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      2022年度进展04：桥梁水动力学

      发布于：2023-04-17 09:22:17 来自：道路桥梁/桥梁工程 [复制转发]

      引言   ★

      随着“一带一路”倡议的推进，众多跨海、跨江和跨库区的深水桥梁不断涌现，如平潭海峡公铁两用大桥、正在建设中的甬舟铁路西堠门公铁两用大桥等。深水桥梁除了受到与陆地桥梁相同的动力荷载外，还可能面临巨风、风暴潮、急流、海啸、地震、洪水、冲刷等多种自然灾害的侵袭，严重威胁其建造与运营安全。2022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”、“风浪流联合作用”等为关键词，在web of science、中国知网上检索、整理了2022年度发表的两百余篇相关研究文献，对国内外学者在桥梁水动力学领域取得的科研动态与研究进展进行了归类总结，希望能对相关研究提供有益参考。


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      极端风浪流环境及风险评估

      ★

      不同于内陆桥梁，海洋桥梁面临着台风、风暴潮甚至海啸等复杂海洋动力环境的侵袭，可能遭受巨大的风浪流联合作用，严重威胁其施工及运营安全。因此，深入挖掘分析桥址区复杂海洋环境的演变过程、极端事件的发生及风险评估，对保障海洋桥梁建造及运营安全具有重要工程意义与理论价值。经分析整理，2022年关于极端风浪流环境和风险评估的研究仍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、极端事件的预测和海洋灾害风险评估四个方面。

      1.1 风场模拟及模型校准   ★

      台风是具有极强破环性的低压天气系统，登陆时常常诱发狂风、巨浪、急流、风暴潮等自然灾害，恰当合理的风场模型是准确模拟波浪和风暴潮的关键。台风边界层中包含许多中小尺度环流系统，其精细结构与台风灾害紧密联系，登陆台风边界层强风参数的准确描述对抗风设计及台风风险防御至关重要。 常蕊等 [1] 通过多源观测数据分析和数值模拟手段，揭示登陆台风影响下300m高度内的强风参数及其随距离、海拔高度、下垫面的变化特征。郭健等 [2] 结合桥位风场实时监测数据，采用贝叶斯方法对风速概率模型参数进行动态识别与持续更新，该模型能够呈现不同时刻的风速概率分布及其在台风全过程中的演变规律。钟茜等 [3] 基于中尺度大气模式WRF（Weather Research and Forecasting）模拟了“玛莉亚”台风期间精细化的风场（如图1所示），讨论了下垫面地形变化对台风风场时空演化的影响。郝键铭等 [4] 构造非平稳脉动风速Hilbert谱，表征风速能量的时频分布特征，刻画瞬时幅值、瞬时频率的非平稳性，进行某跨海斜拉桥非平稳风场模拟。Yang等 [5] 利用CFD在小尺度风速模拟中的精度优势，使用Rhino及其包含的插件（如Grasshopper和Butterfly）进行风速模拟，通过提取复杂地形上风速的空间变化，得到一种适合模拟区域性大尺度风场的地形修正方法，进一步建立了台风近地面风场修正模型。Hua ng等 [6] 基于现场实测的风速时程分析，提出了超长跨海大桥三维非平稳风场条件模拟框架，构建了桥址区完整的风场模型。


      图 1 台风“玛莉亚”期间风场 [3]


      最大风半径RMW（Radius of Maximum Wind）是台风模拟中的一个关键因素，由于台风过程的空间和区域特征，考虑到几乎没有能够确定所有场景RMW的通用理论或经验方程，Gong等 [7] 基于遗传算法GA（Genetic Algorithm）和Jelesnianski台风模型，建立GA-台风模型，并为确定RMW计算的最佳参数的确定提供一种通用方法。Xiong等 [8] 将Holland台风模式风场叠加在ERA5风场上，形成一个混合风场，并进行了两次风暴潮数值模拟实验，模拟结果表明，该方法可显著提高ERA5风场在台风中心附近的风速和风暴 潮模拟精度。 罗佳敏等 [9] 将台风风场作为风暴潮模型的驱动风场，利用MIKE21模型进行浙江沿海台风的风暴潮数值模拟。于英霞等 [10] 基于二维浅水方程自主构建的风暴潮模型与浅水波浪数值模型(SWAN)双向耦合，建立了波浪-潮流耦合模式，通过风暴潮模型将风场、水位和流场代入SWAN模型中，SWAN模型又将受波浪状态影响的表面风应力和辐射应力项反馈给风暴潮模型。李心雨等 [11] 利用非结构网格半隐式跨尺度海洋模式，将模拟气压和风场作为驱动场输入风暴潮模式中进行增水模拟试验，比较了WRF与两种台风经验模型模拟台风的精度，发现WRF模拟效果更优。任成才等 [12] 根据飓风风场资料和MIKE21水动力模块，建立高分辨率风暴潮模型并分析不同飓风路径对纽约长岛附近海域增水分布的影响。Zhang等 [13] 基于MIKE21/3耦合模型建立了潮汐-涌浪-波耦合模式，模拟了由热带气旋、寒潮、热带气旋与寒潮耦合等极端天气事件引起的风暴潮和波浪的演化过程，并研究了不同台风路径对江苏近海风暴潮极值和空间分布的影响。Li等 [14] 利用模拟波浪近岸和高级环流（SWAN和ADCIRC）耦合模式，研究了风场和波流相互作用（WCI）对东海北部台风风浪数值模拟结果的影响。

      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相关，若采用简单的线性叠加可能与实际的作用强度存在较大差异。为准确预测及分析桥址区海洋环境，需探寻合适稳定的风浪流多元联合模型。崔圣爱等 [15] 根据现场实测的风浪数据，采用Copula分布模拟风速和浪高之间的相关性，得出了不同联合回归期下的风浪组合值。尚黛梦等 [16] 基于SWAN和ADICIRC耦合模型获取49条台风作用下的浪-潮-流数据，采用三维嵌套Frank Copula模型得到浪-潮-流三维联合分布，获得100年重现期环境等值面。魏凯等 [17, 18] 基于参数台风风场与波-流耦合软件建立了台风作用下桥址区海洋灾害数值仿真模型，研究了风浪流场的时空分布特性，基于3种常用的Copula函数较好拟合风-流、浪-流联合概率分布，并且利用台风混合风场模型驱动SWAN和ADCIRC波流耦合模型实现桥址区海域台风期间的风、浪、潮、流模拟。王凯等 [19] 基于双参数韦布尔分布模型计算平均风速的边缘分布，并采用Lonowe模型计算波高的边缘分布，再结合正态分布得出波浪周期的分布以及平均风速、波高和波浪周期三者的联合概率密度分布，经罗森布拉特变换得到50年重现周期的轮廓面（如图2所示）。Ma等 [20] 建立了一个完整耦合的潮汐-涌浪-波模型，模拟了青岛沿海地区的风暴潮和波浪，考虑了海平面上升（Sea Level Rise）和台风强度（Typhoon Intensification）对风暴潮峰值和浪高的联合影响，发现两者并不是简单的线性叠加，而是呈现出空间上的不均匀和非线性模式。


      图 2 风浪数据轮廓面 [19]

      由于季节变化和极端天气的影响， 海洋数据在长时间 通常表现出非平稳性，因此不能认为它们来自同一个概率空间，需要进行数据的分离和分割。Song等 [21] 基于该方面开展了南海台风多发地点风浪参数的全概率模型研究，首先采用多源数据和基于物理的方法将台风数据与正常风数据分离，然后提出了一种改进的Fisher最佳分割方法，用于正常风数据的季节效应分割，最后利用C-vine联合法建立了环境变量的全概率模型。

      1.3 极端事件的预测   ★

      台风、风暴潮等极端海洋事件的发生往往会给桥梁建造及运营带来巨大的威胁，近年来一些学者采用预测理论模型和数值模拟方法对极端海洋事件进行了预测研究。孙弦等 [22] 引入广义Pareto分布（GPD）极值模型，构建出可能出现的最大台风，将其作为初试强迫场进行风暴潮模拟，确定不同重现期最高增水情况，再叠加天文潮得出预测的最高潮位。熊杰等 [23] 基于已调试验证的全球风暴潮数值预报模型，采用ECMWF细网格预报风场，对台风“烟花”和飓风“艾达”开展风暴潮数值预报检验和分析。Du [24] 等对珠江口地区5种广泛应用的参数风模型及其在风暴潮预报中的性能进行了评价，发现参数风模型的选取直接决定了风和涌浪的估算结果（如图3所示）。Tsai等 [25] 采用有限差分法、时间和空间上的双向网格嵌套函数和不采用任何数值滤波器的移动边界格式，提出了一种计算近海、近岸和沿海地区风暴潮的数值模型。Inagaki等 [26] 结合有限体积法（FVM）和流体体积法（VOF），建立了一种新的考虑空气和水的两相动态相互作用的数值模型，分析和再现台风期间当地阵风对波浪超顶的影响。


      图 3 最大涌浪分布 [24]


      数值模拟的准确性需高度依赖边界条件、地形数据以及经验参数的选取，但预测的时效性却较为局限。近年来，人工智能的发展促使不少学者将机器学习方法引入风暴潮增水预测领域中，以台风相关因子作为机器学习的输入指标进行增水预测，为风暴潮增水预测提供了新的辅助手段。

      周寅杰等 [27] 建立了基于被囊群算法（Tunicate Swarm Algorithm）优化的BP（Back Propagation）神经网络模型，将其应用于台风风暴潮增水预测研究中，提升了模型收敛速度，得到了更好的预测精度及稳定性。刘媛媛等 [28] 建立了长短期记忆LSTM（Long-Short Term Memory）神经网络风暴潮预测模型，该模型擅长处理多因素的时间序列预测问题，适合风暴潮的预测。苗庆生等 [29] 利用LSTM模型强大的长短期记忆能力预测台风期间的风暴潮增水，合理选择影响风暴潮增水的因子，预测增水的变化趋势。Chao等 [30] 提出了一种参数气旋和神经网络混合模型，用于准确、长前置时间的风暴潮预测，该方法降低了网络结构的复杂性，同时保留了重要的台风指标，而神经网络的容错能力缓解了模型输入的一些差异，实现了较好的涌浪预测。      

      1.4 海洋灾害风险评估   ★

      我国沿海台风、风暴潮高发，准确高效地进行海洋灾害模拟及风险评估，对海洋桥梁防灾减灾具有重要意义。考虑到单独依据最大持续风速作为台风灾害评估指标有一定的误导性，任贺贺等 [31] 基于台风10m高度平均持续风速与结构灾害损失百分比函数关系式，提出了新的台风灾害评估指标，针对台风灾害破坏潜力的问题，从台风空间特性和强度方面开展了一系列研究。孙海等 [32] 以受“天鸽”台风影响严重的珠江三角洲地区为例，提出基于栅格水动力学的元胞自动机模型，充分利用高精度DEM数据进行 淹没 预测（如图4所示），并引入云模型对风暴潮灾害进行了综合风险评估。丁玉蓉等 [33] 以黄骅市沿海地区为研究对象，采用海洋水动力计算模型（ADCIRC）建立台风和温带风暴潮漫滩数值模型，结合承灾体脆弱性分析，开展风暴潮灾害风险评估和 区划 研究。孙丰霖 [34] 提出了一种基于Dempster-Shafer证据理论的风暴潮灾害损失评估方法，以最大风暴潮增水、最大有效 波高和防灾减灾能力为灾害损失评估指标，采 用改进的Murphy 证据 融合算法 判断 灾害损失等级。Zhang等 [35] 根据风暴潮的致灾机制识别主要风险源，利用Copulas构建多风险源之间的依赖关系结构，借助地理信息系统（GIS）技术建立可视化场景数据库，形成多风险源下风暴潮快速、准确、全面的定量风险评估方法。


      图 4 最大淹没风险图 [32]


      我国海洋面积300万平方公里，约为陆地面积的三分之一，探究台风、风暴潮等各种海洋灾害的发生机理，建立多灾害联合概率模型并及时预测各种极端事件的发生，同时做好极端事件的风险评估，为保障桥梁的安全建设及妥善运营提供重要科学依据。因此，极端海洋事件的进一步研究及风险评估仍然是未来桥梁水动力学研究的重点方向。


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      桥梁基础局部冲刷研究

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      桥梁基础建成后，其水下浸没部分会对原始流场造成干扰，在基础周围产生回旋涡流、下降水流、马蹄形水流等湍流，这些急速水流会带走桥梁下部结构的沉积泥沙，造成桥梁基础的局部冲刷，大幅减少桥梁基础埋深，最终下部基础失效致使桥梁水毁（如图5所示）。本节将2022年度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四个方面的研究进展进行总结整理。

      2.1 局部冲刷影响因素分析   ★

      针对桥梁局部冲刷的影响因素分析，目前研究学者多从桥梁结构因素（结构形式，尺寸等）、所处水土环境因素（波流，水流，土质条件等）及其他环境因素三方面进行深入分析。

      在桥梁结构因素方面，（1）较多学者针对桩基（垂直桩、斜桩等）、桥墩、墩台复合结构的冲刷问题进行研究。如，程永舟等 [36] 在波流水槽中针对不同倾角的反斜桩开展了局部冲刷试验，在清水冲刷条件下，反斜桩局部冲刷深度始终小于垂直桩；当桩身倾角增加时，平衡冲刷深度逐渐减小。王晓光等 [37] 在不同流速条件下开展了反斜桩、垂直桩、正斜桩等多种工况的水槽试验，发现斜桩桩前最大冲刷深度随倾角的增加而逐渐减小，且正斜桩减小速率更快。张玉良等 [38] 基于Flow-3d数值软件研究了直立桩及侧向倾斜桩的基础冲刷状况，结果表明桩倾斜侧的最大冲刷深度与竖直桩相近，非倾侧冲刷深度小于倾斜侧，大倾角桩桩后冲刷比小倾角桩明显。Nimbalkar 等 [39] 研究了在清水条件下，桥墩几何形状、基础顶部相对于河床水平的位置以及泥沙混合物（均匀和非均匀）对局部冲刷的影响，研究表明冲刷受尺寸参数（桥墩形状及泥沙中值粒径）影响更大。Das等 [40] 基于水槽试验探讨了不同桥墩尺寸、形状和水流流速对位于细沙-淤泥层桥墩冲刷过程和冲刷深度的影响。结果表明，不同的桥墩形状冲刷起始后的扩散不同，平衡冲刷深度的位置也不同。随着流速和尺寸的增大，两种形状的冲刷深度都增加。Keshavarz等 [41] 通过实验研究了在一个180度弯曲的河道中桥墩形状和位置对冲刷的影响。结果表明桥墩几何形状影响最大，桥墩位置影响较小。 上述研究对象主要针对单个墩台基础，部分学者也开展了复合基础的局部冲刷研究，李舜等 [42] 研究了大型跨河工程复合墩台的局部冲刷，与单墩相比复合墩台相对冲刷深度较小。当相对行进流速增大，复合墩台与单墩的相对最大冲刷深度比值随之增大。Mamoon等 [43] 研究了在清水、恒流冲刷条件下，水下双方桩的布置方式对沙床水流诱发局部冲刷地形的影响，结果表明，并联布置和交错布置的最大冲刷深度略大于单桩，而串联布置的最大冲刷深度与单桩相似。 刘诗航等 [44] 研究了群桩结构孔隙率对局部冲刷的影响，当孔隙率p>0.7时，冲刷结果主要取决于单元桩周围的冲刷情况；当p<0.5时,冲刷结果趋向于与群桩外直径相等的单桩冲刷的模式；当0.5<p<0.7< span="">时，冲刷结果呈现由局部到整体的过渡模式。Jan和Lone [45] 研究桥墩相互干扰对局部冲刷现象的影响，当墩距为墩直径的2 倍时，两墩之间的干涉最为明显；随着墩距的增加，干涉逐渐减小，当两墩的间距约为墩直径的8倍时，两个墩表现为独立的墩，互不影响另一个墩周围的冲刷深度。Athar等 [46] 对曲流河道中双圆墩周围局部冲刷问题进行了试验研究，结果表明，当前后桥墩的角度（指的弯道入口画的线到连接弯道中心和弯道外部任何一点的线的角度）分别为40°和80°时，最大冲刷深度最大。除了桩基，沉井基础也广泛应用于深水大跨度桥梁基础中，但沉井体积较普通墩柱相比显著增大，其周围的局部冲刷明显加剧。实际工程应用中为减少沉井的局部冲刷，通过减小沉井上部尺寸，提出了“台阶型沉井”的设计方案。如，Wei等 [47] 对台阶型沉井的局部冲刷进行了一系列试验和数值模拟研究，与传统沉井相比，台阶型沉井周围的冲刷深度和冲刷坑尺寸明显减小；台阶有利于防止向下流动的冲刷，但增大了两侧的加速流动强度；台阶位置适当提高可以减小冲刷深度，但会增加了冲刷坑的尺寸。      
      针对水土因素对局部冲刷的影响 ，（1）一些学者开展了不同流水条件（恒流、潮流、波流等）对基础或墩台局部冲刷问题的研究。如， 高祥宇等 [48] 在波流水槽中研究了水流、潮流、波流共同作用下青州航道桥索塔基础周围的流态变化和局部冲刷特征，当潮流最大流速和恒定流流速一致时，二者最大冲刷深度基本一致；波流共同作用下的最大冲刷深度比恒定流增加10%左右。Du等 [49] 研究了恒流条件下方柱淹没比(即水流深度与桩高比值)对周围局部冲刷的影响，发现最大冲刷深度始终出现在上游角点，而非桩身对称中心点；当淹没比大于1.5时，上游角点的平衡冲刷深度与淹没比无关。由于桥墩等障碍物产生的横向驻波(与水流方向垂直)会影响桥墩和桥台周围局部冲刷的程度，Soltani-Kazemi等 [50] 试验研究了不同水力条件下横向驻波第一模态对菱形桥墩周围局部冲刷的影响，结果表明，横向驻波增加了桥墩周围局部冲刷的最大深度，每一行桥墩数量的增加会增加波幅，进一步导致冲刷深度的增加。De等 [51] 试验研究了波流角对单桩周围冲刷的影响，研究表明相较于90°波流角作用，65°波流角作用下单桩周围产生了更深的冲刷孔，而115°波流角工况产生的冲刷比前两种工况都少；且与纯水流工况相比，波流的相互作用降低了最大冲刷深度。娄晓帆等 [52] 试验研究了水流作用下雷诺数对直立桩柱局部冲刷的影响。结果表明，无论是清水冲刷还是动床冲刷，随着雷诺数的增大，冲刷平衡深度、时间尺度以及冲坑半径均呈现增大的趋势。Chen等 [53] 基于大比尺物理模型试验研究了不同KC数的不规则波浪作用下单桩的局部冲刷形态、平衡冲刷深度和局部冲刷体积，研究发现，当KC（Keulegan-Carpenter）值大于4时，冲刷孔形状由扇形变为椭圆，最大冲刷深度随KC值的增大而显著增大；当KC值大于6时，基于试验结果能较好地预测波浪破碎时的平衡冲刷深度。Roux等 [54] 研究了超临界流条件下桥墩的动床冲刷，发现超临界流动模式对最大深度影响较小，超临界流动中测量的冲刷深度与亚临界流动中相似，并具有相似的趋势。（2）除了考虑流水条件影响，还有 一些学者进一步考虑了不同土质条件（黏性土，非黏性土，泥沙等）对基础或墩台局部冲刷的影响。如， 刘珊和刘浩晨 [55] 针对单向流作用下黏土海床中单桩基础的局部冲刷问题开展了室内水槽试验，结果表明，黏土冲刷的稳定时间、冲刷坑的形状发展与砂土冲刷类似。当水深和入射流速较大时，黏土海床工况还会在桩后1倍桩径（1D）处形成直径大约为1D的冲刷深坑。刘强等 [56] 利用理论公式与物理模型试验结合的方式，研究了文莱大摩拉岛跨海大桥主桥和东、西引桥基础冲刷的深度和范围，并在竣工２年后进行现场实测，研究表明理论公式，物理模型试验和现场实测三种方法的冲刷深度和范围呈现相似的规律，冲刷深度和范围与海床泥沙的特性和基础的尺寸有关，非黏性土的冲刷深度和范围大于黏性土，基础的规模越大，冲刷的深度和范围越大。 Okhravi等 [57] 研究了桩间距、流动条件、泥沙级配对局部墩台冲刷的影响，研究发现，泥沙级配对冲刷的影响随着水流深度的增加而减弱；在相同流量和泥沙条件下，均匀泥沙级配条件下群桩最大冲刷深度随桩间距的减小而增大，而非均匀泥沙级配条件下的群桩未发现类似现象。 高虎等 [58] 研究了河床颗粒中值粒径对桥墩周边局部冲刷的影响，发现冲刷坑的深度随着河床颗粒中值粒径的减小而增大，但是当颗粒中值粒径小到一定程度时，由于泥沙颗粒之间的黏聚力增大导致冲刷坑的深度反而减小。张其一等 [59] 采用k- ε 湍流模型求解N-S方程，结合双向耦合方式跟踪流场中颗粒运动轨迹的方法，对桩周珊瑚砂的冲刷规律进行了研究，研究表明，由于珊瑚砂颗粒密度较石英砂小，水动力作用下桩周更容易形成冲刷坑 。 Wang等 [60] 对由粗砂、中砂和细砂组成的单层和双层沉积物环境下桩基周围的冲刷形态进行了一系列试验，结果表明，上覆土层的性质决定了侵蚀的起始和最终冲刷范围，下覆土层的性质决定了最终冲刷深度；并提出了考虑两层沉积物影响的冲刷深度预测方法。 在复杂的海洋环境作用下，海底会发生孔隙水压力消散及再固结等地质力学现象，导致海底密度周期性变化，然而以往的研究中，大多忽略了海床相对密度变化，有学者开始考虑海床密度对冲刷的影响，Liu等 [61] 对不同海底相对密度（松散、中密、密实）条件下桩周冲刷过程进行了一系列冲刷试验，结果表明，桩周的冲刷时间尺度随相对密度的增大而增大；桩身平衡冲刷深度随相对密度的增大而减小；并基于此推导了适用于不同密度海床的桩周冲刷历史过程、冲刷时间尺度和平衡冲刷深度的新经验公式。      
      在其他环境因素对冲刷影响方面，一些学者除了考虑流水作用，还考虑了结冰、碎屑、上游植被等其他环境因素对基础或墩柱冲刷的影响。Sang等 [62] 基于室内水槽试验，研究了结冰水流条件下串联双墩周围的冲刷过程，结果表明，随着墩距比L/D（其中L是桥墩间距距离，D是桥墩直径）的增大，前墩周围冲刷深度逐渐减小，在桥墩间形成沉积沙丘时，冰雪覆盖条件下的桥墩间距比无冰流动条件下的桥墩间距大20%左右。 Hamidifar等 [63] 通过试验研究碎屑作用下有槽和无槽圆形桥墩对冲刷效果的影响，研究结果表明，有槽对桥墩抗碎屑冲刷有较好的保护作用，不同碎屑形状对桥墩的最大冲刷深度也有影响，其中碎屑形状除反金字塔形状外，其最大冲刷深度一般更小。Miyab等 [64] 研究了上游植被保护对桥墩周围的冲刷深度和流场的影响，结果表明，上游植被保护是改变河流流量、泥沙输运和保护河流生态服务的重要因素，可显著减少桩周冲刷。      
      2022年度学者们采用水槽试验与数值模拟的方法研究了多种因素对桥梁下部结构（单桩、群桩结构等）局部冲刷的影响，也有少数学者开始关注沉箱结构的局部冲刷问题。然而，对于其他复杂结构，如桥梁的群桩-承台基础、大型沉井基础等复杂构造物的冲刷影响机理尚需进一步开展深入研究。      

      2.2 局部冲刷监测预测   ★

      基础或墩台结构的局部冲刷可能引起桥梁结构的损伤甚至水毁，为制定合理的桥梁运维方案和工程抢险措施，对基础局部冲刷的实时监测和冲刷深度的预测是直接且有效的方式。2022年度学者们对局部冲刷的监测预测研究仍主要集中于监测设备、监测方法和局部冲刷深度的预测研究。

      在监测设备的研究方面，夏开奇等 [65] 探索性地将T50R型多波束运用在桥址区地形扫测中，结合BIM融合技术对重点区域冲刷和淤积的范围、深度进行量测分析。为消除水下冲刷多波束数据的显示隐藏问题，吕骥等 [66] 提出一种结合区域隔离和数据色谱阈值的模型尺度调整算法，能有效解决多波束数据显示隐藏的问题。姚昌荣等 [67] 引入倾斜摄影技术，快速重建了桥墩冲刷试验中冲刷坑的三维形态，进而提取试验桩周冲刷坑的冲刷深度。陈亚东等 [68] 研制了瞬时冲淤地形数据获取及测绘的智能系统（如图6），实现了桥梁水下基础周围地形的无线远程监控和动态地形数据的实时获取。倪飞等 [69] 研制了一种河工模型试验中涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统，可实时监测群桩基础周围局部冲刷随时间的动态发展变化特性。      


      图 6 桥梁水下基础附近瞬时冲淤地形数据自动获取智能系统整体布置图 [68]


      在监测方法方面，杜杰贵等 [70] 总结了现有的桥梁基础冲刷监测方法，包括基于力、光、电、磁、热及结构动力响应的监测方法。针对桥梁冲刷监测难题，陈旭辉等 [71] 提出了利用水流冲击产生的加速度响应识别桥墩冲刷的方法，用于桥墩冲刷的精准监测。姚博川等 [72] 提出一种基于动力参数的桥墩冲刷深度识别方法，利用回归分析定量地建立自振频率与冲刷深度之间的联系，借助实测模态数据来反演冲刷损伤的程度。Bento等 [73] 基于潜水摄像机、水下图像处理和计算机视觉程序，在不中断水流的情况下获得瞬时二维床层剖面，实现冲刷过程的连续监测。

      在局部冲刷深度预测方法方面，本年度学者们仍主要针对公式优化、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，胡峰强等 [74] 总结了现有常用的桥梁冲刷深度计算方法，并结合FLOW-3D数值模拟得到不同影响因素下的墩柱冲刷深度变化规律，提出基础合理埋置深度的计算方法。杨程生等 [75] 结合局部冲刷试验结果及现场实测资料的验证，通过量纲分析及多元回归法提出大型沉井基础的局部冲刷计算公式，为长江下游大型沉井基础局部冲刷深度的估算提供理论参考。王甫学等 [76] 对比了中国规范和美国HEC-j18中桥梁基础的局部冲刷计算方法，并给出合理的应用建议。Chaudhuri等 [77] 进行了粘土-沙子混合沉积物环境下圆形桥墩冲刷的水槽试验，从粘土-沙子混合粘性层的最大平衡冲刷深度出发，建立了无量纲冲刷体积的指数方程。Chen等 [78] 考虑了不同海底岩土特性（即砂土摩擦角、砂土密度和砂土渗透力）的影响，对桩在砂土环境中冲刷问题进行了试验研究，提出了桩身海底应力方程、冲刷机理和冲刷深度的预测方法。Abouelfetouh等 [79] 研究了复合河道中翼墙45度的T形桥台周围的冲刷问题，提出了冲刷深度达到平衡状态所需时间的经验算法。Hoffmans等 [80] 提出了基于牛顿第二定律和由一对各向同性涡组成的湍流模型的桥台冲刷方程。利用湍流科学中的工程工具，推导了桥台形状与最大冲刷深度之间的关系。陈羿名等 [81] 考虑基台露出床面对冲刷的影响，提出了砂质河道桥墩局部冲刷深度经验公式。      
      在数值模拟方面，Li等 [82] 基于CFD模拟开展了海啸引起桥墩周围冲刷问题的研究，提出了预测最终冲刷深度的简化算法。Pizarro等 [83] 建立了洪水期间桥梁局部冲刷与泥沙沉积之间的复杂相互作用的数学模型，可较好再现冲刷深度观测值，并借此研制了一种新型工具箱-Scourapp。壁面剪应力的平滑和准确是成功模拟冲刷的关键，Song等 [84] 提出了一种新的基于浸入边界法的三维冲刷模型ibScourFoam。提出了一种特殊的壁面函数来克服以往浸入式边界法中壁面剪应力的不光滑问题，该模型能够处理复杂结构周围的冲刷，从而为三维冲刷模型的实际应用铺平了道路。      
      在算法优化方面，基于大数据的机器学习方法是预测桥墩局部冲刷深度的重要手段。本年度学者的研究如下，王秋生等 [85] 运用最小二乘支持向量机方法（LS-SVM）分别对原始数据和主成分进行拟合，通过均方误差（ M MSE ）和决定系数（ R 2 ）两个统计参数评判拟合效果，预测结果优于现行规范计算结果。Choi等 [86] 利用支持向量机（SVM），从流速、水流深度、河床泥沙大小、桥墩宽度、粘土含量、含水量和河床抗剪强度等7维变量对考虑粘性层影响的桥墩周围局部冲刷进行了预测。Rathod和Manekar [87] 对比了人工神经网络（ANN）、人工神经模糊接口系统（ANFIS）、支持向量机（SVM）、模型树（M5P）、基因表达编程（GEP）和分组数据处理方法（GMDH）等最先进的人工智能算法来计算桥墩的局部冲刷深度，研究表明支持向量机（SVM）算法更优。Devi和Kumar [88] 基于新的进化人工智能技术基因表达编程（GEP）提出了估算桥墩的冲刷深度的经验算法，并通过试验结果加以验证。Wang等 [89] 基于数据驱动的极限梯度增强（XGBoost）算法，提出了一种新的桥墩冲刷风险预测模型，并与支持向量机、随机森林和多层感知器这三种常用算法对比，发现所提模型表现出更优的预测性能。Yousefpour和Correa [90] 基于长短期记忆网络深度学习算法，结合安装在桥墩上的声纳和传感器获得的实时监测数据，构建出一种新型人工智能冲刷预测模型，可用于捕捉桥墩周围流量和河床变化的时间和季节模式，实现桥墩冲刷深度的合理预测。      
      精确监测并预测桥梁基础冲刷深度是避免桥梁因冲刷受损甚至水毁的主要途径，本年度的学者在监测设备及方法方面的研究相比预测方面较少，但随着各种智能技术的发展，未来的检测预测的设备及方法会更加高精尖，这方面的研究将会进入更丰富且深入的阶段，使之能够更进一步地保障桥梁的安全。      

      2.3 冲刷多灾害   ★

      冲刷可能造成桥梁基础的破坏甚至桥梁整体结构的毁坏，随着深水大跨桥梁兴建，基础局部冲刷造成的灾害备受关注。2022年度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，考虑地震与风联合作用下的动力响应、地震-风-浪-车联合作用下的冲刷效应以及冰对冲刷效应的影响。

      为研究冲刷效应对地震与风联合作用下大跨桥梁动力响应的影响，王亚伟等 [91] 基于地震-风-车-桥耦合振动的有限元模型，利用p-y曲线折减法考虑不同冲刷深度的桩土荷载-位移关系，研究了局部冲刷效应对大跨桥梁动力响应的影响。Zhu等 [92] 构建了地震-风-浪-车-桥梁动力耦合振动分析的数值仿真系统，采用p-y曲线法计算不同冲刷水平下桩土的荷载-位移关系，对考虑基础冲刷作用下的斜拉桥动力响应进行了研究。刘昂等 [93] 采用数值模拟方法对流凌期上游局部冰塞体引起的后墩周流场及创面切应力变化进行研究，结果表明，冰塞体厚度将显著影响墩周水流结构和局部冲刷形态。Hu等 [94] 试验研究了无冰流、覆冰流和堵冰流条件下桥墩周围冲刷孔的发展情况，结果表明，当桥墩存在局部冲刷时，冰塞达到平衡状态后，桥墩冰塞厚度、水位和水流水深均显著增大。冰盖下的波浪形堆积冰粒（简称“冰波”）的迁移是河流积冰过程中冰粒的运移现象，冰波移动与桥墩周围局部冲刷的相互作用是一个非常复杂的过程，Hou等 [95] 基于室内试验研究了桥墩局部冲刷作用下，冰波在桥墩的移动速度和输冰过程，并推导了输冰能力的计算方法。      

      2.4 局部冲刷防护   ★

      局部冲刷会造成桩基埋深减小，水平荷载偏心距增加，导致结构物失稳。如何通过采用防护措施减小桥墩的局部冲刷，是桥梁工程实际应用所关注的问题之一。常见的冲刷防护措施有两种：一类是主动防护，通过改变墩周水流结构，降低水流流速及墩周紊流流场强度，减弱水流对墩周床面的冲刷效应来减小桥墩最大冲刷深度；另一类是被动防护，通过铺设一些实体材料增强墩周沙床的抗冲能力以抵御来流对墩周沙床的冲击，从而避免墩周沙床被下降水流及紊流掏蚀产生冲刷。吴永刚等 [96] 总结了常见的主动防护措施，包括护圈防护、桥墩开缝防护、墩前牺牲桩、环翼式防冲板防护；以及常见的被动防护措施，包括抛石防护、扩大基础防护、石笼防护、四面体透水框架群防护等。闫正余等 [97] 提及了其他的主动防护，如淹没槛防护，被动防护如混凝土膜袋防护、四脚混凝土块防护等，同时发现固化剂加固桩基周围土体是一种新型的防护方法，但是固化剂种类的选取、固化剂在水中反应的程度等问题仍需进一步研究。

      杨程生等 [98] 采用水槽局部冲刷及防护模型试验，提出了沉井基础的最优河床预开挖方案和抛石防护方案，其中，开挖深度为0.6h（h为开挖前水深）、开挖宽度为（1.1～1.2）D（D为沉井迎水侧阻水宽度）最为合理。赵东梁等 [99] 基于物理模型试验研究沉井周围的河床冲刷问题，并和现场实测数据对比验证，发现沉井入土后挖槽内的抛石防护可以显著降低结构周围河床的冲刷深度。Moghanloo等 [100] 采用室内模型试验研究了桥墩护圈的布设高度和厚度对局部冲刷的影响，发现护圈高度对冲刷的影响更大。Raeisi和Ghomeshi [101] 也开展了护圈对冲刷的影响研究，发现护圈降低最终冲刷深度的同时延缓了冲刷孔的形成，且这种影响随着护圈尺寸的增大而增大，安装在河床面上的护圈具有更好的防冲效果。Garg等 [102] 试验研究了护圈对单墩或双墩的冲刷防护效果，结果表明在单墩或双墩周围布置3个2.5D的护圈可显著减小冲刷。Williams等 [103] 研究了垂直分流板及矩形护圈的冲刷防护效果，基于粒子图像测量技术对防护后柱体周围局部冲刷机理进行分析。Luo等 [104] 设计了一个喇叭形状的新型护圈（见图7所示），用于减轻桥墩周围的局部冲刷，并给出减少局部冲刷的喇叭护圈的底部直径、垂直高度和曲率形状指数的最优取值。Khajavi等 [105] 试验研究了非定常水流条件下桥台冲刷防护措施的防护效果，结果表明，桥台上游安装不透水直堤能够完全消除桥台周围2L和3L两个距离（其中L为桥台长度）的冲刷。华鑫等 [106] 开展了单桩的大断面水槽试验，提出一种新型地基处理技术MICP（即微生物诱导碳酸钙沉积）以用于冲刷防护，结果表明，MICP处理可以延缓砂床的冲刷启动，其防护效果显著优于抛石、翼板等传统防护措施。罗巍等 [107] 通过在波流水槽中开展局部冲刷物理模型试验，分别在纯流及波流作用下探讨了套筒的防冲性能，进一步分析套筒高度和直径对冲刷的影响，提出最佳的套筒布置方式，为实际工程提供参考依据。赵寒燕等 [108] 为桩墩局部冲刷防护提供一种新的思路：把一种相对密度略大于水、几何特征特殊的中性网格结构完全覆盖在冲刷坑或可能出现冲刷坑的床面上，以减弱冲刷坑内水动力，促进泥沙落淤，达到减轻局部冲刷的目的，结果表明，该措施能有效抑制局部冲刷。


      图 7 喇叭形状护圈三维模型 [104]


      本年度学者对局部冲刷防护措施的研究仍主要集中于传统的防护方法方面，尤其是护圈防护，少部分学者也提出了新型的防护方法，并且取得了不错的防护效果。但以上的研究方法都较为单一，并无考虑多种防护措施结合下的防护效果。未来研究还需考虑局部冲刷和其它灾害耦合作用的影响，在完善传统防护方法的同时需进一步研究新的防护措施来满足深海环境的冲刷问题。

      综上所述，今年桥梁科研人员对基础局部冲刷研究的热情并未退却，仍有大量的研究。今年的研究主要集中在冲刷影响因素分析与冲刷监测预测方面，学者们借助试验及数值模拟甚至基于机器学习等方法，从各种冲刷因素的敏感性分析到多种监测方法的完善以及预测精度的提升方面，做出了丰富且深入的研究，随着技术的发展，这两方面的研究将会更加智能化、多元化。对于局部冲刷防护的研究，目前大部分是对传统防护方法的完善，对于新型防护方法的研究还不够深入。此外，对于冲刷多灾害方面的研究仍较少，未来的研究重点将会是多灾害耦合以及新型防护方法的研究。      


      3

      桥梁墩柱水动力作用

      ★

      3.1  波浪和桥梁墩柱结构之间的相互作用   ★

      不同于内陆桥梁，跨海桥梁墩柱结构所受的波浪荷载是其设计和施工的主要控制因素，为保障跨海桥梁建造及运营的安全，有必要准确计算跨海大桥墩柱的波浪荷载。

      一些学者基于理论分析、数值模拟与模型试验针对桥梁墩柱结构波浪作用进行了相关研究。如，王东辉等 [109] 以平潭海峡公铁两用大桥为研究对象，提出了桥梁下部结构波浪荷载的时域边界元计算方法。Ge [110] 以某大型跨海大桥墩基础为例，提出了极端波浪作用下桥梁墩柱结构水平力和浮力计算方法。Ti [111] 等提出了柔性桥墩与波浪耦合作用的时域边界元方法，研究结果表明，考虑二者耦合作用会改变结构的基本周期和阻尼比，对结构的动力响应有较大影响。Xu等 [112, 113] 提出一种遗传算法增强集成学习框架(GA-ELF)，实现近海桥梁上部结构波浪力的高效预测。此外，采用支持向量回归(SVR)、克里格(KRG)、多项式混沌展开(PCE)和决策树(DT)四种最先进的代理模型构建加权预测模型，可以扩展到预测不稳定波浪条件下的波浪力。 Wang等 [114] 基于ANSYS-Workbench,采用流体体积运动界面追踪方法（VOF motion interface tracking method），建立桩与波浪的双向流固耦合数值模型，分析了流固界面和桩体结构的压力分布图，得到了桩体最大等效应力的变化范围。何一宽等 [115] 基于线性势流理论考虑了承台-群桩结构的波浪绕射作用，推导了承台波浪力的半解析解。Wang等 [116] 基于数值模拟与模型试验研究了多向随机波浪与群桩基础相互作用的问题，研究发现，有效波周期增大时群桩水平波浪力会显著增加，而主波方向对群桩的垂向波浪力影响不太明显，此外，忽略随机波的方向性会高估群桩沿主波方向和垂直方向上的波浪力。Wang等 [117] 基于线性波浪理论，结合特征函数展开法和边界元法求解大尺度承台的波浪绕射问题，并运用修正Morison方程计算群桩上波浪力，进一步提出了复杂群桩基础波浪力的简化算法。周远洲等 [118] 通过不同计算方法分析了规则波作用下某跨海大桥大尺度圆端型沉井基础的波浪荷载，研究发现，在结构相对尺度为0.2左右时，Morison方程、规范、基于边界元法的三维绕射理论和基于Navier-Stokes方程的CFD方法计算结果接近，随着结构相对尺度的增加，边界元与CFD方法依然较为吻合，而规范方法偏保守些。王君杰等 [119, 120] 基于室内缩尺试验及数值模拟研究了固定式以及自浮式防船撞装置对独柱墩结构波浪荷载的影响，研究表明，固定式或自浮式防船撞装置的存在均增大了墩柱表面波压强，但不改变其总体分布趋势。叶乔丹等 [121] 采用模型试验和数值模拟分析防船撞装置对某跨海航道桥下部结构波浪力的影响，研究发现，较无防撞装置工况，单独承台水平波浪力承台增大约40%，下部结构墩柱水平波浪力增大约5%，引桥独柱墩水平波浪力增大约11.53%。康啊真等 [122] 开展了哑铃型桥梁结构与一系列畸形波相互作用的波浪水槽试验，研究发现，谱峰频率和聚焦位置对结构波浪力有不同程度影响，而频率范围影响较小。并根据经典绕射理论提出了一种可有效估算哑铃型桥梁结构畸形波波浪力谱的经验方法。Pan等 [123] 基于现场实测资料研究了台风浪作用下某跨海大桥矩形薄壁钢围堰动水压力分布特点，并结合时域边界元法计算模型的对比验证，提出了该结构表面的动水压力分布概率模型。崔苗苗等 [124] 基于CFD对比了跨海桥梁不同截面基础的波浪力，数值模拟结果表明，圆形结构水平波浪力最小，矩形结构水平波浪力最大。      
      由于浅滩效应，波浪向近海岸传播的过程中会发生破碎现象，形成破碎波。破碎波对桥墩结构有较大的冲击力，不仅会改变桥墩上的动荷载分布，还会引起强烈的结构振动，威胁桥梁的结构安全。Wei等 [125] 从试验研究、数值模拟、破碎波浪力解析算法和破碎波作用下的结构响应四个方面对桥梁墩柱破碎波浪力作用研究进展进行了回顾与综述。Wei等 [126] 针对不同截面形式桥墩破碎波浪力作用开展了一系列波浪水槽模型试验研究，并基于Pair-copula提出了考虑破碎波浪力抨击最大值、上升时间和下降时间的三变量联合概率模型。Cui等 [127] 基于REEF3D的两相流模型对破碎波与群桩相互作用的问题进行了数值模拟研究，考虑了桩间距、桩数及排列方式的影响。模拟结果表明，桩间距对群桩波浪力有所影响；交错布置方式对第一根、第二根桩柱波浪力影响更为显著。Liu等 [128] 基于波流水槽模型试验考虑了水流对单桩破碎波浪力的影响，考虑了正向流和孤立波，规则波的相互作用，试验结果表明，正向流加速了孤立波的破碎过程，导致破碎波流力最大增加了274.21%，而正向流对规则波的波高和流场的抑制作用，导致破碎波流力降低了65.25%。卷破波的砰击作用会严重威胁沿海桥梁结构安全，魏凯等 [129] 通过理论和试验相结合的方式研究了方形桥墩卷破波砰击荷载，确定了不同砰击角度下方形桥墩卷曲因子的取值范围及计算方法（如图8所示），研究表明，卷破波砰击方向与方形桥墩迎水轴向夹角越小，砰击荷载越大。      


      图 8不同砰击角度下的方形桥墩 [129]


      波浪流经墩柱结构时会产生明显的波浪爬高现象，Ding等 [130] 进行了一系列的波浪水槽试验来研究截断矩形墩柱的波浪力和波浪爬高，分析了波浪参数和入射波角的影响，提出了矩形墩柱波浪力及波浪爬高的简化算法。Li等 [131] 基于物理模型试验和理论分析，对规则波和聚焦波作用下的数值圆柱波浪爬高问题进行了研究，考虑了波陡和相对结构尺寸等参数的影响，并提出能预测圆柱结构上的波浪爬高的简化算法。Wang等 [132] 基于OpenFOAM数值模拟了截断圆柱在规则波浪作用下的波浪爬高及波浪力问题。数模结果表明，规则波浪作用下圆柱吃水深度对最大波浪爬高值影响不大，但对水平波浪力有显著影响；径向无量纲波浪爬高受散射参数ka影响较大。为了评估海啸波对桥梁墩柱结构的影响，通常采用人工生成的孤立波和溃坝波的方式来模拟海啸波，Yang等 [133] 基于水槽试验分析了溃坝波与圆形桥墩的水动力相互作用，详细分析了圆墩周围的压力分布特征，并提出了圆形桥墩最大波浪力和力矩的计算方法。除了关注墩柱结构的波浪力，水流力也是作用在墩柱结构上的主要水动力之一，谭庄等 [134] 以南流嘉陵江大桥为背景，采用ANSYS Workbench建立桥墩-水流固耦合模型，分析不同流速、水深对群桩基础桥墩阻力及横向力的影响，结果表明，桥墩所受的阻力及横向力与水深、流速成非线性关系，且迎流侧桥梁墩柱所受冲击力大于下游侧。郑建等 [135] 建立刚构桥三维有限元模型，系统研究了急流对桥墩侧向的冲击作用，分析结果表明，水深在H/2及以上时，桥梁受急流冲击效果急剧增大，水流速度对桥墩最大位移和最大应力影响较大，此时应考虑侧向力对桥墩的影响。

      3.2  波流耦合作用下的桥梁结构研究   ★

      在极端海洋环境中，桥梁墩柱结构会同时受到波浪和水流的联合作用，波流耦合机制复杂，严重威胁跨海桥梁的安全。因此，研究跨海桥梁在波流作用下的受力特性具有重要意义。

      已有一些学者结合数值模拟及波流水槽模型试验针对墩柱波流耦合作用开展相关研究。如，郑晨辉等 [136] 运用ADINA软件建立双圆形空心墩的流固耦合有限元模型，研究了水流、波浪方向与流速对双墩动力响应的影响。分析结果表明，沿水流方向前墩（上游墩）动力响应大于后墩（下游墩），两墩的动力响应差值随流速的增加而增大；波浪传播角度对双墩的遮蔽效应有较大影响。Li等 [137] 以马尔代夫马列机场岛大桥工程为例，利用波流水槽试验研究了平台桩和钢护筒施工过程波流力作用，试验结果表明，桩身最大水平力和弯矩与波速呈线性关系，波流作用力比纯波力和水流力的简单叠加值偏大，而随着群桩数的增加，前排桩基的遮蔽效应显著增大。Zhao等 [138] 考虑了水流流速、浪高及墩柱直径对其波流力的影响，采用浸入边界法建立了孤立波-流与桥墩相互作用的数值模型（如图9所示），数值分析表明，孤立波和水流共同作用下桥墩波流力是纯波力和水流力二者之和的数倍，海流速度越高，波流耦合效应越显著，且串列墩柱的间距显著影响双墩的波流力。文望青等 [139] 以西堠门公铁两用大桥圆端形基础为背景，基于Flow-3D数值模拟缩尺比对圆端形结构波流力及周围流场的影响，研究表明，圆端形结构在波流作用下的流速集中现象会随着缩尺比的减小而变得不再明显，但周围流速分布特点大致相同。Chen等 [140] 基于数值模拟研究了波流-流联合作用下哑铃围堰的水动力响应及其周围的海床响应，数值结果表明，与纯波力相比，波浪和正向水流共同作用下围堰受力明显增大，而围堰的存在会显著改变水流对海床孔隙水压力的影响规律。      


      图9 波流联合作用下墩柱周围三维速度等值线 [138]

      3.3  地震水动水效应   ★

      当地震发生时，桥墩在深水中产生变形和振动，其附近水体产生晃动，两者之间又会相互影响进而加剧动力响应。许多学者对深水桥梁在地震作用下流固耦合效应开展了深入研究。

      国内外学者采用理论分析、物理模型试验及数值模拟相结合的方法开展了地震动水效应的研究，并进一步考虑了波浪、水流及波流共同作用的影响。如，Yun等 [141] 基于修正的非线性Morison方程研究了地震和Stokes二阶波作用下桥梁结构的动力响应问题，研究发现，二阶非线性波引起桥梁结构的位移和应力响应明显大于线性波，但在二阶非线性破碎波浪力和地震荷载共同作用下，地震仍是产生桥梁结构动力响应的主要诱因。Yun等 [142] 研究了在地震和Stokes五阶波共同作用下深水矩形桥墩的动力响应，研究表明，与普通线性波相比，共振波作用下深水桥墩的位移响应和应力响应机理显著不同，且在波浪-地震联合荷载作用下，深水桥墩结构的动力响应仍以地震为主。Alsultani [143] 结合Matlab和Abaqus软件的二次开发，实现基于流固耦合的桥梁群桩基础波-流和地震合成时程荷载公式推导，进而模拟桥梁下部结在波流-地震耦合加载条件下结构非线性动力行为。Alsultani等 [144] 基于水-结构-地震相互作用的物理模型试验，研究了结构方向(0°-90°)和流固耦合作用对桥梁墩柱动力响应的影响，研究发现，当结构方向从0°增加到90°时，流固耦合作用下墩柱动力响应不断增加，与0°方向工况相比，45°和90°方向桥墩位移响应分别增加了32%和55%，加速度峰值响应分别增加了27%和44%。李杰等 [145] 运用ANSYS建立桥梁-水耦合数值模型，研究了无水、静水以及波、流联合作用对库区四柱框架墩连续梁动力响应的影响，结果表明，波、流联合作用时桥墩动力响应随着流速增加而增加，其中，波浪起主导作用，与无水工况相比，静水工况的地震响应更大，同时，波、流环境削弱了地震响应，且随着水深和波高增加，地震响应削弱越显著。Zhang等 [146] 基于势流理论建立了高桩承台-群桩基础动水附加质量的数值模型（如图10所示），研究表明，群桩-承台相互作用可以增大桩承台的附加质量，而对群桩的附加质量影响较小，此外，忽略群桩-承台相互作用的影响不会增加结构地震反应的预测误差。Chen等 [147] 为考虑土-结构相互作用的桥墩在地震作用下的水动力效应问题，开展一系列离心振动台试验，结果表明，随着水深的增大，桥墩的固有频率减小，且随着水深的增大，地震作用下桥墩和桩基上的动土压力均明显增大。Huang等 [148] 基于有限元方法研究了跨海大桥在地震和波流共同作用下的动力响应问题，采用欧拉梁及纤维单元建立桥梁有限元模型，通过附加质量方式考虑动水压效应，以弹簧和阻尼系统代替土-结构相互作用的模拟构建数值仿真模型，综合分析了结构非线性、地基弹簧、地基阻尼、动水压力、行波和波浪力等因素对跨海大桥动力响应的影响。Gan等 [149] 采用ANSYS和CFD软件研究斜拉桥在地震和波浪共同作用下的动力响应问题，研究发现，地震与波浪之间存在复杂的相互作用，当波浪作用剧烈时，塔顶和主跨的位移峰值相当且同时出现，但塔底的内力响应峰值存在差异，其中剪力的峰值变化小于弯矩的峰值变化。罗浩等 [150] 同样基于ANSYS和CFD软件模拟分析了在地震和波浪作用下桥梁结构的横向位移响应问题，结果表明，随波浪荷载的增加，主梁主跨跨中横向位移增幅比较显著，同时波浪荷载的存在改变了桥梁动力响应的峰值大小以及出现峰值的时刻，进而地震和波浪联合作用比波浪单独作用时桥梁结构动力响应明显增大。Cui等 [151] 采用非线性有限元软件OpenSEES，研究了动水压力和地震动共同作用下深水高墩连续刚构桥的地震易损性问题，研究发现，动水压力对桥墩和支座的条件失效概率有重要影响，损伤概率随着水深的增加而增加。苏京华等 [152] 利用辐射波浪理论及附加质量法考虑地震动水压力，结合绕射理论给出墩柱波浪力，通过ANSYS模拟研究了地震、波浪联合作用下连续大跨刚构桥的动力响应，结果表明，水体存在会增大结构地震动力响应，且增幅与地震波特性、水深、有无内域水等有关，而波浪的存在会影响结构地震动力响应，因此，需合理考虑地震与波浪的关系。       


      图10 深水高桩承台流固耦合数值模型示意图 [146]


      4

      桥梁上部结构水动力作用

      ★

      4.1  波浪和桥梁上部结构之间的相互作用   ★

      近海桥梁在极端气候条件下可能遭受海啸、风暴潮等波浪灾害作用，若对桥梁上部结构的波浪荷载超过结构自身的承载能力，会引起上部结构发生破坏。因此，对桥梁上部结构水动力的研究是专家学者们关注的焦点之一。

      已有学者基于物理模型试验、CFD数值仿真及势流理论等方法针对桥梁上部结构波浪作用开展了丰富的研究。如，谷音等 [153] 以厦门演武大桥的A匝道桥为试验原型，采用水槽模型试验研究了海啸波作用下箱梁和桥墩结构的波浪力作用规律，研究表明，不同波速或冲击淹没系数下箱梁所受的竖向力峰值都约为水平力峰值的两倍，且桥墩的波浪力对波速更为敏感。魏魁等 [154] 基于势流理论建立斜向波浪-桥梁作用的数学模型，利用特征展开匹配法及伯努利原理，提出了跨海桥箱梁斜向波浪荷载的计算方法，结果表明，由长周期波浪引起的垂向波浪荷载对入射角的变化更为敏感，在斜向波浪作用下，结构的几何特征对箱梁水平方向波浪荷载的影响更为显著。Zhu [155] 结合三维CFD模型和室内水槽试验，从时变压力分布、波浪力和倾覆力矩时程变化等分析了箱梁波浪力作用机理。Zhang等 [156] 采用CFD和有限元方法研究了海啸波作用下箱梁桥的波浪力和结构动力响应。Xu等 [157] 采用基于支持向量机(SVM)的三维有限元模型，首次考虑了极端波浪条件下沿海低洼桥梁的三种常见破坏模式，研究结果表明，箱梁在淹没状态下更容易发生倾覆和滑动破坏，箱梁在抬升状态下容易产生较大的横向剪切变形，且波高水深比对桥梁安全影响显著。Huang等 [158] 基于势流理论与特征匹配算法 ， 探讨了入射波谱峰值频率和结构形式对水下箱梁上部结构水动力性能的影响，结果表明，入射随机波的峰值频率将直接决定作用在箱梁上部结构上的随机波力的能量分布，而箱梁上部结构的相对桥面厚度、梁宽、梁高等结构参数对水平波浪力的影响比竖向波浪力更显著。Jia等 [159] 通过三维CFD数值模型，研究了斜波对沿海桥梁上部结构的影响，并采用不同波浪参数（包括波高、相对间隙、波浪入射角和波长）的神经网络模型对最大斜波力进行量化。Zheng等 [160] 基于势流理论和边界元法，研究了波浪入射角和二阶波浪荷载对桥梁上部结构水动力响应的影响，研究发现，随着波浪入射角的增大，波浪水平力普遍减小，而二阶波浪荷载则显著地增加了主梁的倒塌风险。Farvizi等 [161] 采用波浪水槽试验，测试了桥台的开孔比和淹没比对海啸冲击下桥面所受冲击力和压力的影响，试验结果表明，水平力和垂向力均随淹没比的增大而增大，其中，水平力随开孔比的减小而减小，而垂向力则随着开孔比的减小先增大，直至达到峰值后开始减小。Rahman [162] 通过室内试验来量化海啸作用在主梁模型上的水平分量特征，并提出了估计主梁迎海侧水平波浪压力的预测公式，研究发现，主梁受到的力随海啸波高的增加而增加，而破碎波对上部结构的作用效果明显大于未破碎波。Huynh [163] 构建了二维、三维LES模型，采用流体体积法，研究了水下桥面波流组合下的流固耦合作用和水动力荷载，结果表明，波浪作用下的动水压力与波高H成线性正比，且波流组合下的水动力荷载远大于波浪单独作用时的水动力荷载。Qu [164] 基于流体体积法建立数值模型，研究了沿海桥梁桥面在孤立波和水流共同作用下的水动力特性，结果表明，考虑桥梁侧移刚度时，波流共同作用下桥梁水平荷载有减小的趋势，且桥面横向位移变化趋势与孤立波水位变化趋势一致，在给定水流速度下，最大水平荷载和桥面横向位移均随入射波高呈线性增加。谷音等 [165] 利用溃坝波水槽试验模拟海啸波，进行近海桥梁上部梁体在海啸冲击下的数值模拟研究，结果表明，数值模拟下的溃坝涌波水平力满足试验要求，溃坝涌波竖向力在初始突变段的试验与数值结果有一定差别，在似平稳段大致相同。杨志莹等 [166] 采用开源软件OpenFOAM建立二维数值水槽，以溃坝波模拟海啸波，研究海啸作用下，桥梁上部结构的水平位移响应，以及不同约束刚度对上部结构波浪力的影响，结果表明，采用刚性假定会过高地估计上部结构受到的海啸波浪力，因此，迎浪侧与背浪侧支座设计应考虑倾覆弯矩的影响。Yuan等 [167] 通过建立三维CFD模型，探讨了考虑构件破坏的沿海桥梁在极端波浪作用下的结构极限状态，在结构动力响应的基础上，提出了一种考虑构件损伤的新型结构极限状态，以防止波浪作用下的轴承损伤，并对不同波浪参数下的结构需求进行了参数化研究和量化。Michaltsos等 [168] 基于水力学原理提出一个数学模型，研究沿海桥梁上部结构在极端洪水作用下的动力学和安全问题，研究发现，极端洪水作用下较大(较长)桥梁产生的横向变形和扭转变形都是安全的，但倾覆现象不可忽视。Istrati等 [169] 使用基于FEM的求解器和大涡模拟湍流模型进行了二维CFD数值模拟，研究了大坝破坏场景产生的瞬时洪水对下游桥梁上部结构的影响，结果显示产生了显著的脉冲载荷，其对桥梁上部结构的作用效果是典型河流洪水的270%。极端洪水期间的水动力作用，会淹没桥梁（如图11所示），Tang等 [170] 基于循环水槽试验研究了极端洪水期间的水动力作用，尤其是隆升力对桥梁上部结构稳定性的影响，研究发现，对于部分淹没的桥面，不同的流量可能会引起间歇性的溢顶，并导致隆升力的显著振荡，使上部结构损坏的风险更高。Wei等 [171] 采用模型试验研究了独立四柱桥塔在规则波、随机波和波流耦合作用下的动力响应，研究表明，波浪流激励下塔顶位移与波浪激励下塔顶位移基本一致，水流对塔顶上部结构动力响应影响不大。罗浩等 [172] 运用Reynolds平均法对一座大跨度跨海连续刚构桥的波浪场进行数值模拟，结果表明，跨中和墩顶横向位移以及跨中横向加速度均随波高的增大而增大，而波浪周期增加到一定值时桥梁各位置的位移响应增幅会减小。罗浩等 [173] 在对某跨海斜拉桥进行波浪荷载数值模拟时发现，纵桥向波浪力是由横桥向波浪冲击桥墩出现绕射效应而产生，其中，随着波高的增大，斜拉桥的动力响应峰值逐渐增大，且随着波浪荷载的增大，塔顶横向位移响应增幅显著。      


      图11桥梁被淹没的典型案例 [170]

      4.2  桥梁减载措施研究   ★

      在研究桥梁结构受波浪水动力作用机理之外，有必要明确波浪对沿海桥梁的破坏机制，采取并优化减载措施，以确保桥梁结构的弹性和安全性。

      国内外学者从结构优化、防波堤设置、横向抑制（如螺栓连接）、整流罩等方式探究桥梁结构减载的有效措施。Leng等 [174] 为了更好地了解海啸对桥梁的破坏机理及相应的防护措施，分析了海啸参数和桥梁结构参数的影响因素，阐述了多种灾害对桥梁的耦合作用，对海啸波造波的有效方法及各种方法的特点，及沿海桥梁的抗海啸措施等进行了综述，其中，典型海啸-桥梁与主波和结构参数的相互作用示意图如图12所示。Huang等 [175] 基于势流理论提出了一个易损性框架，以评估在极端随机波动作用下，不同连接类型的箱梁上部结构发生脱座或移位破坏的破坏概率，结果表明，在极端随机波浪风险下，增加螺栓连接数量可以降低沿海箱梁上部结构桥梁的破坏概率。Chen等 [176] 建立了基于RANS方程和SST k-ω湍流模型的二维数值模型，研究了连续孤立波作用下横向抑制刚度对箱梁上部结构的影响，结果表明，通过降低横向抑制刚度，可以减小未破碎孤立波作用下箱梁上部结构的水平力和竖向力，但此时箱梁上部结构的侧移会增大。 Xue等 [177] 通过高保真数值波浪水槽，研究所提出的集整流罩和开口为一体的新型复合防护措施在降低波浪力方面的性能， 结果表明，仅安装整流罩只能在一定程度上减小桥梁上的水平力，而该组合措施可以有效降低桥梁的垂直和水平波浪荷载。 Wu等 [178] 通过海啸水槽试验和CFD数值模拟，研究了不同海啸条件下综合措施对减小海啸力的效果，研究表明，桥面开孔能有效减小T形梁上的垂直隆起海啸力，但会略微增加T形梁上的水平海啸力，安装整流罩后，由于整流罩的导流作用，可有效减小T形梁上的水平力，但这一措施可能会增加T形梁上的垂直隆起海啸力，而整流罩和开孔联合抗海啸措施对T型梁桥面的水平和垂直抬升力均有较好的缓解作用。Kabir等 [179] 基于水槽试验探讨了桥梁的几何形状和流动条件对水动力的影响，分析了阻力系数、升力系数和弯矩系数对桥梁几何形状和水流条件的响应，试验结果表明，水动力系数和弯矩系数与桥梁的淹没程度、弗劳德数有关，桥梁几何形状与受力系数的关系表明，桥梁几何特征对流场、阻力系数、升力系数和弯矩系数的影响较大。Yang等 [180] 基于计算流体动力学(CFD)方法提出了一系列命名为的新型桥墩，并对其海啸力缓解机理进行了数值分析，结果表明，与圆形、方形和菱形桥墩相比，新型桥墩缓解海啸力作用的效果最佳。 Xu等 [181] 提出了一种 辅助结构来减轻典型圆形桥墩上的水动力荷载，并基于开源CFD程序OpenFOAM和自适应kriging代理模型确定最优辅助结构的形状，结果表明，最优形状的辅助结构不仅提高了圆形墩的水动力性能，还显著抑制柱体后涡尺度，并具有较弱的雷诺数依赖性。 Xue等 [182] 提出了 一种适合于保护海岸桥梁和海岸线的水下防波堤的新设计，并 对 新防波堤的性能进行评估，结果显示该新防波堤 即使在极端浪高下仍能显著消散波浪能量，同时减弱波浪的非线性特性，并建议新建防波堤的布设应距离桥址不小于装置宽度的20倍。      


      图12  海啸-桥梁与主波和结构参数的相互作用示意图 [174]


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      大跨度浮桥

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      随着中国中长期铁路网、公路网从内陆向岛屿的延伸，近年来在沿海区域已经修建了大量的跨海桥梁，然而在环境极其恶劣和复杂的海域，传统的建造方案难以实施，浮桥则利用浮力承担自重和活荷载，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，许多浮式结构已应用于现代基础设施，而浮桥不同于其他过渡性浮式结构，其上部结构对浮墩有约束作用。魏凯等 [183] 以某采用张力腿基础大跨度浮式桥梁为例，如图13所示，构建了新型浮式桥梁风-浪荷载计算及结构运动响应有限元分析模型，结果表明，风-浪作用下，增加张力腿基础的淹没深度将增大张力腿基础的竖向刚度，能直接有效地减少风-浪作用下大跨浮桥的运动响应。陈徐均等 [184] 提出了一种基于等效弹性铰接的多浮体模型，用来模拟单个桥节的海上浮桥动力响应，计算了该浮桥在不同波浪环境中的垂向位移、弯矩、剪力分布特性和系泊系统受力情况，得出该方法可有效预测铰接浮桥在波浪环境中运动响应的结论。Cui等 [185] 建立了一种评估超长浮桥非均匀波浪荷载影响的通用方法，通过各测点波面自谱和互谱的柯西分解获得非均匀波浪场，结果表明，均匀波的假设对强轴、弱轴弯矩响应是保守的，而对轴力响应是非保守的，所提方法也适用于其他受非均匀波场影响的大型漂浮结构。Huang等 [186] 提出了一种适用于弹性铰链连接的分离浮箱型浮桥的结构分析方法，并与AQWA软件及有限元仿真结果进行对比验证，结果表明，弹性铰链的旋转刚度对分离浮箱型浮桥响应有显著影响。Wan等 [187] 针对弯曲浮桥的静力、动力响应进行一系列参数分析，考虑了规则波、不规则波、潮流等环境参数及弯桥曲率半径、横截面刚度、端部约束等结构设计参数的影响，研究发现，随着截面刚度的增加，浮筒运动响应、轴向力和端部水平剪力都减小。Martin等 [188] 以挪威推进的沿海E39高速公路项目跨越Bj?rnafjorden峡湾上的浮桥为研究对象，考虑了不同分析方法、横向约束刚度与水动力阻尼对大跨浮桥的船撞响应的影响，并分析受损桥梁的残余强度问题，分析表明，损伤状态下，浮梁的残余强度为强轴弯矩能力降低30%，弱轴弯矩能力降低15%。Zhao等 [189] 以67式铁路舟桥为例，研究了67式铁路舟桥在波浪和列车荷载作用下的动力响应，得出了波浪参数(如波浪周期、入射角)会对舟桥位移、内力等动力效应产生强烈影响。刘为平等 [190] 采用有限元子结构超单元法对可自浮式高架栈桥进行静力计算分析，验算了风浪流环境荷载作用下栈桥在工作和生存工况下的结构强度和承载能力，结果表明，工作工况下，环境荷载远小于汽车荷载，而生存工况下，当环境荷载作用方向为90°时，对自浮式高价栈桥结构的静力特性影响最大。He等 [191] 建立了多个浮墩及浸没环形波纹防波堤的弯曲浮桥理论分析模型，基于势流理论获得浮墩的波浪力及水动力系数，在此基础上分析了弯曲梁的曲率半径、刚度以及防波堤几何参数对浮式桥墩的幅值响应算子（Response Amplitude Operators , RAOs）的影响，结果表明，由于弯曲梁的约束浮墩在纵荡和纵摇方向响应降低了两个数量级以上，因此，防波堤施工时需综合考虑波纹幅度、长度及其与浮墩之间的距离。


      图 13 采用张力腿基础大跨浮式悬索桥设计方案图  (单位:m) [183]


      考虑到浮桥水动力试验研究鲜少，Rodrigues等 [192] 基于波流水槽开展了波浪、流和风荷载共同作用下截断浮桥的水弹性响应试验研究，该方案设计、测试方法及试验数据可为截断浮桥的水动力作用、水弹性模型的基准测试提供重要的参考。Xiang等 [193] 结合动态有限元法与状态空间模型SSM（state-space model），建立了风和波浪共同作用下浮桥响应时域分析的精细化有限元模型，结果表明，随着风速的增大，桥梁位移响应呈非线性增长，符合平均风速与平均风速的二次关系，而随着波浪入射角的变化，由于浮墩上的激励不一致导致浮桥水动力响应表现出峰值和频率的差异性。由于浮墩的波浪力及运动响应会受到相邻浮墩的影响，Fenerci等 [194] 基于多体势流理论，采用附加人工阻尼的方法考虑了浮墩间的水动力相互作用对Bj?rnafjord浮桥整体动力响应的影响，结果表明，浮墩之间相互会引起浮墩的辐射波浪力和激振力产生共振峰值现象，且减小水动力阻尼和波浪激振力谐振响应时，会造成梁体轴力和弱轴弯矩的增加。Dai等 [195] 以跨越Bj?rnafjord海峡的某长跨浮桥为例，基于三维势流理论计算浮墩的波流力，在此基础上对浮桥整体的动力响应进行时域分析，分析表明，波流相互作用对跨峡湾浮桥响应有显著影响，若忽视很可能高估或低估海洋环境因素对浮桥响应的影响程度。向升等 [196] 建立了基于动力有限元法和状态空间模型的动力响应时域分析方法，研究了典型非均匀波浪分布条件对浮式刚构桥动力响应的影响，结果表明，非均匀波浪作用会引起桥梁的扭转运动，主梁的水平面内位移和弯矩响应有所减小，而竖直面内位移和弯矩响应则明显提高。浮式栈桥作为一种接岸的水上交通通道，动力分析方法与浮桥类似，苗玉基等 [197] 以一新型箱桁组合式浮式栈桥为研究对象，基于三维有水弹性理论对不同海况下该浮式栈桥运动响应进行数值预报，结果表明，在波浪圆频率小于1.0rad/s时，水深对浮式栈桥桥节运动响应的影响较大，当波浪圆频率为0.5~1.0rad/s时，随着水深的增大桥节垂荡响应幅值随之增大，同时其横摇运动响应随着浪向角的增大而增大。Xiang等 [198] 基于水槽模型试验研究了深水浮桥基础的三种不同锚缆体系的水动力问题，考虑了波浪和水流共同作用，结果表明，纯水流作用下浮桥动力响应较小，而波流共同作用会降低其水平向动力响应，而增强其垂荡响应。梁世龙等 [199] 以多浮箱拼接浮体为研究对象，基于水槽试验综合考虑了风、浪、流载荷组合作用对其运动响应的影响，研究表明，如果风浪流环境条件中的其中两者为90°夹角，横向连接器的受力相对于其他环境方向更大，在大部分环境条件下，平台首部浮箱的纵摇运动最剧烈。

      上述已有研究中，针对浮桥在风、浪、流以及车辆等条件下的动力响应问题有了较为丰富、深入的探索，然而有关多场耦合机理及其作用下的浮桥结构响应机理及防灾减灾研究还相对缺乏，相关工作有待进一步研究。
      回顾2022，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，浮桥结构除承担常规的桥梁自重及车辆荷载外，还需承受风浪流等复杂环境荷载的耦合作用，研究者们未来可将海洋工程、桥梁风工程、车桥耦合动力学、地震工程和流体力学等学科交叉形成浮式桥梁的多场耦合分析方法。随着我国“海洋强国”战略和“一带一路”倡议的持续推进，在未来可预见的一段时期内，大跨度浮桥将在跨海交通工程中具有良好的应用前景。


      6

      桥梁风浪流联合作用研究

      ★

      对于大跨度海洋桥梁，全桥不仅要承受风荷载的作用，其基础也要承受波浪和水流荷载的作用。深入研究桥梁风浪流作用及其引起的动力响应问题，对保障跨海大桥的安全建造及运营具有重要意义。

      在风浪流耦合作用及联合概率模型方面，Wen等 [200] 基于数值风浪水槽，考虑了风速、浪高、结构淹没深度和水深等参数的影响，研究了规则波和陆上风场共同作用下近岸桥梁的水动力特性，结果表明，与纯波相比，陆上风场的存在会显著改变入射波剖面，增强波浪冲击桥面的强度，所产生的吸力效应极大地影响了规则波浪作用下桥梁结构的水动力特性。Liu等 [201] 基于风洞浪槽试验，研究了极端风浪作用下近岸桥梁梁体的受力特点，考虑了桥下净空、入射波高、波周期及风速等参数的影响，研究表明，与纯波相比，大波高工况下梁体水平力会受到风的抑制，且随着波高的增加，梁体浮托力也将受到风的抑制。魏凯等 [18] 以某跨海公铁两用大桥为例，利用台风混合风场模型驱动SWAN+ADCIRC波流耦合模型实现桥址海域台风期间的风、浪、潮、流模拟（如图14所示），研究结果表明，风向、波浪入射角对桥梁随机振动响应有显著影响。为考虑跨海桥梁桥址区海域的风浪极值条件，Fang等 [202] 基于优化的C-vine Copula提出了跨海桥梁平均风速、有效波高和谱峰周期的联合概率分布和环境等值面方法，并通过跨海大桥桥址区的风浪现场实测数据验证该方法的可靠性，之后，基于该方法研究了跨海大桥在风浪联合作用下的非线性动力响应 [203] ，结果表明，考虑二者相关性的风浪荷载组合作用下，获得的桥梁结构动力响应较传统方法更为合理。Ti 等 [204] 采用改进的准稳态抖振模型研究脉动风对结构的作用及桥面的气动弹性效应，基于边界元法的势流理论获得桥梁墩柱波浪力，在此基础上开展随机风浪作用下长跨海洋桥梁动力响应的频域分析，结果表明，风浪联合作用对桥梁整体动力响应有显著影响，但对于上部结构的动力响应，风是主导因素，波浪对总体动力响应的贡献约为5.1%~22.3%。


      图 14 台风“艾利”下风、浪模拟结果 [18]


      赵瑞欣等 [205] 对比分析中、英、美三国规范计算波浪力的方法，在此基础上提出了同时考虑风-浪-潮耦合作用的桥梁桩基外荷载计算公式。尚黛梦等 [16] 基于SWAN+ADICIRC耦合模型和三维嵌套FrankCopula模型，采用了势流理论与莫里森方程计算桥梁墩柱波流力，结果表明，考虑浪-潮-流相关性计算的群桩基础波流力较传统方法减小17.40%。崔圣爱等 [206] 以某双塔斜拉桥为原型，考虑风浪相关性对列车-桥梁的耦合振动响应进行分析，结果表明，桥梁和车辆的动力响应随风速和波高的增加而增大，其中横向位移变化明显；波浪荷载对车辆横向加速度及轮重减载率的影响大于10%。Li等 [207] 以平潭海峡公铁两用大桥为研究对象，引入了迭代最小二乘估计(ILSE)和卡尔曼滤波(KF)模型来识别多桥墩的未知水动力作用，结果表明，该方法可以有效估计墩柱的附加质量系数及水动力强度。Zoumb等 [208] 采用结构健康监测(SHM)方法采集桥址区风、浪环境参数，并用Copula方法进行相关性分析，对极端风浪联合作用下海洋桥梁-列车耦合系统响应研究，研究表明，与单独风作用相比，风浪联合作用时车桥耦合系统的动力指标更为敏感。跨海桥梁在建造和运营过程可能遭受极端风浪甚至海底地震的侵袭作用，Bai等 [209] 基于极端风浪联合分布（CEWW，correlated extreme wind-wave）的三维响应面获得风浪设计参数，研究了风浪和地震动共同作用下跨海桥梁的响应特点，结果表明，考虑风浪极值相关性，评估桥梁响应的概率分布更为准确，且CEWW所引起的桥梁响应与0.2g地震动响应量级相当。

      综上所述，通过学者们的不懈努力，2022年关于桥梁风浪流联合作用的研究取得了一定进展，但在海况恶劣的环境中建设具有挑战性的跨海大桥，更需要一代代研究人员的不懈努力。可以预见的是，随着我国跨海大桥的建造技术不断提高，相关方面研究将会达到一个新的高度，实现更高质量的发展。

      致谢   ★

      本年度进展整理工作由秦顺全院士牵头，祝兵教授指导把关，康啊真副教授负责撰写，徐国际教授、魏凯特聘研究员、重庆交通大学黄博副教授修改完善。康啊真指导的研究生吴先斌、闫宝磊、王春节、金可参与了文献收集、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(University of Notre Dame)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，发表论文70余篇，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（过）ASCE期刊《Journal of Bridge Engineering》青年编委、《Natural Hazards Review》青年编辑、《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、包括《Applied Ocean Research》在内多家国际杂志专刊客座编辑、40余个国际期刊审稿专家。

      联系邮箱：guoji.xu@swjtu.edu.cn。


           

           

      杨万理 ，男，工学博士，教授、博士生导师；西南交通大学图学及BIM研究所常务副所长，四川省力学学会流体力学专业委员会副主任，研究方向桥梁水动力学、桥梁BIM等；主持自然科学基金、国家重点研发计划项目子课题等科研项目10余项，发表论文70余篇，申请专利14项，主编、参编教材3本，担任多本国内外SCI、EI等期刊审稿人。


           

           

      魏凯 ，博士，特聘研究员，博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者、四川省“千人计划”青年人才。本硕博均毕业于同济大学，加入交大前，先后在美国马萨诸塞大学和东北大学进行了为期三年的博士后研究。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3项，作为主要成员参与区域创新发展联合基金、国家重点研发计划项目各1项，主持常泰长江大桥、西堠门公铁两用大桥等多座世界级桥梁工程的科技攻关项目。相关成果获上海市科学技术二等奖、江苏省科技进步三等奖、中国公路学会科技进步特等奖等。任SCI期刊《Sustainability》编委、《中国公路学报》青年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。

      联系邮箱：kaiwei@swjtu.edu.cn。


           

           

      康啊真 ，女，博士，副教授，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、流固耦合作用。西南交通大学“青苗计划”获得者，主持国家自然科学基金2项、四川省科技厅应用基础面上项目1项，实验室开放课题及西南交通大学前沿交叉项目等科研课题多项。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研究方面，发表了期刊论文20余篇。承担及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，包括平潭海峡公铁两用大桥，临港长江大桥，在建的甬舟铁路西堠门公铁两用大桥等。

      联系邮箱：azkang@swjtu.edu.cn 。


           

           

      遆子龙 ，博士，助理教授，主要从事深水大跨桥梁水动力与抗风问题研究，博士毕业于西南交通大学(导师：秦顺全院士)，美国加州大学洛杉矶分校联合培养博士，香港大学博士后，获2018年西南交通大学优秀博士论文。主持国自然青年基金、国家博士后科学基金特别资助等项目5项，在Engineering Structures, Journal of Bridge Engineering, Ocean Engineering等期刊发表SCI论文20余篇，承担或参与了平潭海峡公铁桥等多座大桥的波流、抗风科研攻关。


      参考文献

        [1] 常蕊，朱蓉，赵大军. 登陆台风影响下离地300 m高度内的强风特征[J]. 大气科学. 2022, 46(5): 1071-1086.

        [2] 郭健，钟陈杰，王仁贵，等. 跨海桥梁受台风影响的风速概率模型分析[J]. 工程力学. 2022, 39(S1): 180-186.

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