桥板波浪荷载的实验和数值研究综述

在过去十多年中，由飓风（台风）或海啸引起的极端波浪对近海桥梁造成了巨大破坏，同时也给当地生命财产造成了巨大损失。例如2004年的Ivan和2005年的Katrina飓风使得美国东南部区域的近海桥梁造成约25亿美元损失，超过500个桥梁上部桥板结构发生移动损坏；2004年的印度洋海啸和2011年的日本大海啸同样也造成上百座桥梁上部结构受损。近年来，我国近海大桥建设经历了跨越式发展，而这些大桥很多又处于易受风暴和海啸影响的开放性海域，一旦遭受极端波浪荷载袭击，将对我国经济和人员造成重大损失。基于此，本文针对近年来桥板波浪荷载的实验和数值研究进展进行了归纳和总结，并对未来的研究做了一定的展望。

2004-2005年是桥板波浪荷载研究的重要节点。在此之前，研究者们更多关注的是波浪对海上平台、近岸堤坝和码头等结构物的作用。随着Ivan和Katrina飓风引起的极端波浪荷载对桥板破坏的发生，研究者们通过实验方法对波浪与桥板结构物的相互作用进行了重点研究，表1按照年份顺序给出了部分重要的桥板实验研究。

      通过对各个实验的波浪类型、桥板截面形状、桥板的固定形式和模型比尺进行归纳、梳理和分析，本文给出了部分总结。（1）当前研究者们大多采用具有单周期和波高的规则波来简化实验研究，而采用不规则波作为入射波的实验研究还仍然偏少；（2）在规则波研究中，斯托克斯波和椭圆余弦波一般用于模拟飓风引起的波浪，而孤立波一般用于表示海啸引起的极端波浪；（3）在桥板和波浪相互作用的实验中，桥板一般被固定在水槽的一定高度上，桥板的可动研究依旧较少；（4）当前桥板截面形状的研究已经从T型截面扩展至箱型截面，但是两种截面桥板的直接对比研究依旧欠缺；（5）不同实验的桥板模型比尺相差较大，由于小比尺桥板模型实验容易忽略桥板细部结构，再加上受困气体在小比尺桥板模型中的作用不一定能反应真实情况，大比尺的桥板模型实验是更为合适和准确的选择；（6）当平底桥板高出水面时，桥板上的波浪荷载主要由抨击荷载(Slamming force)和准静态荷载(Quasi-static force)组成，随着水面的抬升，桥板逐渐浸没至水中，抨击荷载逐渐减小甚至消失。图1和图2分别给出桥板高出水面（悬空状态）和浸入水面（浸没状态）时的波浪荷载在一个周期内的时间变化曲线。

图1悬空平底桥板的波浪荷载随时间变化曲线

图2 浸没平底桥板的波浪荷载随时间变化曲线