特大型桥梁风-浪-流耦合作用研究

文|中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司 刘高 张喜刚 刘天成 陈上有 吴宏波 程潜

中交公路规划设计院有限公司 孟凡超 徐国平 侯斌 邓科 秦建军

中交第二航务工程局有限公司 张鸿 杨炎华

交通运输部天津水运工程科学研究所 陈汉宝 刘海源 沈小明 耿宝磊

哈尔滨工业大学 郭安薪

大连理工大学 周道成

深中通道管理中心 宋神友 刘健

在中交公路规划设计院有限公司、中交公路长大桥建设国家工程研究中心、哈尔滨工业大学等多家企业、高等院校、科研院所等联合研究下，保障跨海特大型桥梁在风-浪-流耦合作用下结构的安全性、车辆运行安全性和舒适性这一重大课题成功破题。

项目简介

跨海特大型桥梁面临着深水、强风、巨浪、急流等恶劣海洋环境的严峻挑战。在海洋环境中，风场、波浪场、水流场之间的多场耦合作用及其与桥梁结构之间的多介质动力耦合作用同时发生。如何保障跨海特大型桥梁在风-浪-流耦合作用下结构的安全性、车辆运行的安全性和舒适性，成为亟待研究解决的重大课题。

面向跨海特大型桥梁的建设需求，项目组在国际上率先提出并立项开展“特大型桥梁风-浪-流耦合作用研究”，在国家和省部级科研项目支持下，依托重大桥梁工程进行技术攻关和工程验证，在桥梁风-浪-流耦合作用观测技术与耦合模型、试验方法与平台、理论方法与软件、控制技术和技术标准等方面取得了重大突破。经交通运输部组织的专家鉴定，一致认为：项目形成了具有原创性的研究成果，达到了国际领先水平。

项目获得国家发明专利14项、软件著作权7项，发表学术论文62篇（F5000论文1篇，SCI和EI收录26篇），出版专著2部（获国家出版基金资助），研究成果在港珠澳大桥、马尔代夫跨海大桥等国内外重大工程中获得了应用，为琼州海峡跨海工程等提供了重要技术支撑和储备，显著提升了特大型桥梁建设技术水平。

项目研发历程

深水海域风-浪-流耦合场观测系统

创新成果

首次建立深海海域耦合场观测系统

首次建立了多点、同步、连续的深海海域风-浪-流耦合场现场观测方法及观测系统，获得了“威马逊”等超强台风期和季风期琼州海峡海域的风-浪-流耦合场多点、同步、连续的现场观测数据，解决了深海桥梁工程海域的风-浪-流耦合场现场观测技术难题，为获取深海海域风-浪-流耦合场信息提供了有效手段；发现了台风路径与风-浪-流耦合场特征参数的关系，提出了耦合场风参数和波浪频谱模型，揭示了风场参数、波浪场参数、流场参数的耦合特性。

提出耦合场设计参数确定方法

提出了基于嵌套参数化台风场模型、SWAN波浪场模型、风暴潮数学模型的中尺度风-浪-流耦合场数值模拟方法，并研发了相应软件，解决了深海工程海域海中和桥梁沿线的风-浪-流耦合场时空参数计算和推演难题；建立了风-浪-流耦合场中风速、波高、流速的三维复合极值联合概率模型；基于现场实测和长期历史后报反演信息，提出了特大型桥梁风-浪-流耦合场设计参数确定方法，解决了跨海桥梁极端风、极端波浪和海流作用下的设计难题。

琼州海峡工程海域风-浪-流耦合场观测结果

风-浪-流耦合场特征参数

创建风-浪-流耦合作用下桥梁三维弹性响应模型试验方法

首创了风-浪-流耦合作用下桥梁结构三维弹性响应模型试验方法，研发了桥梁风-浪-流耦合作用弹性响应试验模拟平台，解决了在试验环境下风-浪-流耦合场参数模拟和结构动态响应测试难以实现时间同步、空间相关的难题，以及全桥弹性模型试验气-液-固相似准则难以协调的难题；首次实现了风-浪-流耦合作用下千米级三塔斜拉桥全桥弹性模型试验模拟，揭示了大桥风-浪-流耦合作用弹性响应特性及规律。

建立三维风-浪-流数值水槽模拟方法

风-浪-流耦合场数值模拟方法

桥梁风-浪-流耦合作用三维弹性模型试验平台

风-浪-流耦合作用下2X1500米三塔斜拉桥全桥弹性模型试验

建立了考虑流体黏性、湍流风和波浪破碎效应的三维风-浪-流数值水槽模拟方法，研发了相应的软件，解决了复杂地形条件和桥梁结构的风-浪-流耦合作用荷载参数高效准确识别的难题；建立了考虑斜风效应的全桥结构风-浪-流耦合作用三维有限元时域分析方法、基于虚拟激励法的风-浪-流耦合作用下桥梁随机振动频域分析方法、跨海公铁两用桥梁车-桥-风浪流耦合动力系统的振动分析方法，研发了相应的软件，构建了特大型桥梁风-浪-流耦合作用理论方法体系和数值分析平台，解决了桥梁在风-浪-流耦合作用下的结构安全性、车辆运行安全性和舒适性评价的难题。

解决风-浪-流耦合作用控制难题

研发了海洋环境风-浪-流精确预报-实时监测-快速评估一体化的外海桥梁施工窗口期决策技术、抑制桥梁风-浪-流耦合振动的宽频带多重调谐质量阻尼的控制技术，发明了消减风-浪-流耦合作用荷载的沉箱复合基础、套筒与导浪板组合的消浪装置、大型桥梁深水预制基础定位沉放控制系统、新型柔性浮式防波堤，形成了特大型桥梁施工、运营全过程的风-浪-流耦合作用控制技术，解决了风-浪-流耦合作用控制难题。

填补桥梁风-浪-流耦合作用设计空白

提出了桥梁风-浪-流耦合作用设计原则、桥梁风-浪-流耦合作用荷载组合模式、桥梁深水基础波浪荷载参数取值实用方法，建立了桥梁风-浪-流耦合作用静动力效应验算方法，编制了国内外首部《特大型桥梁风-浪-流耦合作用设计指南》，填补了桥梁风-浪-流耦合作用设计方面的空白。

展望

21世纪，随着我国交通网络的逐步完善及“一带一路”“海洋强国”等国家战略的实施，桥梁工程建设逐渐从内陆走向近海和远海。在恶劣海洋环境中，跨海特大型桥梁极易遭受强台风、巨浪、急流等多灾害耦合作用而致灾。项目研究团队将进一步依托国家重点研发计划课题“风浪流耦合及撞击作用下超大跨桥梁致灾机理与安全防控技术”、中交集团重大科技项目“直布罗陀海峡跨海交通工程建设关键技术研究”等科技项目，以及琼州海峡跨海通道工程等重大工程项目，继续深入开展科技研发、工程验证和推广应用，引领特大型桥梁风-浪-流耦合作用研究向前发展。

风-浪-流三维数值水槽模拟

车-桥-风浪流耦合动力系统的振动分析方法

风-浪-流精确预报-实时监测-快速评估一体化施工窗口期决策技术

项目完成单位风采

中交公路规划设计院有限公司

中交公路规划设计院有限公司(简称“公规院”)成立于1954年，原为交通部公路规划设计院，1999年改制并入中国路桥(集团)总公司，现为中国交通建设股份有限公司的全资子公司。

成立65年来，经过几代人不懈探索和持续创新，公规院实现了从单一产业到全产业链（规划策划、可行性研究、投融资、勘察设计、工程建设、运营维护、资产处置）、从国内到国外、从公路到大土木行业的基础设施全寿命周期、全过程一体化咨询服务产业格局。

公规院拥有对外承包工程资格，工程设计综合甲级资质、工程咨询甲级资质、工程勘察综合类甲级资质、城乡规划甲级资质、国土规划甲级资质、公路总承包一级资质、公路行业甲级资质、市政行业甲级资质、建筑行业甲级资质、安全生产许可证、国家CMA认证、公路工程试验检测综合甲级资质、公路工程桥梁隧道工程专项甲级资质、公路及桥梁工程施工监理甲级资质、园林景观绿化设计资质，同时是代政府部门审查评估单位和商务部对外援助项目咨询单位。现有员工1200余人。

桥梁国家工程研究中心总部及各分中心布局

河北固安研发基地

结构实验室

桥梁基础实验室

高性能材料实验室

安全监测实验室

公规院培养了十佳全国优秀科技工作者1名、全国工程勘察设计大师4名、中国青年科技奖1名、百千万人才工程国家级人选4名、享受国务院特殊津贴专家28名等一大批行业领军人才。公司现拥有专业公司8家、区域公司21家、办事处3家。

改革开放以来，公规院荣获国家、省部级科技进步奖和优秀设计奖300余项，包括国家级技术类奖项近100项和省部级科技类奖项200多项。特别是近年来，屡获国际国内重大奖项，其中国际级FIDIC杰出土木工程奖（项目奖、优秀奖）4项，ASCE“2010年度杰出土木工程成就奖”1项，FIB“混凝土结构杰出贡献奖”1项，国际桥梁大会“乔治·理查德森大奖”“古斯塔夫·林德塔尔奖”“国际路联杰出工程奖（GRAA）”等6项，国家级科技奖励7项，中国土木工程詹天佑大奖6项。连续8年荣获“中国工程设计企业60强”，2018年位列榜单第16位，位列中国交建14家设计单位首位。

中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司

中交公路长大桥建设国家工程研究中心(简称“工程中心”)是根据《国家发展和改革委员会办公厅关于开展公路长大桥建设国家工程研究中心组建工作的批复》(发改办高技〔2011〕2679号)、由中国交通建设集团有限公司主管建设的国家级研发平台，是国家发改委和交通运输部在桥梁领域布局的唯一国家工程研究中心，也是中交集团实施创新驱动发展国家战略的示范基地。

作为工程中心建设和运行的法人实体，中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司成立于2012年，由中交公路规划设计院有限公司牵头联合中交第二航务工程局有限公司、中交第二公路工程局有限公司、上海振华重工(集团)股份有限公司、重庆万桥交通科技发展有限公司等6家单位组建。目前为中交集团所属的二级子公司。

工程中心的主要任务是围绕国家重点工程建设和行业发展需求，建立大跨度、深水域及外海桥梁建设亟需的关键技术与装备的研发和工程化验证平台，重点开发水深大于50米桥梁深水基础设计与施工技术及装备、长大桥梁结构体系、关键结构设计与施工技术及装备、高效装配式桥梁设计与施工技术及装备、长大桥梁结构安全监测检测与风险评估技术及装备等参与相关技术标准的制定，推动国际合作与交流，为相关企业提供技术咨询服务，提升我国桥梁建设的核心竞争力和创新能力。