到最大值时。对两个载荷过程的组合中应用Turkstra准则，如波浪载荷与风载荷，意味着当波浪载荷与风载荷之一达到最大时组合载荷便达到最大值。令Q₁和Q₂分别来表示两个载荷过程，则最大组合载荷Q_max在时间跨度T内的数学表示式为

Turkstra准则显示了在确定性设计中两个载荷的组合的既定格式，即

式中 q_1k，q_2k——Q₁和Q₂的特征值；

γ₁，γ₂——相关的部分安全因子；

ψ——载荷组合参数。

对于风力机结构，通常所用的最大载荷响应并不总是通过载荷的线性组合来给出的。气弹风载荷计算可能是非线性的，因此风载荷响应与波浪载荷响应的组合并不一定来源于单独计算的波浪载荷响应与单独计算的风载荷响应的线性组合。对于这样的非线性情况，组合响应将通过同时处于特征波浪载荷过程和风载荷过程下结构的恰当分析来计算，在计算过程中不考虑任何部分载荷因子。分析得到的最大载荷响应可以认为是特征载荷响应，它反映了波浪载荷和风载荷的组合作用。在这个特征载荷响应基础上采用一个共同的部分安全因子来给出设计值q_design，也就是说不再可能将风载荷和波浪载荷下的部分安全因子区分开来。