波浪力对近海桥梁上部结构冲击作用研究现状及方法对比分析

高慧兴 贾景涛

（吉林建筑大学 交通科学与工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

进入21世纪，人类在沿海地区的活动日益增加，对于沿海地区的交通需求也越来越大，由于我国有着3.2万km长的海岸线，这使近海桥梁在我国交通网络中的比重逐渐增大。在过去20年内，随着我国“海洋强国”、“交通强国”战略、“一带一路”倡议等一系列重大战略决策的持续推进，我国的近海桥梁工程建设取得了巨大的技术进步和成就，东部沿海地区建设了大量的跨越江河海湾的大型桥梁，其中包括全长31.63km的青岛胶州湾跨海大桥、全长35.7km的杭州湾跨海大桥以及全长55km的港珠澳跨海大桥。在国家发改委颁布的《全国海洋经济“十三五”规划》以及“十四五”规划中均提到了要统筹推进基础设施的建设，加快建设交通强国，要拓展投资空间，推进包括新型交通水利等在内的重大工程建设，更多高难度的近海桥梁和通道工程进入了论证和规划阶段。但是，我国处于环太平洋地区，是世界上受台风和风暴潮灾害最严重的国家之一，平均每年约有7.2个来自于西北太平洋地区的台风登陆我国，仅在2020全年，经过我国海域或登陆我国大陆的台风就有20个。每当台风经过时，通常会破坏甚至摧毁沿海地区的桥梁，世界各地都有过台风摧毁近海桥梁的记录。以2004年的飓风Ivan和2005年的飓风Katrina为例，据不完全统计，至少44座西太平洋海岸线的近海桥梁遭受了毁灭性损坏；2013年台风海燕同样也损坏或摧毁了大量的沿海桥梁，灾后修复或更换这些受损桥梁消耗了大量的人力、物力和财力。

虽然近些年来，工程界已经开始重视近海桥梁工程，国内外许多学者在波浪对近海桥梁上部结构作用方面已经做了许多研究，但是由于近海桥梁工程兴起相对比较晚，并且桥梁与波浪相互作用的相关理论以及设计经验仍然相对来说比较匮乏，因此开展近海环境下波浪对桥梁上部结构冲击作用的研究具有十分重要的意义。本文通过分析波浪力对近海桥梁上部结构冲击作用的研究现状及方法对比。

1 近海桥梁破坏的主要原因

导致沿海地区桥梁破坏的主要原因是：台风的到来会产生风暴潮增水，由此引起的海平面上升，导致近海桥梁底部有效净空减小，同时台风引起的巨型波浪直接作用在桥梁结构上，近海桥梁上部结构受到巨大的波浪砰击作用，导致桥梁上部结构发生梁体位移、梁体脱落和梁体断裂等破坏情况。在该过程中，波浪力是导致近海桥梁损坏的主要原因，波浪力主要由准静止力和砰击力组成，波浪对桥梁上部结构的砰击作用本质上是多种介质相互作用的过程，其中主要为波浪砰击结构、水弹性以及气液固三相耦合等复杂的物理现象。

2 近海桥梁受波浪力影响的研究现状

早在1970年Wang[1]便通过在波浪水槽试验的方法，探究了波浪对水平平台的上升压力，在改变一系列波浪参数和水深等进行试验后，发现上升压力主要是由两个分量组成，一个是波浪对底板的初始冲击压力，另一个是由不同波浪参数而缓慢变化产生的压力分量，这与French[2]所得的结果一致。而在现有发表的研究报告中，Denson[3-4]是最早开始研究有关桥梁结构所受到的波浪力，Denson根据在卡米尔号飓风中遭到损坏的圣路易桥梁，制作了一个缩尺比为1∶24的桥梁模型，在波浪水槽中分别测试了不同净空和波高的工况下桥梁模型所受到的波浪力，虽然所使用的波浪太过单一，并且周期固定且只对浅水波进行了试验，但是对桥梁受到波浪力的探索具有十分重要的意义。

尽管20世纪70年代便已经开始了波浪力作用的研究，但针对近海桥梁所受波浪力展开研究的也只有小部分，其余大多是关于沿海地区的海洋工程建筑物所受波浪力的研究。21世纪初，两场超强飓风伊万和卡特琳娜登陆美国，并对沿海地区桥梁造成巨大的损失，两起灾难让工程界的目光开始投向了近海桥梁。2009年，Cuomo[5]参照美国90号高速公路Mobile海湾大桥的陆海连接段，在实验室进行了一个1∶10的桥梁模型试验，首次测试研究了在不同波浪参数和净空条件下，在桥跨方向桥梁上部结构受到的波浪作用力，同时还测试了泄气孔开启或者关闭时对桥梁模型上部结构的影响；Guo[6]于2015年开展了缩尺比为1∶10的T型桥梁上部结构模型的水动力试验，并基于势流理论建立了全淹没桥梁上部结构在受到正向入射波作用下的二维波浪力预测模型，在验证正确性后，将理论模型与美国AASHTO规范方法进行了对比，并且发现AASHTO规范方法中存在的缺点；Huang[7-8]在2018年，在水槽实验室内，建立一个缩尺比为1∶30的箱型桥梁模型，通过采集分析箱梁上部结构受到的波浪力，建立了箱型桥梁上部结构极端波浪力的计算模型；Fang[9]在2019年采用周期性的聚焦波对箱型桥梁模型的波浪作用进行试验研究，通过测量得到波浪力数据，分析无量纲波浪力对相对最大振幅/波陡的关系，以及波浪力的各分量之间的相对关系，并将结果与已有的两种方法进行比较；2021年，费立轩[10]通过水动力模型试验，研究了规则波对悬空的方梁与箱梁的砰击作用，得到模型前侧壁受到的横向砰击作用与波浪参数的关系。

在大量学者利用水槽试验探究桥梁上的波浪力时，也有大批学者凭借高性能计算机的发展，将计算流体力学方法应用在越来越多的波浪-结构相互作用研究中，利用商业软件如Fluent、CFX、Flow3D 或开源CFD 程序包OpenFOAM建立起了波浪数值水槽，开始对近海桥梁所受波浪力的问题展开了全新的、有针对性的研究。Jin和Meng[11-12]利用商业CFD软件Flow-3D建立起数值水槽，利用该数值水槽，作者模拟不同工况下桥梁上部结构受到的波浪力，并将数值模拟结果与已有的计算方法进行对比，指出美国AASHTO规范中存在高估波浪力的情形，并根据模拟结果给出估算近海桥梁上部结构波浪力的经验方法；Chen[13]使用开源计算流体动力学软件OpenFOAM，探究聚焦波群与剪切流之间的相互作用，以及它们与底置立式圆柱之间的相互作用，提高了数值水槽的准确性；肖圣超[14]利用全过程模拟海啸生成，利用传播及爬高软件COMCOT 和开源数值模拟软件OpenFOAM，研究桥梁在波浪作用下的破坏机理；Zhang[15]利用商业软件ANSYS-Fluent建立起二维数值波浪水槽对桥梁模型进行了数值模拟，在对数值进行分析后，提出桥面的最佳标高为+5.5m的建议，并提出一些关于实践设计工程的建议；王玉琦[16]通过商业CFD软件Flow-3D，研究美国沿海桥梁在2005年Katrina飓风期间在台风风暴潮、浪的共同作用下桥梁结构发生的结构损伤特征，可将上部结构的破坏形式分为梁体移位、梁体脱落和梁体断裂等；赵西增[17]则利用物理模型试验和数值模拟相结合的方法，开展极端波浪对跨海桥梁上部结构作用的模拟研究，重点分析不同淹没状态下桥梁上部结构受极端波浪作用时的波面变化、桥梁底部压强及整体波浪力变化，探究桥梁上部结构发生损坏的可能原因。

3 研究方法对比

3.1 数值模拟与物理模型试验对比

通过阅读已有学者的研究结果，可以将研究方法归为两大类，一类为物理模型试验，另一类为数值模拟试验。在计算机处于萌芽阶段，学者们多以物理模型试验为主，受限于水槽实验室场地的大小，在重力相似准则条件下，计算Froude系数，并最终确定缩尺比。将所需要测量物等比例缩小设计完成之后，放入水槽进行波浪砰击作用的试验，能更为真实地模拟自然界波浪击打桥梁上部结构的情景，所得的数值也更加精确。但是物理模型试验的展开，需要大量的人力，物力和财力，并且将模型等比例缩小，需要选择合适的动力相似准则，然而在选择合适的相似准则过程中，流体力学试验需要满足Strouhal相似准则、Froude相似准则、Euler相似准则和Reynolds相似准则等，选择的相似准则越多，试验模型的设计越困难，甚至根本无法进行，例如：在重力场中使用Froude 准则要求：λV=λL1/2，而模型与原型中的流体相同，需要雷诺数相同，则要求：λV=λL-1，这使得要求相矛盾，即使采用不同的流体介质也很难实现，这就使得想要进行物理模型试验将有诸多不便。

数值模拟是以波浪理论为基础，以计算机为辅助设备，利用现有的可视化软件进行的数值模型的建立和模拟过程。随着计算流体力学（CFD）技术的发展和应用，越来越多的学者开始利用CFD 技术解决工程计算中的难题，数值模拟不需要考虑缩尺效应，可以全尺寸地在软件中进行数值模拟，且操作方便灵活，可以对桥梁构型和波浪要素进行反复的设计优化和对比分析。但是要想得到准确的数值，往往需要精细的建模，选择合适的湍流模型和正确的计算方法，这对计算机的计算性能是一个不小的考验。

3.2 二维与三维数值模型对比

在数值模拟中，选择构建二维模型或者三维模型是一个值得斟酌的问题，不可否认的是，三维数值模型的精确程度普遍比二维数值模型高，但是所耗费的时间也是二维数值模型所不能比拟的。面对较为复杂的桥梁模型，三维模型能比二维模型得到更准确的数值结果，然而目前多数桥梁上部结构的形状都可以视为简单的T型梁桥或者箱型梁桥，这使得目前在选择几维的数值模型上，二维数值模型更受广大学者青睐。Bozorgnia[18]曾经进行了二维和三维桥梁受到波浪力问题的研究，并与Bradner[19]的研究成果进行了对比，发现当波高和水深的比值为0.45时，二维数值模型和三维数值模型之间的最大差异为11%，而当波高和水深的比值为0.36时，最大的差异仅为6%，而在其他情况时，差异可以更小，这可以说明二维数值模型也能得到相对合理的结果。

3.3 湍流模型的对比

在湍流模型的选择上，目前大部分选择的是k-ε模型或者是k-ω模型。k-ε湍流模型中主要分为3种：Standrad模型，Realizable 模型和RNG 模型。其中，虽然Standrad模型参数是已经通过试验数据验证过的，但是仍有着较大的局限性，对有大的应变区域（如近分离点）模拟的k偏大，并且面对有较大的压力梯度、强分离流、强旋流和大曲率流动的模拟精度不够；Realizable模型能精确预测平板和圆柱射流的传播，包括旋转、有大反压力梯度的边界层、分离、回流等现象有更好的预测结果，但是对于强旋转的精确仍有不足；RNG模型是目前k-ε湍流模型中的最优选择，它修正了耗散率方程，在一些复杂的剪切流，有大应变率、漩涡、分离等流动问题比上述两种k-ε湍流模型表现更好。k-ω湍流模型对近壁面处理较好，对逆压力梯度和分离流动精度较高，但是其计算量比k-ε湍流模型要大，而且对壁面的距离比较敏感。

4 结束语

综上所述，国内外许多学者在近海桥梁上部结构波浪力的计算研究方面取得了许多成果，同时在研究桥梁上部结构的波浪力的方法上不断创新，为后续深入研究提供了丰富的资源。但是也可以明显发现，现有的对桥梁上部结构波浪力的研究，都只集中在T型梁桥和箱型梁桥这两种常规桥型，或针对某一具体工程展开的，都有其适用范围，而对于弧形底的鱼腹式桥梁的研究，却处于空白阶段，在我国交通网络迅猛发展的今天，桥梁的技术也日新月异，因此仅仅局限于两种常规桥梁结构，是不足够支撑近海桥梁上部结构波浪力的研究，需要加大鱼腹式截面箱梁的研究，这具有十分重要的现实意义。