海洋桥梁工程抗风安全的难题及其对策思考

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一、前言
随着经济社会的快速发展、互联互通需求的剧增，人类跨越海湾海峡阻隔的现实需求逐步增多，桥梁工程不断从内陆向近海延伸 [1~3] 。随着东海大桥、杭州湾大桥、港珠澳大桥等跨海桥梁相继建成以及平潭海峡大桥等跨海桥梁的建设，近海桥梁建造技术取得了举世瞩目的成就。
未来随着国家公路、铁路网规划建设的不断发展，以及国家“海洋强国”战略、“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，我国正规划琼州海峡、渤海湾和中国台湾海峡等跨海通道，“一带一路”沿线国家也在规划建设如巽达（印度尼西亚）、里海（俄罗斯至伊朗）等深水海洋桥梁。然而，与近海、内陆大跨桥梁工程相比，未来海洋桥梁工程将面临复杂严酷的风场环境作用 [4,5] 。我国是世界上少数几个受风灾严重影响的国家之一（见图 1），且从已有的研究成果和工程实践来看 [6~8]，风及其作用是未来海洋桥梁工程设计、施工、运营的控制性因素。因此，保障海洋桥梁在施工、运营阶段的抗风安全已成为广大科技工作者面临的严峻挑战和重大课题。
图 1?我国各类自然灾害占比
二、海洋桥梁工程抗风研究现状
（一）海洋桥梁场址风场特性的研究现状
我国现行的桥梁抗风设计方法和规范都是基于良态气候风场模式，其风参数（阵风因子、风速与紊流度剖面、积分尺度、脉动风谱函数）主要是针对内陆地区的季风气候特征 [9] 。然而，近年来的现场实测表明，我国东临的西北太平洋地区是全球台风发生最多的地区（约占全球台风的 36%，年均约 35 个，如图 2 所示），其风环境特性不同于良态气候模式，具有风剖面指数更大、阵风参数远大于现行规范规定值、地表粗糙度增大明显、风速非平稳特性显著等特点。另一方面，由于台风路径的强随机性和台风风场的强不均匀性，使得对台风近地层风况的准确、精细实测十分困难，对各类地形地表的台风特性，尤其是对湍流风特性的认识还很初步。此外，现有的近海及海上气象观测平台数量少、数据时距长、精度差，尚缺乏海洋桥梁桥址范围内的局部气象综合观测预报平台，无法对未来深海桥梁的建造及运营提供有力支撑。
图 2?全球各地区台风分布情况
国内外学者在台风风场模拟方面开展了大量的研究，建立了许多台风风场模型，以获取较准确的台风极值风速，如 Batts 模型 [10]、Vickery 模型 [11]、Yan Meng 模型 [12]、CE（US Army Corps of Engineers）模型 [13] 等。虽然上述台风随机数值模拟模型比较成熟，能够有效评估台风风场的极值风速，但是其对我国沿海地区台风风场的适用性还有待研究检验。上述台风模型采用简化的动力方程求解台风风场，未考虑复杂的大气物理过程及下垫面的影响，模拟的近地层台风风场结构及分布与实际情况相差较大。为获得较准确的近地风场信息，国内外学者 [14] 基于天气研究和预测高级研究（WRF-ARW）模式，采用三维数值模拟方法对台风风场进行研究，获得了较精确的台风平均风场结构，然而其数据分辨率有限，且不能实现对脉动风场特性的有效模拟，仍无法完全满足海洋大跨桥梁设计、施工需求。
（二）风对大跨桥梁结构作用的研究现状
针对风对桥梁结构的作用，现有的抗风理论与方法主要是将其分为平均风来流引起的静风力、脉动风来流引起的抖振力、断面旋涡脱落引起的涡激力和结构运动引起的自激力，并对它们分别建立理论计算模型、确定试验识别参数、分析结构灾变行为。

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