特大型桥梁风-浪-流耦合作用研究

获奖等级：特等奖

项目名称：特大型桥梁风-浪-流耦


合作用研究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。

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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

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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。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

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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。

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转自：中国公路网