跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)極端波浪（流）作用2019年度研究進(jìn)展

祝兵 黃博 康啊真 張家瑋

摘 要：隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展以及近海岸工程的不斷開(kāi)發(fā)，未來(lái)將有越來(lái)越多的跨海橋梁不斷興建和向復(fù)雜海域發(fā)展。但跨海橋梁所處海洋環(huán)境極為復(fù)雜，會(huì)遭受風(fēng)暴潮及海嘯等復(fù)雜極端災(zāi)害的巨大威脅。近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)大型跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)的極端波浪（流）作用問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究。通過(guò)對(duì)近年來(lái)跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)承受極端波浪（流）作用下的理論、數(shù)值及試驗(yàn)研究與進(jìn)展進(jìn)行了綜述，指出波流共同作用的模擬更符合真實(shí)的海洋環(huán)境，且跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)與極端波浪（流）相互作用是一個(gè)流固耦合過(guò)程，今后需要在數(shù)值計(jì)算以及水槽試驗(yàn)中考慮跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，深入研究跨海橋梁在極端波浪（流）作用下的失效模式和破壞機(jī)理。

關(guān)鍵詞：跨海橋梁;上部結(jié)構(gòu);波流力;水槽試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U447 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：R ? 文章編號(hào)：2096-6717（2020）05-0106-09

收稿日期：2020-04-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（U1834207）;四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大前沿項(xiàng)目（2017JY0003）

作者簡(jiǎn)介：祝兵（1965- ），男，博士，教授，主要從事深水跨海橋梁流固耦合動(dòng)力學(xué)研究，E-mail：zhubing126@126.com。

黃博（通信作者），男，博士，E-mail：bohuang@cqjtu.edu.cn。

Received：2020-04-05

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. U1834207）; Major Frontier Project of Applied Basic Research in Sichuan Province （No. 2017JY0003）

Author brief：Zhu Bing （1965- ）， PhD， professor， main research interest： fluid-solid coupling dynamics of sea-crossing bridges， E-mail： zhubing126@126.com.

Huang Bo（corresponding author）， PhD， E-mail： bohuang@cqjtu.edu.cn.

Abstract： With the rapid development of transportation and the development of offshore projects， more and more sea-crossing bridges will be built and developed in the future. However， the marine environment in which the sea-crossing bridge located is extremely complex， it will suffer from the huge threat of storm surge and tsunami and other complex and extreme disasters.In recent years， scholars at home and abroad have carried out related research on the problem of extreme wave （wave-current） forces on the superstructure of sea-crossing bridges. In this paper， the theoretical， numerical and experimental research and progress of the superstructure of sea-crossing bridges under extreme waves （wave-current） are reviewed in recent years. It is pointed out that the wave-current interaction should be considered in the simulation of the real marine environment， and the interaction of the superstructure of sea-crossing bridges and extreme wave （wave-current） is a kind of fluid-solid coupling problem. In the future， it is necessary to consider the dynamic response of the superstructure of sea-crossing bridges in numerical calculations and flume tests， and to study the failure mode and failure mechanism of the sea-crossing bridge under the action of extreme waves （wave-current）.

Keywords：sea-crossing bridge; superstructure; wave-current force;flume test; fluid-solid coupling

隨著中國(guó)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)、公路網(wǎng)從內(nèi)陸向島嶼的延伸，近年來(lái)在沿海區(qū)域已經(jīng)修建了大量的跨海橋梁，如已建成的東海大橋、杭州灣大橋、青島海灣大橋、港珠澳大橋及平潭海峽公鐵兩用大橋等，此外，渤海海峽大橋也在規(guī)劃建設(shè)中。諸多跨海大橋的修建，推動(dòng)中國(guó)橋梁建設(shè)技術(shù)走到世界前列，也為實(shí)現(xiàn)中國(guó)環(huán)渤海灣、長(zhǎng)三角、珠三角、臺(tái)灣海峽，以及國(guó)家“21世紀(jì)海上絲綢之路”沿線(xiàn)經(jīng)濟(jì)區(qū)域的互聯(lián)互通起著舉足輕重的作用。

但與此同時(shí)，跨海橋梁所處海域的環(huán)境極其惡劣和復(fù)雜，水深大多在60 m以上，且海浪極高，可能高達(dá)10 m，甚至更高，具有海浪周期長(zhǎng)及海浪能量極大等特點(diǎn)。在沿海地區(qū)，跨海橋梁常會(huì)遭受到不同程度的巨浪甚至海嘯等復(fù)雜的海洋動(dòng)力環(huán)境的侵襲，中國(guó)是世界上風(fēng)暴潮災(zāi)害非常嚴(yán)重的少數(shù)國(guó)家之一，風(fēng)暴潮災(zāi)害一年四季均可發(fā)生，從南到北所有沿岸均無(wú)幸免，南海諸島缺乏島鏈保護(hù)，海嘯風(fēng)險(xiǎn)高;臺(tái)灣島歷史上也曾遭受海嘯的嚴(yán)重破壞[1-2]。目前，中國(guó)橋梁規(guī)范、《海港水文規(guī)范》《港口荷載規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范中尚無(wú)風(fēng)暴潮等極端波浪（流）荷載的計(jì)算方法，不能為跨海橋梁設(shè)計(jì)、施工提供參考，不能為跨海橋梁的安全營(yíng)運(yùn)保駕護(hù)航。

長(zhǎng)期以來(lái)，橋梁工程領(lǐng)域?qū)W者們對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的波浪問(wèn)題研究相對(duì)較少。前期研究大部分針對(duì)國(guó)外較為常見(jiàn)的T型橋梁截面形式，近年來(lái)針對(duì)中國(guó)大范圍使用的箱型上部結(jié)構(gòu)形式的橋梁在極端波浪荷載下的受力分析和設(shè)計(jì)理論研究逐漸增多。針對(duì)大型跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)的極端波浪（流）作用問(wèn)題進(jìn)行回顧，主要對(duì)近年來(lái)跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)承受極端波浪（流）作用下的理論、數(shù)值及試驗(yàn)研究與進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)與極端波浪（流）相互作用的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 理論計(jì)算

在理論計(jì)算方面，早期涉及到結(jié)構(gòu)極端波浪力計(jì)算的研究始于20世紀(jì)90年代對(duì)于平板以及海洋平臺(tái)波浪力的研究[3-4]，Wang [5]通過(guò)一系列試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了他所提出的用于估算各種入射波在平板上引起的最大上升波浪力的計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。Douglass等[6]通過(guò)研究颶風(fēng)中受損的橋梁，提出了估算板式上部結(jié)構(gòu)所受極端波浪力的經(jīng)驗(yàn)公式。Cuomo等[7]基于1∶25尺度的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，提出了板式橋梁上部結(jié)構(gòu)所受沖擊力和準(zhǔn)靜態(tài)力的估算公式。AASHTO（American Association of State Highway and Transportation Officials）[8]基于試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果以及以往研究提出了計(jì)算跨海橋梁所受水平力、豎向力以及傾覆力矩的計(jì)算公式。Guo等[9]通過(guò)水槽試驗(yàn)詳細(xì)討論了以往研究所提出的經(jīng)驗(yàn)公式在估算T型橋梁上部結(jié)構(gòu)所受極端波浪力上的準(zhǔn)確性，指出在橋梁上部結(jié)構(gòu)處于淹沒(méi)狀態(tài)時(shí)，所提出的公式目前能準(zhǔn)確估算結(jié)構(gòu)所受極端波浪力。Xu等[10]將以往研究中的極端波浪力通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，提出了T型橋梁上部結(jié)構(gòu)所受的水平力和豎向力的預(yù)測(cè)公式。Hayatdavoodi等[11]采用Green-Naghdi理論模擬了二維無(wú)粘性不可壓縮流體，并計(jì)算了孤立波作用在淹沒(méi)狀態(tài)下板式梁橋上的波浪力。Fang等[12-13]采用勢(shì)流理論計(jì)算了淹沒(méi)狀態(tài)下T型上部結(jié)構(gòu)在聚焦波下所受的極端波浪荷載，研究表明，勢(shì)流理論在計(jì)算淹沒(méi)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)所受極端波浪力具有較高的準(zhǔn)確性。勢(shì)流理論和Green-Naghdi理論具有易于編程和高效求解的特點(diǎn)，在快速估算跨海橋梁所受波浪力的問(wèn)題上具有一定優(yōu)勢(shì)。但是，上述研究中經(jīng)驗(yàn)公式的提出大多基于數(shù)值仿真或水槽試驗(yàn)結(jié)果，由于所考慮的波浪參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸以及淹沒(méi)狀態(tài)不同，表達(dá)形式存在差異。

對(duì)于箱型上部結(jié)構(gòu)，Huang等[14]基于1∶30的箱型上部結(jié)構(gòu)波浪水槽試驗(yàn)和前期針對(duì)極端波浪力經(jīng)驗(yàn)公式的研究，指出箱梁結(jié)構(gòu)與T型結(jié)構(gòu)在幾何形狀上的差異會(huì)導(dǎo)致所受波浪力存在較大的差別，以往用于預(yù)測(cè)T型梁橋面板上的波浪力的公式無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算箱梁橋面板上的波浪力。依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象以及箱型上部結(jié)構(gòu)的幾何形狀，提出了阻水效應(yīng)系數(shù)的概念來(lái)進(jìn)一步改善Xu等[15]提出的計(jì)算方法，同時(shí)考慮靜水力和水動(dòng)力，最終提出了計(jì)算箱型上部結(jié)構(gòu)橋梁所受極端波浪力的預(yù)測(cè)公式。該方法基于風(fēng)暴潮（颶風(fēng)）特性和箱梁幾何特性對(duì)箱梁上部結(jié)構(gòu)所受極端波浪荷載的影響，并結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)在橢圓余弦波作用下的靜水力和水動(dòng)力特性，通過(guò)風(fēng)暴潮（颶風(fēng)）特性，橢圓余弦波水質(zhì)點(diǎn)特性及箱梁上部結(jié)構(gòu)尺寸可以簡(jiǎn)便估算出箱梁上部結(jié)構(gòu)所受的水平及豎向極端波浪荷載。圖1為試驗(yàn)結(jié)果與所提出經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。需要注意的是，目前所提出的經(jīng)驗(yàn)公式只能用來(lái)估算當(dāng)箱梁底部與水平面時(shí)所受的最大極端波浪力，在應(yīng)用范圍以外的極端波浪力估算上無(wú)法保證準(zhǔn)確性。

針對(duì)跨海橋梁箱型上部結(jié)構(gòu)在波流作用下的受力情況，Huang等[16]結(jié)合數(shù)值波流水槽，研究了波高、周期、水流流速、水深、箱梁淹沒(méi)系數(shù)以及上部結(jié)構(gòu)幾何尺寸對(duì)極端波流力進(jìn)行了分析，確定了影響箱梁上部結(jié)構(gòu)所受極端波流力的關(guān)鍵因素。進(jìn)一步結(jié)合回歸方法提出了估算箱梁上部結(jié)構(gòu)所受極端波流力的簡(jiǎn)便公式。該公式選擇無(wú)量綱的波高（波陡度）形式來(lái)確定波力，將其他因素的影響表示為影響系數(shù)，最終在一定應(yīng)用范圍內(nèi)，給出了估算公式。同樣，針對(duì)孤立波作用下的箱型上部結(jié)構(gòu)受力，Huang等[17]考慮靜水和動(dòng)水波浪力，建立了跨海橋梁在孤立波作用下所受的波浪荷載的理論計(jì)算模型，基于水深、波高以及上部結(jié)構(gòu)淹沒(méi)深度對(duì)所受波浪力的影響，通過(guò)求解流體靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)公式既可以求解得到作用在跨海橋梁上的波浪力。同時(shí)，為驗(yàn)證所提出方法的優(yōu)越性，將所提出的計(jì)算方法與現(xiàn)有用于估算橋梁上部結(jié)構(gòu)所受的波浪力計(jì)算方法進(jìn)行比較。采用箱梁橋面板的詳細(xì)尺寸（如圖2所示）和特定波浪條件進(jìn)行計(jì)算。詳細(xì)誤差計(jì)算結(jié)果如表1所示，該估算方法在計(jì)算豎向和水平波浪力上具有最小的相關(guān)誤差，表明所提出的方法在估計(jì)箱梁上孤立波誘導(dǎo)的波浪力方面的準(zhǔn)確性和有效性。但同樣存在適用范圍有限的缺點(diǎn)。

由表1見(jiàn)，經(jīng)驗(yàn)公式大多基于水槽試驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)果，并且只針對(duì)部分波浪參數(shù)、特定結(jié)構(gòu)形式或者幾種淹沒(méi)狀態(tài)，在應(yīng)用范圍以外無(wú)法保證估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，勢(shì)流理論和Green-Naghdi理論也需要假定流體為無(wú)粘無(wú)旋流體，無(wú)法完整模擬波浪與跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)相互作用過(guò)程中的波浪破碎現(xiàn)象，在估算結(jié)構(gòu)所受沖擊力上仍待進(jìn)一步深入。

2 數(shù)值計(jì)算

隨著高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)方法越來(lái)越多地應(yīng)用在極端波浪（流）荷載研究中。當(dāng)橋梁上部結(jié)構(gòu)和靜水面間存在凈空時(shí)，極端波浪作用在橋梁結(jié)構(gòu)過(guò)程中存在如波浪破碎、俘獲空氣以及氣液彈性等非線(xiàn)性問(wèn)題，而如何在CFD過(guò)程中準(zhǔn)確捕捉自由液面位置成為波浪的生成、傳播和破碎模擬成敗的關(guān)鍵問(wèn)題。Jin等[18]以在颶風(fēng)Katrina中受損的90號(hào)橋梁為原型，采用Flow-3D軟件建立了三維數(shù)值波浪水槽，研究了T型橋梁上部結(jié)構(gòu)所受的非線(xiàn)性周期波浪力，并討論了上部結(jié)構(gòu)高程和橋面板覆水對(duì)極端波浪力的影響。Hayatdavoodi 等[19-20]采用開(kāi)源程序OpenFOAM求解歐拉方程來(lái)數(shù)值模擬波浪水槽，并采用VOF法捕捉氣液兩相流的自由液面，采用數(shù)值模擬對(duì)板式橋梁和T型橋梁上部結(jié)構(gòu)所受極端波浪力進(jìn)行了對(duì)比分析。Xu等[21]針對(duì)颶風(fēng)Katrian過(guò)后Biloxi海灣橋的受損問(wèn)題，采用Fluent軟件對(duì)含有傾角的T型橋面板進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算發(fā)現(xiàn)橋面的傾角以及結(jié)構(gòu)的高程均對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)所受的極端波浪力有影響。Xu等[22]采用動(dòng)網(wǎng)格更新技術(shù)，研究含有側(cè)向約束剛度的T型橋面板與極端波浪的相互作用情況，研究了孤立波作用下橋梁波浪相互作用中波浪力和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的動(dòng)力特性。Qu等[23]對(duì)孤立波和海流共同作用下的橋面水動(dòng)力荷載進(jìn)行了數(shù)值研究。研究了海流流速、淹沒(méi)深度、浪高、水深等主要因素對(duì)T型上部結(jié)構(gòu)受力的影響。還討論了橋面板開(kāi)孔在降低水動(dòng)力載荷方面的效率。

針對(duì)箱型上部結(jié)構(gòu)在極端波浪作用下的數(shù)值計(jì)算，Huang等[14]基于OpenFOAM程序構(gòu)建了二維數(shù)值波浪水槽，采用雷諾時(shí)均方程來(lái)求解流體運(yùn)動(dòng)，用流體體積法來(lái)捕捉兩相流界面，并結(jié)合消波層實(shí)現(xiàn)了橢圓余弦波的穩(wěn)定生成。進(jìn)一步結(jié)合試驗(yàn)測(cè)得的箱梁上部結(jié)構(gòu)所受極端波浪力時(shí)程，驗(yàn)證了數(shù)值水槽的準(zhǔn)確性和有效性（如圖3）。采用數(shù)值仿真的方法能夠重現(xiàn)波浪作用在結(jié)構(gòu)上的沖擊和破碎情況，有助于結(jié)合波浪荷載對(duì)箱型上部結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理進(jìn)行研究分析。

為了研究極端波浪與海流之間的相互作用以及波流共同作用下箱梁上部結(jié)構(gòu)所受波流力，Huang等[16]采用FLOW-3D商業(yè)軟件并結(jié)合源項(xiàng)造波，構(gòu)建了數(shù)值波流水槽，通過(guò)在水槽中部添加質(zhì)量源，并使用隨時(shí)間變化的體積流率和波面方程實(shí)現(xiàn)了Stokes五階波浪的生成。在入口邊界處給出均勻的流速，并根據(jù)水槽內(nèi)部生成Stokes五階波，實(shí)現(xiàn)順向及逆向波流共同作用的數(shù)值模擬。研究表明海流的存在對(duì)波流力有顯著影響，且與波浪同向的海流將會(huì)導(dǎo)致箱型上部結(jié)構(gòu)所受波流力增加。

跨海大橋箱形截面主梁與T形截面主梁由于幾何構(gòu)型差異較大，在極端波浪（海嘯和颶風(fēng)）作用下波浪力有較大差別。楊志瑩等[24]采用開(kāi)源軟件OpenFOAM對(duì)極端波浪作用下箱型和T型上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。分別以孤立波、橢圓余弦波模擬海嘯和颶風(fēng)波浪，假設(shè)流體為不可壓縮粘性流體，通過(guò)RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程和SST（Shear Stress Transport）k-ω湍流模型描述流體的運(yùn)動(dòng)，采用VOF（Volume of Fluid）法追蹤自由液面。首先，對(duì)數(shù)值水槽造波效果及波浪力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，具體水槽布置圖如圖4所示，為了避免形成反射波，在入流邊界及出流邊界處設(shè)置消波區(qū)，入口采用根據(jù)波浪類(lèi)型、水深等給定的速度邊界條件及相分?jǐn)?shù)邊界條件，在頂端采用壓力進(jìn)出口邊界條件，水槽底面及主梁壁面均為無(wú)滑移邊界。

計(jì)算得到的波浪力與Hayatdavoodi的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證如圖5所示，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，相對(duì)誤差較小。在此基礎(chǔ)上，分析海嘯和颶風(fēng)作用下，波高及淹沒(méi)系數(shù)對(duì)T梁、箱梁受力的影響，并比較二者受力差別。研究建議，對(duì)海嘯易發(fā)海域內(nèi)的T型上部結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)其水平約束，對(duì)海嘯易發(fā)海域內(nèi)的箱型上部結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)其豎向抗沖擊約束。

目前，在極端波浪與橋梁結(jié)構(gòu)相互作用的研究中，大部分研究假定橋梁為剛性結(jié)構(gòu)，在極端波浪作用下不產(chǎn)生變形和位移，但在實(shí)際的波浪與橋梁相互作用過(guò)程中，橋梁的實(shí)時(shí)振動(dòng)狀態(tài)會(huì)引起周?chē)ɡ藞?chǎng)的改變，從而影響作用在橋梁上的波浪荷載導(dǎo)致振動(dòng)狀態(tài)又發(fā)生改變，直到達(dá)到平衡狀態(tài)，整個(gè)波浪與橋梁相互作用過(guò)程具有較為顯著的流固耦合特性，剛性結(jié)構(gòu)假定的方法無(wú)法完整反映流固耦合場(chǎng)內(nèi)復(fù)雜的相互作用。

3 水槽試驗(yàn)

Denson[25-26]以美國(guó)I-90橋梁為原型，進(jìn)行了1∶24尺度的水槽試驗(yàn)，在水槽中研究了不同的波浪參數(shù)、橋下凈空以及波浪方向與橋梁方向的夾角對(duì)橋梁所受波浪力的影響。試驗(yàn)采用周期波作為入射波浪，研究了橋梁結(jié)構(gòu)所受的升力、阻力和扭矩，并指出橋梁上部結(jié)構(gòu)的破壞主要是波浪作用在橋梁上所產(chǎn)生的傾覆力矩造成的。Bradner[27]以佛羅里達(dá)州埃斯坎比亞灣I-10大橋典型路段的鋼筋混凝土模型為原型，在俄勒岡大學(xué)波浪水槽中進(jìn)行了1∶5的大尺度試驗(yàn)。Bradner為了研究結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)波浪荷載的影響，將橋梁模型通過(guò)滾輪安裝在一個(gè)可沿波浪傳播方向移動(dòng)的軌道系統(tǒng)上，并且通過(guò)添加彈簧系統(tǒng)以及改變彈簧剛度的形式來(lái)模擬橋梁原型的運(yùn)動(dòng)形式。雖然滾輪彈簧系統(tǒng)為橋梁上部結(jié)構(gòu)提供了可變的橫向剛度，但一定程度上限制了橋梁的動(dòng)力響應(yīng)。

McPherson[28]為了量化橋梁上部結(jié)構(gòu)所受波浪力，在德州農(nóng)工大學(xué)的Haynes海岸工程實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了1∶20尺度的模型試驗(yàn)。試驗(yàn)原型參考美國(guó)Biloxi海灣90高速公路橋梁，試驗(yàn)分別對(duì)平板以及T型橋梁所受波浪力進(jìn)行了研究分析，并將試驗(yàn)結(jié)果與以往專(zhuān)家學(xué)者所提出的經(jīng)驗(yàn)公式相對(duì)比，McPherson對(duì)比發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的計(jì)算公式在估算受力上與試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。McPherson結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式，基于流體靜力學(xué)提出了較為精確計(jì)算平板以及T型橋梁所受波浪力的公式。Shappard等[29]通過(guò)波浪水槽試驗(yàn)對(duì)I-10埃斯坎比亞海灣大橋所受的波浪力進(jìn)行了全面研究，研究了水深、淹沒(méi)深度、波高、周期等參數(shù)對(duì)橋梁波浪力的影響，并提出了一種具有阻力和慣性系數(shù)的理論波浪力模型來(lái)估算沿海橋梁所受的波浪力。

Henry[30]研究指出，即使橋梁上下部結(jié)構(gòu)之間存在有效連接，也會(huì)在極端波浪荷載作用下產(chǎn)生破壞，Henry通過(guò)試驗(yàn)研究了橋梁各部分對(duì)橋梁所受總波浪力的貢獻(xiàn)，并且針對(duì)7種不同的橋梁截面類(lèi)型和5種不同的橋梁凈空對(duì)橋梁所受的波浪力進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)了梁的數(shù)量是影響T型橋梁受力的關(guān)鍵因素，并且支撐系統(tǒng)和開(kāi)孔同樣對(duì)橋梁受力有一定的影響。Seiffert等[19]和Hayatdavoodi等[20]針對(duì)水平板和T型橋梁在夏威夷大學(xué)的波浪水槽中進(jìn)行了二維孤立波試驗(yàn)，試驗(yàn)包括水深、波高和淹沒(méi)狀態(tài)對(duì)水平板和T型橋梁所受波浪力的影響。試驗(yàn)分析了規(guī)則化的波浪力最大值隨各類(lèi)影響因素的變化情況，針對(duì)T型橋梁結(jié)構(gòu)，還分析了T梁的梁隔數(shù)量以及橋面開(kāi)孔對(duì)波浪力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：淹沒(méi)狀態(tài)下的平板所受的向下波浪力隨著波高的增加而增大，與波浪傳播方向相同的水平波浪力隨著波高的增加而增大;抬升狀態(tài)下的T型橋梁所受豎直上升力隨著橋梁抬高高度的增大而減小，豎直向下力和負(fù)向水平力同樣呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，但在較深的水域里，豎直上升力隨著橋梁抬高高度的增大而增大;T型橋梁的數(shù)量對(duì)豎直力沒(méi)有顯著的影響，水平力在特定波幅與水深比下隨著T型橋梁的數(shù)量而略微增大。Guo等[9]對(duì)沿海公路橋梁上部結(jié)構(gòu)所受極端波浪力進(jìn)行了水動(dòng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)的大氣邊界層風(fēng)洞與波浪聯(lián)合水槽中進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒖紡V泛用于中國(guó)公路橋梁的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖，

并且創(chuàng)新性地考慮了包含上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)以及鄰近部件的1∶10全橋模型，將除上部結(jié)構(gòu)之外的其他結(jié)構(gòu)組件對(duì)波浪場(chǎng)的影響完整地納入了試驗(yàn)測(cè)試中，使試驗(yàn)設(shè)計(jì)更加符合工程實(shí)際。通過(guò)波浪力時(shí)程和傅里葉譜的分析，他們指出：沖擊力在量級(jí)上與準(zhǔn)靜態(tài)力相同，并且在橋梁處于零凈空狀態(tài)時(shí)達(dá)到最大值，建議今后在此類(lèi)型的橋梁設(shè)計(jì)中考慮沖擊力的存在;水平方向的波浪力與波高成比例，并且隨著波浪周期的減小而增大，但是水平方向的沖擊力項(xiàng)不明顯;提出了用于計(jì)算此類(lèi)橋梁所受極端波浪力的估算公式，并通過(guò)與以往文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比驗(yàn)證了所提公式在計(jì)算橋梁極端波浪力上的準(zhǔn)確性和有效性。Hayashi[31]進(jìn)行了小規(guī)模實(shí)驗(yàn)來(lái)研究海嘯波浪力對(duì)箱梁橋面板的影響。詳細(xì)討論了箱梁橋面板上的海嘯波浪力，將實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的最大水平波浪力和垂直波浪力轉(zhuǎn)換為實(shí)際橋梁所受波浪力的值，將其與目標(biāo)橋梁的靜載荷進(jìn)行了比較，并對(duì)箱梁和T梁的波浪力進(jìn)行了簡(jiǎn)要比較。張翔寧[32]選取建設(shè)中的主梁結(jié)構(gòu)為箱梁式的福建平潭海峽公鐵兩用大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在無(wú)反射波浪水槽中建立主梁結(jié)構(gòu)的斷面物理模型，研究了箱型上部結(jié)構(gòu)在波浪力作用下的破壞機(jī)理，并討論了箱型上部結(jié)構(gòu)淹沒(méi)狀態(tài)對(duì)其所受波浪力的影響規(guī)律。

張家瑋等[33]在波浪水槽中進(jìn)了1∶30的箱梁所受極端波浪力的水動(dòng)力研究，進(jìn)行了一系列70個(gè)試驗(yàn)，包括6種波浪高度，3種類(lèi)型的橋面板高程和多種水深。含有的5種類(lèi)型的淹沒(méi)系數(shù)覆蓋了全部橋面板高程和淹沒(méi)條件，波浪水槽長(zhǎng)68 m、寬1 m、高1.6 m。由無(wú)反射造波機(jī)在水槽的左側(cè)產(chǎn)生周期波浪。根據(jù)波浪槽中波浪運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)信號(hào)產(chǎn)生入射波和消除波的組合波，可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)整的波浪吸收方法消除入射波的反射對(duì)造波產(chǎn)生的影響。波浪吸收器由海灘鵝卵石制成，坡度為1∶5，位于波浪水槽的右側(cè)，用于減少波浪反射對(duì)水槽中波浪傳播造成的影響并吸收波浪能量。他們對(duì)極端波浪力時(shí)程進(jìn)行了詳細(xì)討論，并結(jié)合傅里葉分析，將波浪力中準(zhǔn)靜態(tài)力和和和沖擊力進(jìn)行了分離，同時(shí)與試驗(yàn)快照對(duì)比分析（圖6），詳細(xì)研究了箱梁上部結(jié)構(gòu)在極端波浪作用下的受力機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：梁體處于淹沒(méi)狀態(tài)時(shí)，浮托力作用大大減輕梁體的有效自重甚至超過(guò)梁體自重，在水平力和傾覆彎矩的聯(lián)合作用下導(dǎo)致了梁體的脫落破壞，不同類(lèi)型的截面形式（如T型梁、板梁、鋼桁架等） 受波浪力作用的結(jié)果可能存在差異，應(yīng)進(jìn)一步研究比較并區(qū)別考慮。

Zhang等[34]針對(duì)波流作用下箱梁上部結(jié)構(gòu)的破壞形式和機(jī)理，在中型波流水槽中開(kāi)展了1∶30比尺的水槽試驗(yàn)，測(cè)試了不同波高、流速、周期和淹沒(méi)深度等條件對(duì)于箱梁上部結(jié)構(gòu)波浪力影響，并進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值仿真（如圖7）討論了箱梁在風(fēng)暴潮引起的極端波流作用下的破壞形式。研究發(fā)現(xiàn)，在淹沒(méi)深度較小的情況下，正向水流通常會(huì)導(dǎo)致正向水平力的增大和豎向力的減小。逆向水流作用正好相反。然而，由于波浪力受到波面與結(jié)構(gòu)物相對(duì)位置關(guān)系的影響，當(dāng)淹沒(méi)深度增加時(shí)，逆向水流對(duì)于波浪力的影響存在一定差異，甚至產(chǎn)生相反的規(guī)律。Fang等[35]開(kāi)展了1∶10縮尺比的橋梁模型波浪水槽試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用一個(gè)完整的主梁橋跨、兩個(gè)1/4長(zhǎng)度的臨跨和兩座橋墩，完整考慮了臨跨和橋墩邊界對(duì)波浪場(chǎng)的影響，試驗(yàn)研究了不同波浪要素的正向入射波浪和斜向入射波浪作用下上部結(jié)構(gòu)在不同淹沒(méi)狀態(tài)下的受力情況，并討論了不同波浪入射角度對(duì)波浪力的影響規(guī)律。

但現(xiàn)有的試驗(yàn)研究尚存在以下不足：1）大部分研究對(duì)象僅為橋梁上部結(jié)構(gòu)，未考慮臨跨、橋墩、支座等邊界條件影響;2）滾輪彈簧系統(tǒng)為橋梁上部結(jié)構(gòu)提供了可變的橫向剛度，但一定程度上影響了橋梁的動(dòng)力響應(yīng);3）未能結(jié)合跨海橋梁與波浪的相互作用試驗(yàn)深入分析跨海橋梁受力以及動(dòng)力性能的變化規(guī)律，討論可能出現(xiàn)的失效模式。

4 展望

中國(guó)將在海況惡劣的環(huán)境中建設(shè)更多更具挑戰(zhàn)性的跨海大橋，然而海洋環(huán)境與陸地環(huán)境差異明顯。跨海橋梁不僅面臨著水深，急流的威脅，以中國(guó)主要跨海通道為例，橋梁還會(huì)頻繁受到臺(tái)風(fēng)影響，因此，海洋環(huán)境災(zāi)害模擬、海洋環(huán)境荷載計(jì)算以及橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)一直是橋梁工程中較為關(guān)心的問(wèn)題。通過(guò)學(xué)者們的不懈努力，已經(jīng)對(duì)跨海橋梁的相關(guān)極端波浪（流）作用問(wèn)題展開(kāi)了探索，但該領(lǐng)域需要研究和解決的問(wèn)題還有很多，以下幾個(gè)方面的研究對(duì)于深化跨海橋梁箱型上部結(jié)構(gòu)海洋災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理的認(rèn)識(shí)、推動(dòng)跨海橋梁防災(zāi)減災(zāi)研究具有重要的作用：

1）現(xiàn)有極端波浪（流）作用下跨海橋梁的數(shù)值模擬大多采用二維模型，導(dǎo)致無(wú)法考慮繞流以及滯留空氣對(duì)極端波浪荷載的影響。需進(jìn)一步發(fā)展數(shù)值仿真技術(shù)，構(gòu)建三維數(shù)值波浪水槽，開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確的兩相流捕捉技術(shù)，精確研究跨海橋梁與極端波浪（流）相互作用下的流場(chǎng)和波浪力情況。

2）目前，橋梁規(guī)范、港口荷載規(guī)范等尚無(wú)完善的波流荷載作用條文，難以適用于復(fù)雜海洋環(huán)境地區(qū)。需進(jìn)一步發(fā)揮水槽模型試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展與跨海橋梁橋址區(qū)實(shí)際海洋條件更加相符的波流參數(shù)水動(dòng)力試驗(yàn)，研究風(fēng)、浪、流等組合條件對(duì)于橋梁基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的作用。

3）需基于更高效準(zhǔn)確的數(shù)值方法建立精細(xì)化極端海洋環(huán)境作用的數(shù)值計(jì)算模型，如流固耦合方法、SPH方法等。通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)一步研究波浪沖擊、結(jié)構(gòu)選型等對(duì)于橋梁上部結(jié)構(gòu)波流力的影響，提出用于工程的極端波浪（流）力計(jì)算方法和減弱波流作用的有效防護(hù)措施。為跨海橋梁工程施工和全橋運(yùn)營(yíng)的可行性、安全性和經(jīng)濟(jì)性提供支持。

4）目前的研究中較少考慮橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而包含動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究中采用的耦合算法是在一個(gè)或多個(gè)時(shí)間步后進(jìn)行流體與結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)交換，流體與結(jié)構(gòu)的計(jì)算推進(jìn)是各自獨(dú)立的，在計(jì)算耦合效應(yīng)對(duì)波浪力以及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響時(shí)具有一定的局限性，難以揭示跨海橋梁在極端波浪作用下的破壞機(jī)理。因此，亟需研究考慮流固耦合效應(yīng)時(shí)跨海橋梁在極端波浪作用下的失效模式和破壞機(jī)理，發(fā)展對(duì)應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)措施。參考文獻(xiàn)：

[1] 葉琳， 王喜年， 包澄瀾. 中國(guó)的地震海嘯及其預(yù)警服務(wù)[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)， 1994， 3（1）： 100-103.

YE L， WANG X N， BAO C L. Tsunami in the China seas and its warning service [J]. Journal of Natural Disasters， 1994， 3（1）： 100-103.（in Chinese）

[2] 王培濤， 于福江， 趙聯(lián)大， 等. 越洋海嘯的數(shù)值模擬及其對(duì)中國(guó)的影響分析[J]. 海洋學(xué)報(bào)， 2012， 34（2）： 39-47.

WANG P T， YU F J， ZHAO L D， et al. Numerical simulation of trans-oceanic tsunami and its impact analysis on Chinese coasts [J]. Acta Oceanologica Sinica， 2012， 34（2）： 39-47.（in Chinese）

[3] SHIH R W K， ANASTASIOU K. Wave induced uplift pressures acting on a horizontal platform [J] Water Maritime and Energy， 1992， 96 （1）： 19-33..

[4] KAPLAN K， MURRAY J J， YU W C. Throretical analysis of wave impact forces on platform deck structures [C]//Proceedings of the 14th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering， Copenhagen， Denmark： ASME， 1995， 1A： 189-198.

[5] WANG H. Water wave pressure on horizontal plate [J]. Journal of the Hydraulics Division， 1970， 96（10）： 1997-2017.

[6] DOUGLASS S L， CHEN Q， OLSEN J M， et al. Wave forces on bridge decks [R]. Washington， DC： U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration， 2006.

[7] CUOMO G， TIRINDELLI M， ALLSOP W. Wave-in-deck loads on exposed jetties [J]. Coastal Engineering， 2007， 54（9）： 657-679.

[8] AASHTO. Final draft： Guide specifications for bridges vunerable to coastal storms （BVCS-1） [M]. Washington， DC： American Association of State Highway and Transportation Officials， 2008.

[9] GUO A X， FANG Q H， BAI X D， et al. Hydrodynamic experiment of the wave force acting on the superstructures of coastal bridges [J]. Journal of Bridge Engineering， 2015， 20（12）： 04015012.

[10] XU G J， CHEN Q， CHEN J H. Prediction of solitary wave forces on coastal bridge decks using artificial neural networks [J]. Journal of Bridge Engineering， 2018， 23（5）： 04018023.

[11] HAYATDAVOODI M， CENGIZ ERTEKIN R. Nonlinear wave loads on a submerged deck by the green-naghdi equations [J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering， 2015， 137（1）： 011102.

[12] FANG Q H， HONG R C， GUO A X， et al. Analysis of hydrodynamic forces acting on submerged decks of coastal bridges under oblique wave action based on potential flow theory [J]. Ocean Engineering， 2018， 169： 242-252.

[13] FANG Q H， YANG C， GUO A X. Hydrodynamic performance of submerged plates during focused waves [J]. Journal of Marine Science and Engineering， 2019， 7（11）： 389.

[14] HUANG B， ZHU B， CUI S G， et al. Experimental and numerical modelling of wave forces on coastal bridge superstructures with box girders， Part I： Regular waves [J]. Ocean Engineering， 2018， 149： 53-77.

[15] XU G J， CAI C S， DENG L. Numerical prediction of solitary wave forces on a typical coastal bridge deck with girders [J]. Structure and Infrastructure Engineering， 2017， 13（2）： 254-272.

[16] HUANG B， ZHU B， CUI S G， et al. Influence of current velocity on wave-current forces on coastal bridge decks with box girders [J]. Journal of Bridge Engineering， 2018， 23（12）： 04018092.

[17] HUANG B， DUAN L L， YANG Z Y， et al. Tsunami forces on a coastal bridge deck with a box girder [J]. Journal of Bridge Engineering， 2019， 24（9）： 04019091.

[18] JIN J， MENG B. Computation of wave loads on the superstructures of coastal highway bridges [J]. Ocean Engineering， 2011， 38（17/18）： 2185-2200.

[19] SEIFFERT B， HAYATDAVOODI M， ERTEKIN R C. Experiments and computations of solitary-wave forces on a coastal-bridge deck. Part I： Flat Plate [J]. Coastal Engineering， 2014， 88： 194-209.

[20] HAYATDAVOODI M， SEIFFERT B， ERTEKIN R C. Experiments and computations of solitary-wave forces on a coastal-bridge deck. Part II： Deck with girders [J]. Coastal Engineering， 2014， 88： 210-228.

[21] XU G J， CAI C. Wave forces on Biloxi Bay Bridge decks with inclinations under solitary waves [J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2015， 29（6）： 04014150.

[22] XU G J， CAI C S. Numerical simulations of lateral restraining stiffness effect on bridge deck-wave interaction under solitary waves [J]. Engineering Structures， 2015， 101： 337-351.

[23] QU K， TANG H S， AGRAWAL A， et al. Numerical investigation of hydrodynamic load on bridge deck under joint action of solitary wave and current [J]. Applied Ocean Research， 2018， 75： 100-116.

[24] 楊志瑩， 黃博， 段倫良， 等. 極端波浪作用下T梁與箱梁受力研究[J/OL]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)， http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.U.20191119.1501.002.html.

YANG Z Y， HUANG B， DUAN L L， et al. Extreme wave induced wave forces on T girder and box girder [J]. Journal of Southwest Jiaotong University， http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.U.20191119.1501.002.html. （in Chinese）

[25] DENSON K H. Wave forces on causeway-type coastal bridges [R]. Starkville， Mississippi： Mississippi State University， 1978.

[26] DENSON K H. Wave forces on causeway-type coastal bridges： Effects of angle of wave incidence and cross-section shape [R]. Starkville， Mississippi： Mississippi State University， 1980.

[27] BRADNER C. Large-scale laboratory observations of wave forces on a highway bridge superstructure [D]. Corvallis， Oregon： Oregon State University， 2008.

[28] MCPHERSON R L. Hurricane induced wave and surge forces on bridge decks [D]. College Station， Texas： Texas A & M University， 2008.

[29] SHEPPARD D M， MARIN J. Wave loading on bridge decks [R]. Gainesville， Florida： Florida Department of Transportation， Gainesville， Florida， 2009.

[30] HENRY A M. Wave forces on bridge decks and damping techniques to reduce damages [D]. Louisiana State University， 2011.

[31] HAYASHI H. Study on tsunami wave force acting on a bridge superstructure [C]//Proceedings of 29th US-Japan Bridge Engineering Workshop， Tsukuba， Japan， 2013.

[32] 張翔宇. 波浪作用下箱梁式跨海橋梁受力試驗(yàn)研究[D]. 鄭州： 華北水利水電大學(xué)， 2017.

ZHANG X Y. Experiment study of wave loads on the box girder coastal bridge [D]. Zhengzhou： North China University of Water Resources and Electric Power， 2017. （in Chinese）

[33] 張家瑋， 祝兵， 康啊真， 等. 跨海橋梁箱梁結(jié)構(gòu)受波浪力作用試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2017， 50（12）： 80-86.

ZHANG J W， ZHU B， KANG A Z， et al. Experimental study on wave loads applied on box girders in coastal bridges [J]. China Civil Engineering Journal， 2017， 50（12）： 80-86.（in Chinese）

[34] ZHANG J W， ZHU B， KANG A Z， et al. Experimental and numerical investigation of wave-current forces on coastal bridge superstructures with box girders [J]. Advances in Structural Engineering， 2020， 23（7）： 1438-1453.

[35] FANG Q H， HONG R C， GUO A X， et al. Experimental investigation of wave forces on coastal bridge decks subjected to oblique wave attack [J]. Journal of Bridge Engineering， 2019， 24（4）： 04019011.

（編輯 胡玲）