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2021年度进展08：桥梁水动力学

发布于：2022-04-01 10:16:01 来自：道路桥梁/桥梁工程 [复制转发]

0.引言

中国是一个江、河、湖泊众多、海域辽阔的大国。随着国家“一带一路”倡议的推进，近年来我国在沿海地区和西部库区建设了大量的深水桥梁，如港珠澳大桥、平潭海峡大桥及正在规划中的琼州海峡大桥等。这些置于深水中的桥梁除与陆上桥梁受到相同的动力荷载之外，还面临着风、浪、流、地震及基础冲刷等多灾害作用威胁，结构受力状态十分复杂。2021年末，西南交通大学深水大跨桥梁研究团队在秦顺全院士指导下，以“跨海桥梁”、“极端风浪流环境”、“基础冲刷”、“流固耦合”、“地震动水效应”、“大跨度浮桥”、“风浪联合作用”为关键词，在web of science 和中国知网上检索、整理了2021年度发表的一百七十余篇典型研究文献，对国内外学者在桥梁水动力学领域取得的科研进展进行了归类总结，希望能对相关研究提供参考。

1.极端风浪流环境及风险评估

伴随着桥梁建设事业由内陆向海洋加速发展，其面临诸如台风、风暴潮、海啸等复杂海洋环境的概率也大大提高。因此，深入了解复杂海洋环境的演变机理对于指导沿海桥梁的建设和安全运营具有重要意义。经分析整理，2021年关于极端环境和风险评估的研究主要集中在风场模拟及模型校准、多元海洋参数联合概率模型、机器学习预测极端事件和海洋灾害风险评估四个方面。

1.1 风场模拟及模型校准

风场模型作为进行波浪和风暴潮模拟的关键驱动，其恰当的选取将直接影响模拟结果。林金波等[1]通过叠加圆对称风场和ECMWF背景风场对台风“天鸽”和“山竹”进行了精细的模拟。由于风场的现场观测资料很少，很难获得准确的实测数据。Shen和Wei[2]以西北太平洋的历史台风数据和气象学资料为基础，建立了一个台风全路径模拟系统来随机生成台风，扩大台风数据库，对台风和风暴潮的研究提供了一个有效工具。Wu等[3]基于大气模式WRF和波浪模式SWAN，建立了南海实时大气-波浪双向耦合模式，能够精确地模拟台风的动力过程和台风产生的台风-浪时空分布。图1展示了通过WRF模式生成的台风“威马逊”风场。

图 1 由WRF模式生成的台风“威马逊”风场图[3]

Fig.1 Wind field map of typhoon " Rammasun " generated by the WRF model

台风作为热带气旋，具有强不对称性、非均匀性和强非线性关系。Benetazzo等[4]通过观测台风期间风浪立体图像和分析波浪频率谱，阐明了极端波浪的发生机理，解释了台风波浪强不对称性现象。对于风暴潮模拟，波浪参数的影响不可忽略，Li等[5]研究了不同的台风条件下，波浪对风暴潮的影响。研究结果表明波浪的存在不仅会使风暴潮强度增大，而且随着台风规模的增大，波浪对风暴潮的影响也会增大。过往风暴潮模型大都采用统计或半经验的方法，常出现统计数据缺失或者准确性不足的情况，Jian等[6]改进以往的统计方法，对经典的一维稳态风暴潮方程进行重新考察和评估，得到了合理的浪涌势估计，并绘制了珠三角沿海区域不同重现期下的风暴潮高度。图2展示了珠江三角洲沿岸两百年重现期下的风暴潮水平。以往的研究，鲜有对有效波高长期趋势和极端特征的研究。Wang等[7]基于ERA5背景风场数据集，评估了1950-2020年南海有效波高的年时空变化，通过Theil-Sen估计器来估计长期趋势，并研究平均和极端有效波高的空间变异性，阐明了有效波高与时间和空间之间的相关性。

图 2 两百年重现期下珠三角风暴潮水平图[6]

Fig.2 Storm surge in the Pearl River Delta under the 200-year return period

近年来，许多学者尝试采用新的方法来提高数值模拟的精度。如采用WBLM（增强波浪边界层模型）来计算优化风阻系数。Shankar和Behera[8]在数值模型中考虑了非线性波-波相互作用以及波浪边界条件的影响，取得了很好模拟效果。但整个过程非常耗时，很难实现实时风暴潮预测。Shankar和Behera[9]更进一步提出了一种计算极端飓风风阻系数（Cd）的增强型方法，该方法在极端风速情况下可以快速准确的估算飓风引发的风暴潮和极端波浪。风场的质量很大程度上影响波浪模拟的结果，减小来自于风场的误差是提高波浪模拟准确度的重要方法。Wu等[10]采用一种定量校准SWAN模型的方法，通过已知平均波高来反算最优Cd值，从而得到高质量的波浪模拟结果。该方法可不局限于特定的模式域或强迫风场。Zieger等[11]结合计算高效型的参数化模型和计算密集型的全动态模型，利用不同的模型网格分辨率来实现计算耗时和计算精度之间的平衡。

1.2 多元海洋参数联合概率模型

台风期间的风、浪、流存在很强的非线性关系，简单的极值叠加可能高估风暴潮的实际作用强度，一个稳健准确的多元联合模型是海洋状态分析和预测的前提。Jiang等[12]利用季节性归一化的月度数据构建了三元联合模型，然后同六种联合模型进行了对比。Li等[13]构建四种不同的copula函数求解有效波高和风暴潮的联合概率分布，对研究区域不同重现期的洪水位进行预测，并对预测精度进行了量化。由图3可以直观看出有效波高、波周期和最大风速间存在相关性。Ma和Zhang[14]使用一种基于物理极限的截断方法来研究非对称海洋数据，并与传统copula函数进行了对比。对比发现，该方法在估计极值方面可以更加准确。Liu等[15]利用组合函数类方法，将累计分布函数与复合极值分布函数相结合，构造了一个新的经验分布模型，新模型能直接反映台风频率对海洋环境因子的影响，更贴近我国南海的风浪特性。20世纪以来，随着温室效应的加剧，极端事件发生的概率逐渐增大。Wang和Liu[16]模拟了风暴潮和合成海啸同时作用在珠江口的极端情况，还讨论了两种极端事件线性叠加结果和完全耦合结果在时空上的差异。该研究展示了一种能够同时模拟风暴潮和海啸的动态耦合方法。

图 3 预处理数据（蓝色）和模拟数据（红色）散点图（Hs、Ts和Vmax）[13]

Fig.3 Scatter plot of preprocessed data (blue) and simulated data (red)

1.3 机器学习预测极端事件

数值模拟的准确性高度依赖边界条件、地形数据以及经验参数。大量的计算时长也会影响预测的时效性。因此，一些学者尝试引入机器学习的方法来辅助预测风浪极端事件。Qiao等[17]评估了五种代理模型在预测极端事件方面的表现，并探讨了有效波高、峰值波周期、峰值波方向和风暴潮高度的时变特征，为台风风险评估提供了新的方向。Kyprioti等[18]基于大型风暴集合预测方法对包含数万个位置的区域进行海岸灾害估计，采用kriging的方法进行地理空间插值，在大幅度减小计算成本的情况下，仅对危害曲线的准确度产生了很小的影响。Meng等[19]尝试使用双向门控循环单元神经网络来预测台风时期的极端波浪。模型在台风发展的初期表现出较高的准确性和稳定性。Lee等[20]将主成分分析和k-means聚类与一维卷积神经网络结合，能够较准确预测台风经过的大面积沿海区域风暴潮峰值。Wei等[21]采用AI模型来预测包括有效波高、波周期、波方向等在内的风浪参数，并与美国南太平洋飓风波浪实测数据比较，取得了较好的预测效果,如图4。朱佩京等[22]基于随机森林构建了预测台风风暴潮最大增水的模型，考虑了七个台风因子对风暴潮的影响，并用真实数据进行了验证。

图 4 有效波高和波浪方向玫瑰图对比（左为实测数据，右为预测数据）[21]

Fig.4 Comparison of significant wave height and wave direction rose diagram (the left is the measured data, the right is the predicted data)

1.4 海洋灾害风险评估

中国沿海是温带和热带风暴多发的区域，合理评估沿海风暴潮灾害危险性对防灾减灾有重要意义。Wang等[23]用Gumbel单变量模型和Gumbel Logistic双变量模型推演了有效波高和风暴潮的重现期以及联合重现期，并根据重现期水平确定了风暴潮的强度等级。图5展示的是山东省沿岸风暴潮灾害指数地图。Tian和Zhang[24]根据实测台风资料，将台湾海峡的台风分为5类，然后通过SWAN+ADCIRC耦合模式，推演出了台湾岛沿岸台风诱发波的风险图。台风过后建筑物的损伤可以用来反映风暴潮强度。Wang等[25]利用地理信息系统（GIS）技术和开放数据，将数值模拟数据导入GIS并转化为淹没深度和淹没面积，利用GIS提取建筑数据，以识别和量化暴露在风暴潮危险中的因素，拟合了暴露因素、淹没深度与破坏程度的函数，从而实现定量评估风暴潮的风险程度。Nofal等[26]开发了一个多灾害飓风风险分析模型，根据飓风对建筑物造成的危害，提出了一种基于强度参数阵列的组合方法。该方法可以识别各种灾害引起的建筑物损伤，更好地量化风暴对结构物的损害。

图 5 山东省风暴潮灾害指数地图[23]

Fig.5 Shandong Province storm surge hazard index map

我国具有1.8万公里的海岸线和1.6万公里的海岛岸线，探究风暴潮等极端灾害的发生机理，建立多灾害联合概率模型对沿海桥梁安全建设运营有重要意义。因此，对极端事件机理的进一步研究和风险评估仍然是未来桥梁水动力学研究的重点方向。

2.桥梁基础局部冲刷研究

冲刷是指水在河床、水坝、桥墩等构筑物周围流动并带走沉积泥沙的过程。冲刷会减少桥梁基础埋深，甚至造成扩大基础底部的掏蚀、裸露及脱空，严重降低桥梁结构的安全与稳定性。冲刷导致的下部基础失效已经成为致使桥梁水毁的重要因素。图6所示即为一例冲刷导致的桥梁水毁事故。本节将2021年学者们对于桥梁基础局部冲刷的研究按照影响因素分析、冲刷监控预测、考虑冲刷的多灾害耦合和冲刷防护措施等四个方面的研究进展进行总结整理。

图 6 冲刷导致的桥梁水毁事故

Fig.6 A case of bridge accident caused by scouring

2.1 局部冲刷影响因素分析

根据冲刷发展特点，目前大多数学者将桥梁局部冲刷影响因素分为桥梁结构因素、周边水土因素、以及其它环境因素三方面。

在桥梁结构因素方面，TüRkben等[27]在清水条件下研究了桥墩几何形状对其冲刷性质的影响。研究发现在所有几何形状中，矩形墩的冲刷坑尺寸最大。Yao等[28]研究了水下复合桩基础的几何参数变化对其局部冲刷深度的影响，发现冲刷深度随着基础在初始床面以上的总高度与上部结构的直径比的增大而增大，随着基础的直径与上部结构的直径的增大而减小。王浩等[29]基于SFM方法研究了不同倾角下圆形桥墩的局部冲刷特性，结果表明随着圆形桥墩倾角增加，冲刷坑面积和体积均呈减小趋势。Gautam等[30]考虑了桩帽和初始沙床间的相对高度的不同，研究了桩帽高度对桥墩局部冲刷的影响，发现虽然不同桩帽高度下桥墩周围的冲刷模式不同，但冲刷深度基本一致；且桩帽部分吃水是冲刷最不利情况。

针对水土因素对局部冲刷的影响，Kadono等[31]研究了动态水位对圆形和圆柱形桥墩局部冲刷影响，发现水位的重复变化会增加局部冲刷深度，但重复一定次数后局部冲刷深度不会随水位变化次数增加而增加。Baduna等[32]探究了淹没深度对桥梁局部冲刷的影响。结果表明部分淹没工况下，冲刷坑深度最大；且淹没深度对冲刷坑形状的影响更大。Bento等[33]通过试验分析桥墩模型周围流场特点的方法来研究水流导致的冲刷流动机制。相比于清水条件等简单水流条件，海洋中的波流作用无疑对局部冲刷的影响更加复杂。一些学者采用数值模拟和实验的方法研究了KC数[34]和[35]对局部冲刷特性的影响。此外，学者们还研究了土壤粘土比例[36]和土壤容重[37]对冲刷特性的影响。

针对特殊环境因素，如采砂坑，碎屑堆积等，一些学者也展开了探索。Francesco等[38]发现当采砂坑位于上游群桩与下游群桩之间时，下游群桩局部冲刷演化速度将显著加快且冲刷深度远大于上游群桩。Cantero等[39]探究了碎屑堆积对于圆形墩柱局部冲刷的影响，结果表明有碎屑堆积的冲刷深度是没有碎屑堆积的冲刷深度的1.18-2.19倍。Palermo等[40]在清水条件下研究了桥墩位置和水深、碎屑堆积情况对于冲刷的影响，发现桥墩位置只影响低水深条件下的冲刷演化和平衡状态。当桥墩有碎屑堆积和较高的水深时，其影响可以忽略不计。

本年度学者们通过实验与数值模拟的方法研究了各类因素对桥梁局部冲刷的影响，为人们对桥梁局部冲刷的认识向前做了推进。但也存在共性问题，无论是实验还是数值模拟的方法，实际环境中影响冲刷深度的因素更加复杂，试验与数值模拟不能全面模拟实际冲刷的情况。实验方法存在实验时间短，缩尺效应带来的偏差等缺点；数值模拟方法目前研究也主要聚焦于单桩，对于其他复杂结构，如群桩承台结构、大型沉井基础等构造物局部冲刷影响因素的研究还需要进一步深入。

2.2 局部冲刷监测预测

桥梁下部冲刷会造成桥梁基础损伤，甚至水毁。因此，对桥梁局部冲刷进实时监测和冲刷深度预测对于桥梁运维决策的制定有直接价值。2021年学者们对局部冲刷的监测预测研究主要集中于监测设备、方法和局部冲刷深度预测研究。

在监测设备的研究方面，Lin等[41]开发了一种基于物联网和人工智能结合的振动阵列传感器冲刷监测系统，可以实时监测桥梁冲刷深度变化。蒋兵等[42]通过新型光纤光栅传感器、单波束测深系统等多种监测设备的组合来动态采集桩侧数据，形成多源桥梁局部冲刷实时感知监测系统，实现了冲刷界面、海床泥沙冲淤变化等一体化监测。监测手段如图7所示。从以上研究可以看出，随着监测技术的日益发展，多设备、技术偶联实时进行冲刷监控是日后的发展方向。

图 7 桥梁局部冲刷多源实时感知监测系统[42]

Fig.7 Multi-source real-time sensing system for monitoring bridge local scour

在监测方法方面，光纤传感因其灵敏度、几何适应性较高、传输距离远等特点，长期以来都是学者们研究冲刷监测的重要手段。Liu等[43] 提出了一种基于超弱光纤布拉格光栅（UWFBG）阵列的分布式光纤传感方法。在使用这种方法时，大部分光纤以螺旋形式安装在桥墩的表面，通过分析埋入沙子中的光纤和浸泡在水中的光纤的信号差异实现冲刷监测，并通过实验验证了该装置的有效性。同样地，Liang等[44]使用基于光纤布拉格光栅（FBG）的光纤传感器，通过测量FBG传感器的反射中心波长偏移来获得冲刷深度，并通过实验验证了该方法的鲁棒性。然而当前技术条件下，光纤光栅传感器测量精度易受水下温度、泥沙特性的影响，仍需改进。

考虑到适用性、经济性，使用动力识别监测冲刷深度的方法也是学者们研究的热点。Ghorbani等[45]提出了一种集成了无痕卡尔曼滤波（UKF）和随机递减（RD）的冲刷监测方法，结果表明该方法可以准确估计冲刷水平。Belmokhtar等[46]通过桥墩一阶固有频率与冲刷深度间的映射关系，实现快速估算冲刷深度；但其适用性随着土壤和结构的变化而变化，因此具有局限性。杨婷婷等[47]基于同样思路，也提出了一种类似的连续梁桥基础冲刷识别方法。

智能岩石作为一种新的磁性智能监测方法也进入了学者们的视野。Li等[48]使用数值模拟方法研究了影响双智能岩石的有效监测范围的因素，发现双智能岩石的有效监测范围取决于智能岩石的相对位置和环境磁场的变化；随着两块智能岩石之间距离的增加，有效监测区域逐渐分离。Zhang等[49]采用结合无人机的智能岩石定位方法来监测桥梁最大冲刷深度并研究了无人机速度、GPS精度等参数对智能岩石定位精度的影响。总体来说，磁性智能方法因其易受地球磁场影响，且磁场梯度方程反演定位困难等缺点，在冲刷监测方法还处于起步阶段。

在局部冲刷深度预测方法方面，本年度学者们主要针对公式优化、数值模拟和算法优化三个方面进行了深度研究。在公式优化方面，Hamidifar等[50]对10个冲刷深度估算方程和8个临界流速估算方程组合，探讨了不同的临界流速估算方程和冲刷深度估算方程对桥墩周围最大冲刷深度估算模型精度的影响并利用统计指标确定了最佳混合模型。Ni等[51]通过与试验比较，检验了三种常用的预测群桩平衡冲刷深度经验方法的准确性。比较发现采用新的有效直径可使预测结果准确性有明显提升。在数值模拟方面，Yazdanfar等[52]探索出了一种新的可以显著提升计算效率的CFD-DEM方法来预测桥墩周围局部冲刷深度。Li等[53]基于流体力学开源软件包OpenFOAM提出了一种水动力和形态全耦合三维数值模型，模拟破碎波引起的坡地海上桩基冲刷并预测其冲刷深度，结果表明该模型对桩侧冲刷深度预测效果较好。

随着大数据与人工智能技术的发展，使用大量监测数据开展冲刷趋势预测分析可以为桥梁管养提供更科学决策。本年度学者们在算法优化上，分别采用现场实测结果或数值仿真结果作为数据集，在不同工况条件下分别使用蚱蜢优化算法（GOA）和前馈神经网络(FFNN)混合随机学习算法[54]、集成模型[55]、Kstar模型混合算法[56]、萤火虫算法和神经模糊推理系统混合的算法[57]、梯度提升树算法(GTB)[58]、人工神经网络与自适应神经模糊系统（ANFIS）[59]、序贯最小优化回归方法[60]、多元线性回归模型[61]、聚类算法与带有自适应运算的遗传程序设计混合算法[62]预测局部冲刷深度并取得了较好的预测性能，并通过参数敏感性分析得到了在所研究条件下冲刷深度正确预测相关性最高的参数。针对本年度预测模型的不确定性研究，Wang等[63]使用人工神经网络做了四种类型冲刷预测方法的不确定性量化。Shahriar等[64]基于实测数据提出了统计模型；扩展了五种确定性估算冲刷深度的模型，并做了模型的不确定性量化。同时揭示了模型失效概率和修正因子间的关系。总的来看，本年度关于冲刷深度预测方法的研究主要聚焦于算法优化部分，这也顺应了当前大数据时代下“智能桥梁”、“智能交通”的需求。

桥梁基础的局部冲刷监测预测是保障桥梁安全的关键一项。随着智能化的全面普及，可以预见，各类智能化技术如计算机图像视觉技术、水下机器人监控技术在不远的将来将会被广泛地应用于桥梁局部冲刷的监测预测，保障交通系统安全运营。

2.3 冲刷多灾害

冲刷是导致桥梁结构破坏的关键因素之一，随着跨江越海桥梁日益增多，桥梁基础局部冲刷造成的危害日益严重。2021年桥梁冲刷多灾害研究重点集中于桥梁结构在局部冲刷条件下的抗震性能分析、冰对桥墩冲刷的影响及洪水和冲刷的耦合作用。

图 8 圆柱墩冲刷形态示意图

Fig.8 Schematic diagram of scouring pattern of cylindrical pier

如图8所示，冲刷会导致桩周土体流失，进而逐渐形成冲刷坑。土体流失会改变桥址周围的地震动特性，影响桥梁的抗震性能。为研究局部冲刷下桥梁的动力特性及潜在破坏风险，梁发云等[65]探讨了冲刷场地的地震特性，给出了局部冲刷场地的地震动快速计算方法。何海峰等[66]对一座三跨连续梁桥进行地震易损性分析，发现在地震作用下，随着冲刷深度增大，桥墩的损伤概率将逐渐降低。Ren[67]对一座钢筋混凝土梁桥在地震和桥墩冲刷共同作用下的寿命进行概率评估，发现冲刷深度加大将延长桥梁结构的自振周期；冲刷深度较小时，桩基的损伤概率随冲刷深度增加而增大，但当冲刷深度超过某一值时，桩基的损伤概率反而有所减小。对于复杂结构，Wei等[68]提出了一种基于持久时间法(ETM)的地震易损性分析框架，发现ETM能在不影响脆性分析结果准确性的前提下，显著减少计算量；且地震对系统产生的不利影响仍取决于冲刷深度。

在冰对桥梁局部冲刷的影响研究方面，Wang等[69]对冰塞条件下圆柱桥墩周围冲刷研究，发现在有冰塞条件下，桥墩周围的冲刷深度要大于无冰塞条件下的冲刷深度。同时，Wang等[70]采用室内试验的方法还研究了桥墩附近的冰流过程，发现桥墩附近冲刷坑最大深度和随流速增大而增大。为了更好的了解冰对桥墩冲刷的影响，Valela等[71]建立人工冰盖进行实验测试，发现桥墩周围有冰盖会加剧桥墩周围冲刷程度，而且粗糙的冰盖产生的冲刷深度比光滑冰盖更深。

在洪水对桥梁局部冲刷的影响研究方面，Yang等[72]在冲刷条件下研究了不同桥台、路堤配置的复合河道桥址周围的洪水过程，发现桥头区会产生较高的水土流失风险。Tadao等[73]研究了由台风引起的洪水造成的堤防破坏和桥梁冲刷。发现河流水流条件的变化强烈影响桥梁冲刷风险。

2.4 局部冲刷防护

从原理上看，可以将冲刷防护分为两类，一是改变或减小水流原来的水力特征，如降低来流强度，使其改变流向等。即减弱向下射流和马蹄形旋涡对桥梁基础的冲刷效应；二是在桥梁基础周围的河床铺设保护层，提高桥梁基础对来流剪切应力的抵抗力，以保护下层易受冲刷的泥沙，从而增强桥梁基础对来流冲刷的抵抗能力。

Habib等[74]使用环氧天然橡胶纳米氧化铝片材作为桥墩护套，发现ENRAN板能阻断任意形状的桥墩前方的水流，减小局部冲刷最大深度。Sabbagh等[75]评估了一种新型环形护圈在清水条件下对冲刷的防护作用，并测试了不同流动参数下的最佳防护效果。魏凯等[76]研究了单桩基础海底冲刷防护问题，发现与单向流相比，防冲刷护圈对潮汐流防护效果更优。Farooq等[77]发现当矩形环钩护圈宽度减小时，纵向冲刷段长度减小。

对桥台进行开槽处理也是一种常用的冲刷防护措施。Sehat等[78]研究了收敛槽对于局部冲刷的影响，发现收敛槽可以显著降低冲刷效应。Saad等[79]发现相比于直型槽，L型槽的防护性能更加出众。AIy等[80]发现各类在各类开槽冲刷减缓措施中，直型槽表现最为优异。改变桥墩或桩身本身形状、尺寸等特征也可作为局部冲刷防护对策。Yang等[81]研究了多孔单桩的冲刷问题，发现桩身冲刷深度随着孔隙率的增加而逐渐减小。

还有一些学者探索了采用导流结构来减小冲刷危害。Ranjbar等[82]对比了不同导流结构的影响，发现水下三角导流结构可使桥墩最大冲刷深度降低40%。Malik等[83]开展了圆形桥墩冲刷实验，发现在水流的上游方向的墩身接设一个三角棱柱体可以有效减小局部冲刷深度。侧向入流可耗散更多的水跃能量从而发挥减冲作用，Abdelmoaty等[84]研究了侧向入流控制下的局部冲刷，发现当入流角不是90°、120°和150°时，可以有效地减少冲刷坑的深度与体积。此外，河床长度因素也不可忽略。Tuama等[85]探讨了河床下游长度的影响，发现当下游距离等于桥墩直径时，床基位置对冲刷深度的减小有显著影响；同时提出了估算圆形桥墩附近冲刷深度的新经验公式。

在改变桥梁基础形式来提高桥梁抗冲刷能力方面，齐梅兰等[86]试验对比了抛石颗粒的级配及抛石层厚度对冲刷防护效果的影响。抛石防护实验布置如图9所示。试验发现增大桩间净距可减小群桩局部冲刷深度；当抛石层厚度较小时，非均匀抛石可取得更优的防护效果。其次，在基础周围设置保护层也可作为防冲刷措施，黎蔚杰等[87]在倾斜海床下研究了波流共同作用的局部冲刷，发现保护层的设置可以有效降低桩周局部冲刷深度。Zhang等[88]对比了接箍底座和接箍柱对单桩基础在恒流条件下的冲刷防护效果，发现两者均能提高防冲刷的有效性。考虑到对桥梁结构改造可以增加桥梁的稳定性，Sanadgol等[89]研究了加设底梁措施对减少圆形墩冲刷深度的作用效果，发现墩台长宽比小于2时，该措施表现良好。

图 9 抛石防护实验布置图[86]

Fig.9 Stone throwing protection experimental arrangement diagram

以上研究中的局部冲刷防护措施方法多样，都可以在一定程度上提高桥梁基础防冲刷能力。但由于工程复杂性，多数研究也没有考虑修筑成本和人为活动的影响；且以上研究方法单一，很少考虑多种措施结合防护的情况。未来研究需要考虑极端灾害下的影响和经济因素来完善已有措施并探究新的防护措施。此外，更要注重多种措施结合防护；防护工程与人类活动的相互作用，并加强局部冲刷防护的有效性评估。

综上发现，近年来桥梁科研人员对基础局部冲刷研究的热度高涨。相比于去年，局部冲刷防护的相关研究明显增多。此外，冲刷影响因素分析与冲刷监测预测一直以来都是学者们研究的热点。尤其在当下信息爆炸的背景下，大数据、人工智能技术的飞跃发展，该方向在接下来一段时间内仍将是研究热点。相对于其他三个研究方向，冲刷的多灾害研究同去年一样还是较少。同样遗憾的是，本年度对于冲刷机理的研究也较少。而未来随着沿海和山区桥梁建设的发展，冲刷与波浪、潮汐、洋流和泥石流之间的共同作用将成为未来的研究重点。

3.墩柱水动力

3.1 波浪和桥梁墩柱结构的相互作用

沿海桥梁的墩柱除了传递上部结构荷载，还需承受波浪或水流荷载。因此，对沿海桥梁墩柱的水动力研究至关重要。

李东洋等[90]以珠海某预应力混凝土连续刚构桥为例，比较了各种波浪力计算方法在计算桥梁上部梁体和下部墩柱时的不同。设计中通常认为波流垂直作用在桥墩上，不考虑入射角度和长径比的影响。Han等[91]通过数值模拟的方法，发现圆端形桥墩所受波浪力的大小随着L/D（L圆端形桥墩的直线部分长度；D为圆端部分直径）和入射角度的增加而增加，随后提出了满足工程精度要求的水平波浪荷载峰值计算公式。大跨度桥梁下部结构复杂，除桥墩外，承台和桩基上的波浪作用也是研究的重点。干桂轩等[92]数值模拟研究了规则波和大直径群桩桥梁基础间的相互作用。结果表明，群桩间的水体相互作用使群桩结构中的单桩所受的波浪力存在多个峰值，且波浪力最大值可达单桩波浪力的2倍以上。董伟良等[93]人采用数值水槽，研究了深水高桩承台桥梁基础上的波浪-结构相互作用，并分析了群桩桩基、承台和墩身的波浪力特性，结果表明墩身处水平波浪力受承台波浪绕射影响明显，其最大增幅超过250%。Wang和Qiu[94]采用试验研究，考察了水深、桩间距、桩身斜率、桩身倾角、承台结构等因素对群桩基础波浪力的影响。试验表明水位较高时，承台部分分担的波浪力占总波浪力的98%以上。同时发现在承台上设置类整流罩形式的锥形坡（图10）反而会增大基础所受波浪力。

图 10 桩帽顶部的承台锤形坡[94]

Fig.10 Conical slope on the top of the pile cap

波浪在发展到一定阶段后开始破碎。破碎波可大致分为崩破波，卷破波和激破波。其中卷破波会在结构上产生较强的冲击荷载，其荷载峰值甚至可以达为相同波高非破碎波的5倍以上。魏凯等[95]利用数值水槽通过逐渐浅化底面来形成破碎波，随后对破碎波作用下圆端形桥墩的受力特性进行了研究。结果表明圆端形桥墩所受破波力随桥墩L/D增加，先增加后趋于稳定，且圆端形桥墩破波力峰值主要由冲击力控制。赵文玉等[96]人对比了不同CFD软件(Flow-3D、REEF-3D)和经验公式所计算的破碎波荷载计算结果。发现两种软件都有较好的稳定性，与实验值的差距较小，而经验公式得到的破碎波荷载是实验值的3倍。Qu等[97]对比了采用不同湍流模型模拟破碎波浪与圆柱相互作用时的效果。对比结果表明，k?ω SST模型在水面高度和破波力方面与实验吻合较好，对于湍动能的预测较差；而k?ε模型不能够很好地预测水面高度和破波力。

以上方法均是通过在数值水槽底部设置渐变地形的底坡来生成破碎波浪。由于在试验过程中对已有水槽进行底坡改造成本较高，一般考虑采用聚焦波理论生成破碎波。其原理是在聚焦点处，通过叠加不同频率的规则波使得波变得陡峭进而发生破碎。Hong等[98]在西南交通大学水槽通过聚焦波理论生成破碎波，研究了破碎波与矩形截面高桩承台(未考虑基础和墩身)的相互作用，随后对比了不同截面桥墩所承受的破碎波浪荷载（Hong等[99]），结果表明破波荷载对几何形状敏感，相同投影宽度下方形墩的荷载大于圆形墩的破波荷载。波浪或者水流作用在柱体上将产生水面爬升现象（波浪涌高）。岳磊[100]通过物理模型试验，研究了规则波、不规则波和聚焦波与圆柱的相互作用规律，根据试验数据总结出各种波浪作用下的圆柱涌高经验计算公式。Gao等[101]对等边三角形布置的圆柱上波浪涌高进行了数值模拟, 讨论了波浪在三圆柱体附近的作用机理。Liu等[102]通过数值模拟研究了单个圆柱及串联双圆柱上的波浪力和波浪爬升，并且详细讨论了不同桩间距对波浪爬升、波浪力和波浪散射的影响。

在入海口潮汐或者内河洪水作用下，波浪作用较小，水流作用成为主要考虑因素。时健等[103]人采用大涡模拟（LES）建立海洋群桩的二维数值模型，分析了在水流荷载作用下群桩中各个桩的阻力系数、升力系数和桩周环向压力。研究发现前桩的存在会对后桩阻力系数及升力系数产生明显影响，同时群桩范围内流速较低，产生由内到外的压力。陈泽富[104]以某临时钢栈桥下部的3排串列钢管桩为研究对象，进行二维数值模拟分析。商宇薇等[105]采用k-ε模型二维数值模拟了串列3圆柱桥墩与水流间的相互作用，并进一步分析了桥墩绕流尾迹偏角与桥墩间距以及来流角度的关系。高晨晨等[106]建立了模拟桥墩壅水的平面二维数值模型，并与实验数据进行了对比验证。基于此模型研究了平原河道圆端形桥墩绕流流场结构，分析了桥墩阻水比和上游来流流速对桥前壅水和水面爬升的影响规律。Shalmani和Hakimzadeh[107]采用大涡模拟对不同坡度的半圆锥形桥墩进行数值模拟，研究了不同坡度的半圆形桥墩和圆柱形桥墩的异同，如图11所示。研究证明，与圆柱墩相比，其半圆锥形桥墩可以减小下游流速、底部剪应力和漩涡脱落频率。

图 11不同边坡下的版圆锥形桥墩的瞬时流线[107]

Fig.11 Instantaneous stream-lines of the flow around the semi-conical pier with different side slopes

3.2 地震动水效应

跨海、跨江桥梁和西部库区桥梁多位于深水中，地震作用下，水体和桥墩之间产生相互作用，其对桥梁的动力响应有显著影响。过去一年里，许多学者在深水桥梁-地震耦合作用研究方面取得许多进展。

赵秋红等[108]采用有限元软件ADINA建立了波浪-桥墩-地震相互作用的精细化模型，比较了地震、波高及地震-波浪相位差对深水桥墩动力响应的影响。研究结果表明，地震与波浪间的相对差对桥墩动力响应影响显著，对于所研究桥墩形式，当相位差在0-2π间变化时，相位差对其最大响应幅值的影响接近54%。由于最不利相位差的取值与地震频率、桥墩水下基频和结构形式密切相关，作者又进一步推导了最不利相位差的计算方法及适用条件，将相位差的影响引入到工程设计中。针对近海结构中采用的单桩基础结构，赵密等[109]建立了考虑水-桩-土相互作用的端承桩在桩顶水平动力荷载作用下动力响应的解析解，并推导出桩顶峰值位移对应的频率随水深的增加而减小，当水深小于15m时，其对桩位移的影响较小，可以忽略不计。吴堃, 李忠献[110]通过对4个钢管试件进行水下振动台试验，系统研究了不同激励幅值、激励频率、截面直径和不同水深下的深水桥墩地震动水压力的变化规律。试验结果和Morison方程间的较大误差，表明Morison方程不能直接用于计算地震作用下桥墩动水压力，应通过大量的水下振动台试验予以修正。矩形空心桥墩是铁路桥梁中广泛应用的墩柱形式，Liang等[111]基于辐射波理论提出了矩形空心桥墩地震动水附加质量的解析公式，并给出了相应计算空心矩形桥墩地震反应的简化模型，为深水矩形空心桥墩水动力的计算提供了参考。Zhang等[112]则研究了承台与群桩间的耦合作用对深水高桩承台基础地震响应的影响。研究结果表明承台-和群桩间的耦合作用会增大承台的动水附加质量，但是对群桩基础的附加质量影响很小，忽略二者的耦合作用不会对结构的动力响应造成显著影响。图12展示的为该论文中建立的流固耦合数值模型。在单桩基础外，Wang等[113]提出了一种研究水与刚性圆柱阵列在水平地面运动作用下相互作用的解析方法，导出了圆柱阵列流体动力压力的解析解，该方法可为深水群桩基础的地震响应提供参考。沉箱-群桩复合基础是近年来涌现的一种新型深水桥梁基础，不可避免地会收到地震等灾害的威胁。TU等[114]提出了一种计算该结构地震响应的时域简化方法。

图 12 深水高桩承台流固耦合数值模型示意图[112]

Fig.12 Numerical model of the pile group with two piles fully submerged in water

在独立研究深水桥墩动水动力变化外，一些学者也尝试建立考虑水动力的全桥动力模型，研究水动力对全桥动力响应的影响。Zhang 等[115]研究了峡谷地形对跨越V形峡谷的深水连续刚构桥地震响应的影响。图13给出了所研究桥梁的工程示意图。根据实例研究，峡谷地形导致了峡谷中桥梁动力响应的显著变化，与峡谷地形相比，峡谷内水体对地面运动的影响较小。Chen等[116]建立了包括海水层和海底覆盖层的海水-海床淤泥质-桥梁耦合模型，研究了海水和场地条件对连续梁桥地震反应的影响，研究结果表明，考虑海水层会放大桥墩的相对位移，但对桥墩内力的影响有限。海水和淤泥质土共同作用下，桥梁结构的位移和内力响应放大最为显著，这对桥梁的抗震性能非常不利，在抗震设计中应予以重视。Guo等[117]得到的结论与Chen等[116]人类似，同样建议应考虑土层和水体二者耦合作用对桥梁结构的影响。Zhang 等[118]分析了在不同地震类型（远场、近场脉冲和近场非脉冲）下，波浪力对桥梁构件和全桥模型地震易损性的影响。计算结果表明，波浪力会增加跨海大桥的动力响应，但是波浪力对跨海大桥地震易损性的影响可以忽略。殷旭东，陈维田[119]以库区某特大跨度墩-塔-梁固结体系斜拉桥为工程背景，分析了库区蓄水状态对结构动力特性的影响。分析结果表明，墩水耦合作用将导致库区桥梁结构振动周期延长。强震下，蓄水会造成主墩主塔地震内力和主梁纵向位移增大，在进行墩柱配筋和交界墩搭接长度设计时应进行考虑。位于大型深水库区的桥梁易受近断层地震动的威胁，Zhang等[120]以某库区公路连续刚构桥为例，分析了其抗震性能与震后修复经济成本。分析结果表明，随着水库水位的升高，结构的弹性降低，经济损失增加。所研究桥梁在最高水位和近断层地震滑冲效应的共同作用下，抗震表现最差。地震作用下，多跨桥梁间的伸缩缝可能发生相互碰撞。Deng 等[121]则考虑深水高墩桥梁流固耦合效应，研究了地震作用下，多跨间伸缩缝的冲击现象对桥梁响应的影响。其中动水压力以梯度累计附加质量的形式作用于主墩和过渡墩。研究结果表明，考虑伸缩缝的冲击作用可降低动力作用下主墩的地震反应。伸缩缝间的冲击作用对主墩结构安全是有利的。

图 13 V形峡谷深水连续刚构桥示意图[115]

Fig.13 Illustration of the example deep-water continuous rigid-frame bridge in a V-shape canyon; all dimensions are in meters

在传统结构动力响应之外，一些学者尝试从易损性角度分析地震-水体-桥梁间的相互作用，推动深水桥梁抗震设计理论发展。吴文朋等[122]讨论了动水压力和桩-土相互作用对深水高墩大跨桥梁动力特性和抗震性能的影响。研究发现，考虑动水压力和桩-土相互作用会降低高墩大跨桥梁的振动频率，且二者的影响主要体现在下部结构振型参与较高的高阶模态。同时考虑动水压力和桩-土相互作用时，深水高墩桥梁的地震响应并不是简单的促进或者抵消，而是与地震动的大小，频谱特性等相关。赵金钢等[123]等以90 m高的矩形空心薄壁钢筋混凝土深水高墩为研究对象，以截面临界曲率值为损伤指标，研究了深水高墩的易损性。研究结果表明，当水深超过45 m后，高墩最大损伤概率变化不大且截面曲率概率需求基本一致，45 m水深为深水高墩显著水深。因此，应重点分析水深达到高墩高度一半时深水高墩的损伤情况。王德斌等[124]比较了某近海桥梁引桥段在海底地震动和陆地地震动下的易损性曲线。分析结果表明，相对于陆地地震动，海底地震动会显著增加桥墩的损伤概率，最大增幅高达23.44%。基于陆地地震动进行近海桥梁抗震性能研究会低估桥墩的损伤并错误判断桥梁的易损部位。马安财等[125]通过对设置粘滞阻尼器的某跨海连续梁桥简化模型进行阻尼器参数优化，计算结果表明，虽然动水压力增大了桥梁的地震反应，对桥梁的动力响应特性有较大影响，但采用粘滞阻尼器可有效减小跨海连续梁桥的地震反应，改善桥梁结构安全抗震性能。Patrick 等人[126]研究了列车-桥梁系统在地震和波浪作用下的动力响应。采用Newmark-β方法求解地震、波浪、桥梁和列车之间的耦合效应，然后采用机器学习方法替代有限元法提高了计算效率。研究结果表明：地震和水动力的综合作用的影响会造成系统动力响应明显增大。

3.3 波流作用下的桥梁结构研究

在极端海洋环境中，波浪和水流作用都不可忽略，且波流耦合机制复杂，所以波流作用下沿海桥梁的受力研究也是近年的研究重点。Yang等[127]进行了一系列波-流耦合相互作用试验，探究了波流相互作用以及竖向圆柱体在波-流相互作用下的受力特性，提出了一种非线性叠加的方法，估算在海啸波或孤立波与流共同作用下圆柱体的受力情况。Liu等[128]人对黄茅海大桥的主墩进行了单波和波-流耦合作用下的试验研究，发现在波流耦合作用下，波浪荷载的变化趋势与纯波浪条件下相似。随着冲刷深度的增加，由于浅水中的波浪变形，承台上的荷载减小。陈华[129]通过三维数值水池模拟了单流、单波以及波-流联合作用下深水桩基础的动力响应。研究表明当水流较大时，波-流作用大于波浪作用，当水流较小时，波-流作用小于波浪作用。

4.桥梁上部结构水动力作用

4.1 波流与桥梁上部结构相互作用

沿海桥梁在面临风暴潮、恶劣海洋天气时，桥梁上部结构有可能承受极端波浪的冲击，进而发生结构失效。结合灾后调研和现有文献研究（桥梁工程学术研究综述 2021[130]），极端波浪作用下，桥梁上部结构破坏原因可分为以下三种。一、竖向浮托力和水平力作用下导致的脱空、偏位或倾覆；二、波浪力使梁体发生竖向变形甚至引发强度破坏；三、极端波浪对上部结构的直接冲击力。Yuan等[131]在考虑各种波浪参数和淹没条件下，计算了桥面板竖向和水平力的破坏阈值，并在考虑水平和竖向两个方向约束下讨论了落梁破坏（图14(a)）和倾覆破坏（图14(b)）两种破坏模式。Xu等[132]分析了海啸作用下桥墩底部处的倾覆力矩与上下结构连接处的倾覆力矩。研究表明在桥梁被海啸完全淹没时桥梁所受的倾覆力矩最大，并提出了计算海啸冲击桥梁时的冲击阶段最大荷载经验公式。这些研究为在极端波浪环境下的沿海桥梁设计和维护提供了参考。

图 14 在极端波浪作用下的破坏模式和受力[131]

Fig.14 Typical failure modes and forces of the simply supported bridges suffered from extreme waves

在真实的海洋环境中，波浪形式复杂，而波浪谱能够反映出波浪自身统计特性。Huang等[133]绘制了平潭海峡大桥桥址区的波谱，为计算平潭海峡大桥桥位处的波浪力提供参考。为了简化试验或者数值模拟研究，通常应根据波浪特性选取相应的规则波来模拟真实波浪情况（Chen等[134]）。Moideen and Behera[135]采用聚焦波研究了极端波浪下的T梁受力情况，并对比了数值模拟结果和美国国家公路和交通管理协会(AASHTO)的设计方法间的差异。对比表明，在桥梁部分淹没或全部淹没条件下，AASHTO公式会在较低的波高下高估水平力峰值。Wang等[136]提出了一种混合代理模型，来预测孤立波作用下T梁上的水平和竖向力。Fang等[137]采用周期性聚焦波的方法研究了波浪和桥梁之间的相互作用。试验结果表明，最大水平力和竖向力大约发生在桥面被波浪几乎或者完全淹没时。左光升[138]采用数值模拟的方法，用孤立波代替海啸来模拟极端波浪下箱梁桥的受力情况，发现箱梁梁高和梁底间的相对宽度对波浪力的影响更大，随着梁高增加，水平和竖向波浪力都随之增加。大部分波浪与桥面板的相互作用的试验研究或者二维数值模拟都只考虑波浪垂直拍打在桥梁上，然而实际情况中，波浪传播方向和桥梁存在角度偏差。Farvizi, F.[139]用溃坝波模拟海啸通过物理实验研究海啸与斜箱梁的相互作用，探究不同海啸来流方向、强度和桥面净空对箱梁桥受力的影响，并根据实验结果提出了倾斜桥面上的海啸力估计公式。

以上研究多单独针对于T梁或者箱梁，而鲜有在相同波浪条件下两种梁的对比研究。（Chen等[140]、Chen等[141]）通过数值模拟分别对孤立波和规则波作用下T梁和箱梁的横向位移进行对比研究，讨论了净空高度、波高与桥面板自重对桥面板横向位移的影响。在桥梁未被淹没或者部分淹没时，T梁的横向位移较大，而当桥梁被完全淹没时，则箱梁的横向位移较大。Yang等[142] 建立三维数值溃坝模型来模拟海啸波，对比研究了海啸与T梁和箱梁两种箱型间的相互作用。结果表明T梁的水平力峰值较大，且持续时间较长；当波浪高度可以冲击整个桥面时，桥面板形状对水平力的影响不大。杨志莹等[143]人同时还对比了孤立波和椭圆余弦波对T梁和箱梁的冲击。两种梁与波浪相互作用的瞬时流场如图15所示。数值分析结果表明。两种波浪作用下，箱梁收到的水平力峰值均小于T梁。在孤立波作用下的箱梁所受竖向力峰值大于T梁，而在椭圆余弦波作用下，箱梁所受竖向力峰值小于T梁。

图 15 两种梁与波浪相互作用[143]：(a) t = 2.95 s;(b) t = 3.05 s;(c) t = 3.20 s;(d) t = 3.50 s

Fig.15 Interactions between waves and bridges :(a) t = 2.95 s;(b) t = 3.05 s;(c) t = 3.20 s;(d) t = 3.50 s

4.2 桥梁减荷措施研究

在研究波浪和桥梁的相互作用机理之外，一些学者也在探索如何有效减小作用在桥梁上的波浪力。从桥梁结构自身出发，可以通过改变桥梁与水流作用的几何形状来实现，例如在桥面板添加整流罩，改变桥墩外形或者粗糙度等。也可在远离桥位处设置能够消散波浪或者水流能量的装置，例如防波堤或海沟。基于以上几点，本小节对2021年有关桥梁所受水动力的减荷措施研究进行了综述。

F. Greco等[144]研究了在溃坝波下整流罩对T梁所受波浪力的削减效果，并通过参数化分析，得出了效果最优的整流罩外形。Qiao等[145]对多孔圆柱和具有开孔圆柱外壳的实心圆柱与波浪的相互作用进行了物理模型试验和数值模拟，分析了孔隙率和多孔圆柱半径对波浪力和波浪高度的影响，发现孔隙率越大，波浪力越小。加攀星等[146]研究了波浪作用下双钢壁开孔对波浪力的影响，并用BP神经网络拟合出折减系数关于开孔率、波陡、相对水深、迎水面宽度参数下的关系式。Gao等[147]等人研究了在桥位前方布置防波堤或者海沟对箱梁所受波浪力的影响，研究发现，海沟或者防波堤都能有效耗散波浪能量，减小箱梁上的波浪力。Xue等[148]提出了一种由三半圆组成的新型下沉式防波堤（图16 新型防波堤数值水槽示意图）并用数值模拟验证新型防波堤对于波浪与T梁相互作用的影响，结果发现，新型防波堤较传统梯形防波堤对T梁有着更好的防护性能。

图 16 新型防波堤数值水槽示意图[148]

Fig.16 Schematic diagram of the computational domain for the proposed breakwater

除下沉式防波堤外，浮式防波堤也是近年来的研究热点。Qu等[149]人系统分析了波浪高度、水深、防波堤淹没深度、防波堤与桥梁间距、防波堤宽高比等参数对浮式防波堤性能的影响。殷雪霜等[150]研究了当规则波作用时，浮式防波堤对于桥墩所受波浪力大小、波面高程的影响。研究表明，采用浮式防波堤后，波浪涌高将显著降低，迎浪面压强明显减小，波浪力可降低40%。

5.大跨度浮桥

21世纪以来，我国先后建成了一批具有代表性的跨海桥梁工程，建造技术达到了很高的水准。然而在深水或海床条件差的海域，传统的建造方案难以实施，浮桥则通过采用浮式基础，可以较好地解决上述问题，并且在建造成本、环境保护等方面具有一定优势。目前在美国、日本、挪威等国已建成数座永久性浮桥，由于其独特的结构形式，在环境、车辆等外部环境下，与传统桥梁相比其结构响应差异较大，一些学者以此为对象进行研究。He等[151]以位于华盛顿湖上的连续浮桥为例，建立带垂荡板的连续浮桥在波浪作用下的数学模型，分析垂荡板数量及其尺寸对浮桥水动力性能的影响。结果表明，垂荡板对浮体的水动力性能有显著影响，垂荡和横摇激振力随垂荡板数量的增加而增大，而横荡激振作用则相反。Kv?le等[152]通过功率谱密度法对挪威Bergs?ysund桥进行随机响应预测，发现当波浪作为唯一的激励源时，除扭转分量外其它预测结果吻合良好。上述既有浮桥或为连续浮箱体系，或为桥面高度较低的离散体系，难以满足通航要求。为此，如图17所示，已有学者对包括斜拉桥-浮式连续梁桥和浮式多跨悬索桥在内的多种浮桥方案开展概念设计[153-156]

图 17跨挪威Bj?rnafjorden峡湾浮桥结构概念[157]（斜拉桥—浮式连续梁桥）

Fig.17 Concept designs for floating bridge across the Bj?rnafjorden fjord in Norway

针对各浮桥概念设计，许多学者对其在波浪条件下的响应进行了研究。Rajabi等[158]对Bj?rnafjorden峡湾侧锚式直浮桥主要连接部位在均匀波作用下的响应进行模拟，分析了柱梁节点在长短峰波、浮箱间相互作用、系泊系统等因素下的波浪力，发现浮体间的相互作用不可忽略，锚泊系统不仅减小了节点处的波浪力，还降低了弯矩。在海洋或近海结构的设计中，对于规模相对较小的构筑物，通常假设环境条件在短期内是均匀的，然而对于横跨数千米峡湾的浮桥，桥址处地形复杂，采用均匀环境的假设往往低估其结构响应[159]。因此，一些学者开展了非均匀波及其对浮桥影响的相关研究，发现波浪沿浮桥在空间上表现出不均匀性。然而，由于缺乏长期的气象数据，无法确定用于研究的海况条件。为此，Cheng等[160]利用WRF模型和SWAN模型分别对风浪参数进行模拟，得到过去16年的后报数据，然后对挪威某峡湾风浪参数的长期空间不均匀性进行评估。研究表明波高、峰值周期和平均波向由南向北逐渐减小，位于海峡南面的平均风速及风向变化较小，北面变化较大。Dai等[161]选择Sulafjord海湾为对象，对2015年该海湾10个测点的波浪环境进行模拟，建立了不同的非均匀波条件，研究在各条件下采用不同建模方法对长直侧锚式浮桥整体响应的影响。结果表明，波浪在空间上表现出渐变的不均匀性，可采用降低分辨率的方法以提高计算效率。接着，该学者基于文献[162]实测数据，探讨非均匀波浪条件下系泊链的响应，发现系泊链的拉力极值主要由其预应力控制，几乎不受波浪非均匀性的影响，而波浪不均匀性对系泊链的疲劳损伤有很大影响[163]。Xiang等[164]提出一种基于有限元和状态空间模型的时域分析法，研究在不同波浪条件下波浪激振力的空间非均匀性对浮桥动力性能的影响。表明随着浮桥长度的增加，其结构动力响应对于波浪的非均匀性更为敏感，非均匀波可减小多跨浮桥的水平响应，而垂直方向的响应则得到增强。上述有关非均匀波及其对浮桥响应的研究取得有效的成果，然而波浪参数多为基于短期实测数据的模拟结果，缺乏长期的海况数据，难以精确地指导工程设计。

此外，还有学者研究了浮桥的结构形式、两岸连接方式以及桥上移动荷载对浮体响应的影响。其中，Wan等[165]针对新加坡某浅海海域，探讨浮桥曲率以及两端连接类型对浮桥响应的影响，发现在规则波作用下，曲率显著降低了浮体的纵荡，而对垂荡和纵摇的影响有限；浮桥两端采用柔性连接时，浮体的纵荡、垂荡和纵摇运动较大，而对纵向力的影响不大。然而，该研究结果仅适用于浅水、短跨的浮桥，对于深水大跨浮桥，其动力特性可能有较大的不同。Wei等[166]以浮式悬索桥概念设计为研究目标，分析在波浪荷载、波浪激振力以及风致荷载条件下，垂跨比对浮式悬索桥桥塔动力响应的影响。表明当垂跨比由1/7减小到1/13时，梁侧向响应明显减小，跨中垂向位移响应增大，而桥塔的动力响应随垂跨比的减小而减小。汤淼[167]针对跨越Bj?rnafjorden峡湾的曲线浮桥方案，得到不同的承台形状、垂荡板以及承台淹没深度对浮桥水动力特性的影响规律，发现椭圆承台削弱横荡方向波浪力的效果最佳，设置垂荡板可调节整桥的固有周期，减小浮体的运动响应，相对于全潜式平台，半潜式的受力和经济性更佳。以上研究大多为波浪对浮桥运动效应相关的响应，很少涉及波流条件下的响应。Miao等[168, 169]提出了一种计算在波流联合作用下移动荷载对浮桥动力特性的模拟框架，其中文献[168]研究了车速对浮桥响应以及系泊力的影响，结果表明波浪与车辆作用引起的浮桥响应以及系泊力具有一定的叠加效应。文献[169]则分析车速和相邻车辆间距对浮筒竖向位移的影响，研究环境参数对动力特性的影响，表明相比环境荷载，浮筒由移动荷载引起的竖向位移明显增大。上述对浮桥在风、浪、流以及车辆等条件下响应的研究有了较为深入的认识，然而有关浮桥动力响应机理的研究还较为缺乏，相关工作有待进一步研究。

总的来说，浮式桥梁的研究虽取得了一定的进展，但是相关工作并不完善。浮式桥梁作为跨度大、结构刚度小的结构，桥址处风、浪、流等环境荷载不均匀性对结构的响应影响很大，对于沿海环境荷载的空间监测相关的研究还较为缺乏，且目前已有的研究多为单荷载或多荷载联合作用下的结构响应，对于环境荷载、车辆等多场耦合机理及其作用下的结构响应机理还有待研究。此外，回顾2021年，涉及大跨浮桥的研究成果多为数值结果，缺乏模型试验的验证，浮式桥梁模型试验不同于张力腿平台（TLP）和立柱式平台（Spar）等海洋平台，考察如何采用相似准则进行浮式桥梁模型试验设计尤为重要。

6.桥梁风浪联合作用研究

跨海桥梁要承受风，浪等荷载的综合作用，深入理解风、浪的演变规律和两者的耦合机理以及掌握桥梁在风浪联合作用下的动力响应特性对保障跨海桥梁安全建设运营有重要意义。

在风浪场耦合演变机理方面，Liu等[170]通过试验研究了水槽机械造波、风致波浪及两者共存的混合波的演变机理，并提出了无量纲波浪能和风浪峰值频率的经验公式。研究发现：机械造波在所有工况下，对风致波浪的发展都有抑制作用，而风致波浪仅在部分工况下会抑制机械造波的发展。图18展示了不同波高情况下，波浪频率与波高功率谱密度间的变化趋势。柯世堂等[171]提出了一种经改进的风-浪耦合数值方法，该方法能够保证耦合边界处空气和水两相速度方向的一致性。在此基础上，研究了波浪传播的时空演化规律，并推导出了风、浪、流多场耦合机理，结果表明风对波浪的波长影响较小，对波高影响较大，风－浪耦合后波峰会变得更加陡峭。

图 18 频谱的演变[176]

Fig.18.Evolution of spectrum

（红色面和蓝色面分别为仅波浪存在和风浪共存两种情况下的波浪频谱。黄色圆点为仅风存在时的频谱峰值，黄色虚线为黄色圆点在蓝色面上投影，绿点为高频区域峰值。）

在风浪耦合作用及结构动力响应方面，Qu等[172]和Wen等[173]考虑了风速、波高、淹没深度等因素，分别研究了孤立波、规则波与风联合作用时的近海低矮桥梁水动力作用。结果表明强风将导致波浪对桥面板的冲击强度加剧，使结构处于更危险状态。崔圣爱等[174]以元洪水道跨海大桥为原型，建立风-浪-车-桥耦合数值模型，研究了风浪组合下系统的气动荷载、列车和桥梁动力学指标的变化规律，研究表明：在相同条件下，车桥系统的安全性将随着波浪荷载重现期的增大而降低，桥梁跨中横向位移和横向加速度受风速影响显著。李宛玲等[175]用Flow3D软件建立了风浪-海床-单桩的三维单向耦合数值模型，研究了风浪荷载共同作用下，桩基响应与风速、风剪切系数、波高等参数间的关系。Chen等[176]以刚构桥施工期间双悬臂结构为研究对象，考虑流速和群桩效应的影响，研究了脉动风和波浪联合作用下的结构动力响应，并提出了一种结构短期脉动效应分析方法。薛思思[177]采用支持向量机算法对实测数据进行训练，确定了理论风-浪相干函数的模型参数。并在此基础上，计算了不同相关性下的同步风-浪荷载，研究了斜拉桥的动力响应，发现风浪在低频段会呈现出较高的相干性，并且相干性会随着频率的增加而逐渐降低。Yu等[178]以风浪联合作用下的结构位移为指标，对比了时间序列预测技术和有限元分析结果的差异，探讨了三种不同时间序列预测技术（XGBoost、LSTM、ARIMA）的性能。

综上所述，2021年关于桥梁风浪联合作用的研究取得了一定进展，但由于数值模拟和试验环境条件的偏理想化，目前的研究工作不足以全面透彻地揭示风浪联合作用的演变机理。但可以预见的是，随着桥梁建设不断向深海延伸，相关方面研究将会稳步推进。

致谢

本年度进展整理工作由秦顺全院士牵头，祝兵教授指导，徐国际教授负责撰写，魏凯副教授、重庆交通大学黄博副教授修改完善。徐国际课题组的研究生薛世豪、徐勇、金元杰、吴庆宏、陈新、谢伟波，以及本科生刘玲、冷双金参与了文献收集、整理和归纳工作。由于时间和笔者水平所限，上述综述难免存在疏漏和不妥之处，还望广大读者批评指正。

团队简介

祝兵，博士，教授，博士生导师，长期从事桥梁水动力学和桥梁流固耦合动力学理论与应用研究，主要研究方向为桥梁波浪动力学、桥梁与波流相互作用、桥梁流固耦合动力响应和计算流体动力学。主持国家自然科学基金重点项目、基金面上项目、四川省应用基础研究重大前沿项目、铁总科技研究计划课题重点项目及重大工程科研项目30余项。研究成果已应用于平潭海峡公铁两用大桥，甬舟铁路跨海大桥等多座国家重大工程，获重庆市科学技术一等奖1项、中国铁道学会科学技术一等奖2项、陕西省科学技术二等奖1项和铁道部科学技术进步二等奖1项。在国内外权威学术刊物上发表学术论文100余篇。参加编著国家和行业技术标准3部，主审英文版规范1部。担任Journal“ Urban Rail Transit(URRT) ”杂志编委。国际SCI杂志Ocean Engineering, Journal of Bridge Engineering, Applied Ocean Research, Construction & Building Materials, Advances in Structural Engineering, Structural Engineering and Mechanics等审稿专家。申请和获批国家发明专利4项、软件著作权5项。

邮箱：zhubing@swjtu.edu.cn

徐国际 ，博士，教授，博士生导师。入选国家级高层次人才青年项目，四川省高层次人才计划，西南交通大学“扬华计划”。于美国路易斯安纳州立大学获得土木工程博士学位和计算机硕士学位，曾任职于美国圣母大学自然灾害模拟实验室(NatHaz Modeling Laboratory)。研究方向为桥梁流体动力学，工程优化，多灾害下桥梁结构安全与韧性。目前主持国家级项目2项，担任美国土木工程师学会，海岸/海洋/港口/河流学会、中国力学学会会员，美国工程力学学会流体动力学委员会委员，中国空气动力学会风工程和工业空气动力学专业委员会委员。担任ASCE期刊《Journal of Bridge Engineering》青年编委、《交通运输学报》英文版青年编辑、《中南大学学报》（自然科学版）青年编委、《华东交通大学学报》编委、多家国际杂志专刊客座编辑、30余个国际期刊审稿专家。联系邮箱：guoji.xu@swjtu.edu.cn。

杨万理 ，博士，教授、博士生导师，图学及BIM研究所副所长，四川省力学学会流体力学专业委员会副主任，研究方向为地震下深水桥梁动水荷载计算理论、滨海桥梁波浪荷载及结构安全、桥梁水毁机理及防护、桥梁防冲蚀材料研发、围堰施工技术与桥梁BIM等。主持自然科学基金等科研项目10余项，发表论文60余篇，申请专利11项，主编、参编教材3本。联系邮箱：68360903@qq.com

魏凯，博士，副教授，博士生导师。长期从事长期从事深水大跨桥梁水动力作用的理论与应用基础研究。主持国家自然科学基金项目、区域创新发展联合基金课题、国家重点研发计划子课题等4项，主研国家及省部级科研项目7项，作为项目负责人承担了4座世界级桥梁工程的科技攻关项目。入选四川省千人计划青年人才、西南交通大学“雏鹰学者”，获2017年上海市科学技术二等奖、西南交通大学2016-2020年教学成果一等奖等。任SCI期刊《Sustainability》编委和国内首本桥梁工程英文期刊《Advances in Bridge Engineering》的“桥梁水动力学”方向联系人，发表SCI论文50余篇。联系邮箱：kaiwei@swjtu.edu.cn。

张明金， 博士，博士后（在读），研究员，硕士研究生导师，主要从事桥梁风工程、大跨度桥梁设计理论等方面的研究，负责西南交通大学深水大跨桥梁实验室的建设工作。发表期刊论文62篇，其中SCI收录32篇，EI收录18篇，授权国家发明专利8项，授权软件著作权3项目，主持国家重点研发计划子项目2项，主持国家自然科学基金1项，作为主持或主研人员先后开展了龙江大桥（世界最大跨度山区钢箱梁桥）、大渡河大桥（川藏第一桥）等20余座特大跨桥梁的抗风研究工作，作为负责人承担了世界最大跨度斜拉桥——常泰长江大桥横桥向恒载不对称结构力学行为研究。相关研究成果获省部级一等以上科技进步奖3项。联系邮箱：zhang108119@163.com。

康啊真 ，女，博士，讲师，硕士生导师。主要研究兴趣为深水桥梁基础，桥梁水动力学，桥梁风浪耦合动力学，流固耦合相关。西南交通大学“青苗计划”获得者，主持国家自然科学基金项目2项，四川省科技厅应用基础面上项目1项，中央高校基本科研业务费科技创新项目1项等。针对波浪-流-跨海桥梁结构相互/耦合作用的基础理论与工程应用等的相关成果发表在Ocean Engineering, Journal of Bridge Engineering, Computers & Fluids, 土木工程学报，工程力学等国内外主流期刊，授权软件著作权2项。参与了多座深水大跨桥梁设计、施工中工程难题的攻关工作，包括在建的甬舟铁路西堠门公铁两用大桥，平潭海峡公铁两用大桥，宜宾临港长江大桥等。联系邮箱：azkang@swjtu.edu.cn；xiaokang_198610@163.com

遆子龙 ，博士，讲师。现在西南交通大学桥梁工程系秦顺全院士团队工作，2018年博士毕业于西南交通大学桥梁系，美国加州大学洛杉矶分校联合培养博士，香港大学开展博士后。获2018年西南交通大学优秀博士论文。主要从事跨海桥梁风浪作用的水弹与气弹耦合问题研究。主持国家与省部级项目三项，研究成果发表在Applied Energy, Engineering Structures, Journal of Bridge Engineering, Ocean Engineering，工程力学等国内外主流期刊，担任Journal of Bridge Engineering等多个期刊的审稿人。

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只看楼主我来说两句

北葵向暖n 沙发

谢谢楼主分享

2022-04-02 13:48:02
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白白zz 板凳

谢谢分享

2022-04-01 15:08:01
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