特大型橋梁風-浪-流耦合作用研究

文|中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司 劉高 張喜剛 劉天成 陳上有 吳宏波 程潛

中交公路規劃設計院有限公司 孟凡超 徐國平 侯斌 鄧科 秦建軍

中交第二航務工程局有限公司 張鴻 楊炎華

交通運輸部天津水運工程科學研究所 陳漢寶 劉海源 沈小明 耿寶磊

哈爾濱工業大學 郭安薪

大連理工大學 周道成

深中通道管理中心 宋神友 劉健

在中交公路規劃設計院有限公司、中交公路長大橋建設國家工程研究中心、哈爾濱工業大學等多家企業、高等院校、科研院所等聯合研究下，保障跨海特大型橋梁在風-浪-流耦合作用下結構的安全性、車輛運行安全性和舒適性這一重大課題成功破題。

項目簡介

跨海特大型橋梁面臨著深水、強風、巨浪、急流等惡劣海洋環境的嚴峻挑戰。在海洋環境中，風場、波浪場、水流場之間的多場耦合作用及其與橋梁結構之間的多介質動力耦合作用同時發生。如何保障跨海特大型橋梁在風-浪-流耦合作用下結構的安全性、車輛運行的安全性和舒適性，成為亟待研究解決的重大課題。

面向跨海特大型橋梁的建設需求，項目組在國際上率先提出并立項開展“特大型橋梁風-浪-流耦合作用研究”，在國家和省部級科研項目支持下，依托重大橋梁工程進行技術攻關和工程驗證，在橋梁風-浪-流耦合作用觀測技術與耦合模型、試驗方法與平臺、理論方法與軟件、控制技術和技術標準等方面取得了重大突破。經交通運輸部組織的專家鑒定，一致認為：項目形成了具有原創性的研究成果，達到了國際領先水平。

項目獲得國家發明專利14項、軟件著作權7項，發表學術論文62篇（F5000論文1篇，SCI和EI收錄26篇），出版專著2部（獲國家出版基金資助），研究成果在港珠澳大橋、馬爾代夫跨海大橋等國內外重大工程中獲得了應用，為瓊州海峽跨海工程等提供了重要技術支撐和儲備，顯著提升了特大型橋梁建設技術水平。

項目研發歷程

深水海域風-浪-流耦合場觀測系統

創新成果

首次建立深海海域耦合場觀測系統

首次建立了多點、同步、連續的深海海域風-浪-流耦合場現場觀測方法及觀測系統，獲得了“威馬遜”等超強臺風期和季風期瓊州海峽海域的風-浪-流耦合場多點、同步、連續的現場觀測數據，解決了深海橋梁工程海域的風-浪-流耦合場現場觀測技術難題，為獲取深海海域風-浪-流耦合場信息提供了有效手段；發現了臺風路徑與風-浪-流耦合場特征參數的關系，提出了耦合場風參數和波浪頻譜模型，揭示了風場參數、波浪場參數、流場參數的耦合特性。

提出耦合場設計參數確定方法

提出了基于嵌套參數化臺風場模型、SWAN波浪場模型、風暴潮數學模型的中尺度風-浪-流耦合場數值模擬方法，并研發了相應軟件，解決了深海工程海域海中和橋梁沿線的風-浪-流耦合場時空參數計算和推演難題；建立了風-浪-流耦合場中風速、波高、流速的三維復合極值聯合概率模型；基于現場實測和長期歷史后報反演信息，提出了特大型橋梁風-浪-流耦合場設計參數確定方法，解決了跨海橋梁極端風、極端波浪和海流作用下的設計難題。

瓊州海峽工程海域風-浪-流耦合場觀測結果

風-浪-流耦合場特征參數

創建風-浪-流耦合作用下橋梁三維彈性響應模型試驗方法

首創了風-浪-流耦合作用下橋梁結構三維彈性響應模型試驗方法，研發了橋梁風-浪-流耦合作用彈性響應試驗模擬平臺，解決了在試驗環境下風-浪-流耦合場參數模擬和結構動態響應測試難以實現時間同步、空間相關的難題，以及全橋彈性模型試驗氣-液-固相似準則難以協調的難題；首次實現了風-浪-流耦合作用下千米級三塔斜拉橋全橋彈性模型試驗模擬，揭示了大橋風-浪-流耦合作用彈性響應特性及規律。

建立三維風-浪-流數值水槽模擬方法

風-浪-流耦合場數值模擬方法

橋梁風-浪-流耦合作用三維彈性模型試驗平臺

風-浪-流耦合作用下2X1500米三塔斜拉橋全橋彈性模型試驗

建立了考慮流體黏性、湍流風和波浪破碎效應的三維風-浪-流數值水槽模擬方法，研發了相應的軟件，解決了復雜地形條件和橋梁結構的風-浪-流耦合作用荷載參數高效準確識別的難題；建立了考慮斜風效應的全橋結構風-浪-流耦合作用三維有限元時域分析方法、基于虛擬激勵法的風-浪-流耦合作用下橋梁隨機振動頻域分析方法、跨海公鐵兩用橋梁車-橋-風浪流耦合動力系統的振動分析方法，研發了相應的軟件，構建了特大型橋梁風-浪-流耦合作用理論方法體系和數值分析平臺，解決了橋梁在風-浪-流耦合作用下的結構安全性、車輛運行安全性和舒適性評價的難題。

解決風-浪-流耦合作用控制難題

研發了海洋環境風-浪-流精確預報-實時監測-快速評估一體化的外海橋梁施工窗口期決策技術、抑制橋梁風-浪-流耦合振動的寬頻帶多重調諧質量阻尼的控制技術，發明了消減風-浪-流耦合作用荷載的沉箱復合基礎、套筒與導浪板組合的消浪裝置、大型橋梁深水預制基礎定位沉放控制系統、新型柔性浮式防波堤，形成了特大型橋梁施工、運營全過程的風-浪-流耦合作用控制技術，解決了風-浪-流耦合作用控制難題。

填補橋梁風-浪-流耦合作用設計空白

提出了橋梁風-浪-流耦合作用設計原則、橋梁風-浪-流耦合作用荷載組合模式、橋梁深水基礎波浪荷載參數取值實用方法，建立了橋梁風-浪-流耦合作用靜動力效應驗算方法，編制了國內外首部《特大型橋梁風-浪-流耦合作用設計指南》，填補了橋梁風-浪-流耦合作用設計方面的空白。

展望

21世紀，隨著我國交通網絡的逐步完善及“一帶一路”“海洋強國”等國家戰略的實施，橋梁工程建設逐漸從內陸走向近海和遠海。在惡劣海洋環境中，跨海特大型橋梁極易遭受強臺風、巨浪、急流等多災害耦合作用而致災。項目研究團隊將進一步依托國家重點研發計劃課題“風浪流耦合及撞擊作用下超大跨橋梁致災機理與安全防控技術”、中交集團重大科技項目“直布羅陀海峽跨海交通工程建設關鍵技術研究”等科技項目，以及瓊州海峽跨海通道工程等重大工程項目，繼續深入開展科技研發、工程驗證和推廣應用，引領特大型橋梁風-浪-流耦合作用研究向前發展。

風-浪-流三維數值水槽模擬

車-橋-風浪流耦合動力系統的振動分析方法

風-浪-流精確預報-實時監測-快速評估一體化施工窗口期決策技術

項目完成單位風采

中交公路規劃設計院有限公司

中交公路規劃設計院有限公司(簡稱“公規院”)成立于1954年，原為交通部公路規劃設計院，1999年改制并入中國路橋(集團)總公司，現為中國交通建設股份有限公司的全資子公司。

成立65年來，經過幾代人不懈探索和持續創新，公規院實現了從單一產業到全產業鏈（規劃策劃、可行性研究、投融資、勘察設計、工程建設、運營維護、資產處置）、從國內到國外、從公路到大土木行業的基礎設施全壽命周期、全過程一體化咨詢服務產業格局。

公規院擁有對外承包工程資格，工程設計綜合甲級資質、工程咨詢甲級資質、工程勘察綜合類甲級資質、城鄉規劃甲級資質、國土規劃甲級資質、公路總承包一級資質、公路行業甲級資質、市政行業甲級資質、建筑行業甲級資質、安全生產許可證、國家CMA認證、公路工程試驗檢測綜合甲級資質、公路工程橋梁隧道工程專項甲級資質、公路及橋梁工程施工監理甲級資質、園林景觀綠化設計資質，同時是代政府部門審查評估單位和商務部對外援助項目咨詢單位。現有員工1200余人。

橋梁國家工程研究中心總部及各分中心布局

河北固安研發基地

結構實驗室

橋梁基礎實驗室

高性能材料實驗室

安全監測實驗室

公規院培養了十佳全國優秀科技工作者1名、全國工程勘察設計大師4名、中國青年科技獎1名、百千萬人才工程國家級人選4名、享受國務院特殊津貼專家28名等一大批行業領軍人才。公司現擁有專業公司8家、區域公司21家、辦事處3家。

改革開放以來，公規院榮獲國家、省部級科技進步獎和優秀設計獎300余項，包括國家級技術類獎項近100項和省部級科技類獎項200多項。特別是近年來，屢獲國際國內重大獎項，其中國際級FIDIC杰出土木工程獎（項目獎、優秀獎）4項，ASCE“2010年度杰出土木工程成就獎”1項，FIB“混凝土結構杰出貢獻獎”1項，國際橋梁大會“喬治·理查德森大獎”“古斯塔夫·林德塔爾獎”“國際路聯杰出工程獎（GRAA）”等6項，國家級科技獎勵7項，中國土木工程詹天佑大獎6項。連續8年榮獲“中國工程設計企業60強”，2018年位列榜單第16位，位列中國交建14家設計單位首位。

中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司

中交公路長大橋建設國家工程研究中心(簡稱“工程中心”)是根據《國家發展和改革委員會辦公廳關于開展公路長大橋建設國家工程研究中心組建工作的批復》(發改辦高技〔2011〕2679號)、由中國交通建設集團有限公司主管建設的國家級研發平臺，是國家發改委和交通運輸部在橋梁領域布局的唯一國家工程研究中心，也是中交集團實施創新驅動發展國家戰略的示范基地。

作為工程中心建設和運行的法人實體，中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司成立于2012年，由中交公路規劃設計院有限公司牽頭聯合中交第二航務工程局有限公司、中交第二公路工程局有限公司、上海振華重工(集團)股份有限公司、重慶萬橋交通科技發展有限公司等6家單位組建。目前為中交集團所屬的二級子公司。

工程中心的主要任務是圍繞國家重點工程建設和行業發展需求，建立大跨度、深水域及外海橋梁建設亟需的關鍵技術與裝備的研發和工程化驗證平臺，重點開發水深大于50米橋梁深水基礎設計與施工技術及裝備、長大橋梁結構體系、關鍵結構設計與施工技術及裝備、高效裝配式橋梁設計與施工技術及裝備、長大橋梁結構安全監測檢測與風險評估技術及裝備等參與相關技術標準的制定，推動國際合作與交流，為相關企業提供技術咨詢服務，提升我國橋梁建設的核心競爭力和創新能力。