波浪力對近海橋梁上部結構沖擊作用研究現狀及方法對比分析

高慧興 賈景濤

（吉林建筑大學 交通科學與工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

進入21世紀，人類在沿海地區的活動日益增加，對于沿海地區的交通需求也越來越大，由于我國有著3.2萬km長的海岸線，這使近海橋梁在我國交通網絡中的比重逐漸增大。在過去20年內，隨著我國“海洋強國”、“交通強國”戰略、“一帶一路”倡議等一系列重大戰略決策的持續推進，我國的近海橋梁工程建設取得了巨大的技術進步和成就，東部沿海地區建設了大量的跨越江河海灣的大型橋梁，其中包括全長31.63km的青島膠州灣跨海大橋、全長35.7km的杭州灣跨海大橋以及全長55km的港珠澳跨海大橋。在國家發改委頒布的《全國海洋經濟“十三五”規劃》以及“十四五”規劃中均提到了要統籌推進基礎設施的建設，加快建設交通強國，要拓展投資空間，推進包括新型交通水利等在內的重大工程建設，更多高難度的近海橋梁和通道工程進入了論證和規劃階段。但是，我國處于環太平洋地區，是世界上受臺風和風暴潮災害最嚴重的國家之一，平均每年約有7.2個來自于西北太平洋地區的臺風登陸我國，僅在2020全年，經過我國海域或登陸我國大陸的臺風就有20個。每當臺風經過時，通常會破壞甚至摧毀沿海地區的橋梁，世界各地都有過臺風摧毀近海橋梁的記錄。以2004年的颶風Ivan和2005年的颶風Katrina為例，據不完全統計，至少44座西太平洋海岸線的近海橋梁遭受了毀滅性損壞；2013年臺風海燕同樣也損壞或摧毀了大量的沿海橋梁，災后修復或更換這些受損橋梁消耗了大量的人力、物力和財力。

雖然近些年來，工程界已經開始重視近海橋梁工程，國內外許多學者在波浪對近海橋梁上部結構作用方面已經做了許多研究，但是由于近海橋梁工程興起相對比較晚，并且橋梁與波浪相互作用的相關理論以及設計經驗仍然相對來說比較匱乏，因此開展近海環境下波浪對橋梁上部結構沖擊作用的研究具有十分重要的意義。本文通過分析波浪力對近海橋梁上部結構沖擊作用的研究現狀及方法對比。

1 近海橋梁破壞的主要原因

導致沿海地區橋梁破壞的主要原因是：臺風的到來會產生風暴潮增水，由此引起的海平面上升，導致近海橋梁底部有效凈空減小，同時臺風引起的巨型波浪直接作用在橋梁結構上，近海橋梁上部結構受到巨大的波浪砰擊作用，導致橋梁上部結構發生梁體位移、梁體脫落和梁體斷裂等破壞情況。在該過程中，波浪力是導致近海橋梁損壞的主要原因，波浪力主要由準靜止力和砰擊力組成，波浪對橋梁上部結構的砰擊作用本質上是多種介質相互作用的過程，其中主要為波浪砰擊結構、水彈性以及氣液固三相耦合等復雜的物理現象。

2 近海橋梁受波浪力影響的研究現狀

早在1970年Wang[1]便通過在波浪水槽試驗的方法，探究了波浪對水平平臺的上升壓力，在改變一系列波浪參數和水深等進行試驗后，發現上升壓力主要是由兩個分量組成，一個是波浪對底板的初始沖擊壓力，另一個是由不同波浪參數而緩慢變化產生的壓力分量，這與French[2]所得的結果一致。而在現有發表的研究報告中，Denson[3-4]是最早開始研究有關橋梁結構所受到的波浪力，Denson根據在卡米爾號颶風中遭到損壞的圣路易橋梁，制作了一個縮尺比為1∶24的橋梁模型，在波浪水槽中分別測試了不同凈空和波高的工況下橋梁模型所受到的波浪力，雖然所使用的波浪太過單一，并且周期固定且只對淺水波進行了試驗，但是對橋梁受到波浪力的探索具有十分重要的意義。

盡管20世紀70年代便已經開始了波浪力作用的研究，但針對近海橋梁所受波浪力展開研究的也只有小部分，其余大多是關于沿海地區的海洋工程建筑物所受波浪力的研究。21世紀初，兩場超強颶風伊萬和卡特琳娜登陸美國，并對沿海地區橋梁造成巨大的損失，兩起災難讓工程界的目光開始投向了近海橋梁。2009年，Cuomo[5]參照美國90號高速公路Mobile海灣大橋的陸海連接段，在實驗室進行了一個1∶10的橋梁模型試驗，首次測試研究了在不同波浪參數和凈空條件下，在橋跨方向橋梁上部結構受到的波浪作用力，同時還測試了泄氣孔開啟或者關閉時對橋梁模型上部結構的影響；Guo[6]于2015年開展了縮尺比為1∶10的T型橋梁上部結構模型的水動力試驗，并基于勢流理論建立了全淹沒橋梁上部結構在受到正向入射波作用下的二維波浪力預測模型，在驗證正確性后，將理論模型與美國AASHTO規范方法進行了對比，并且發現AASHTO規范方法中存在的缺點；Huang[7-8]在2018年，在水槽實驗室內，建立一個縮尺比為1∶30的箱型橋梁模型，通過采集分析箱梁上部結構受到的波浪力，建立了箱型橋梁上部結構極端波浪力的計算模型；Fang[9]在2019年采用周期性的聚焦波對箱型橋梁模型的波浪作用進行試驗研究，通過測量得到波浪力數據，分析無量綱波浪力對相對最大振幅/波陡的關系，以及波浪力的各分量之間的相對關系，并將結果與已有的兩種方法進行比較；2021年，費立軒[10]通過水動力模型試驗，研究了規則波對懸空的方梁與箱梁的砰擊作用，得到模型前側壁受到的橫向砰擊作用與波浪參數的關系。

在大量學者利用水槽試驗探究橋梁上的波浪力時，也有大批學者憑借高性能計算機的發展，將計算流體力學方法應用在越來越多的波浪-結構相互作用研究中，利用商業軟件如Fluent、CFX、Flow3D 或開源CFD 程序包OpenFOAM建立起了波浪數值水槽，開始對近海橋梁所受波浪力的問題展開了全新的、有針對性的研究。Jin和Meng[11-12]利用商業CFD軟件Flow-3D建立起數值水槽，利用該數值水槽，作者模擬不同工況下橋梁上部結構受到的波浪力，并將數值模擬結果與已有的計算方法進行對比，指出美國AASHTO規范中存在高估波浪力的情形，并根據模擬結果給出估算近海橋梁上部結構波浪力的經驗方法；Chen[13]使用開源計算流體動力學軟件OpenFOAM，探究聚焦波群與剪切流之間的相互作用，以及它們與底置立式圓柱之間的相互作用，提高了數值水槽的準確性；肖圣超[14]利用全過程模擬海嘯生成，利用傳播及爬高軟件COMCOT 和開源數值模擬軟件OpenFOAM，研究橋梁在波浪作用下的破壞機理；Zhang[15]利用商業軟件ANSYS-Fluent建立起二維數值波浪水槽對橋梁模型進行了數值模擬，在對數值進行分析后，提出橋面的最佳標高為+5.5m的建議，并提出一些關于實踐設計工程的建議；王玉琦[16]通過商業CFD軟件Flow-3D，研究美國沿海橋梁在2005年Katrina颶風期間在臺風風暴潮、浪的共同作用下橋梁結構發生的結構損傷特征，可將上部結構的破壞形式分為梁體移位、梁體脫落和梁體斷裂等；趙西增[17]則利用物理模型試驗和數值模擬相結合的方法，開展極端波浪對跨海橋梁上部結構作用的模擬研究，重點分析不同淹沒狀態下橋梁上部結構受極端波浪作用時的波面變化、橋梁底部壓強及整體波浪力變化，探究橋梁上部結構發生損壞的可能原因。

3 研究方法對比

3.1 數值模擬與物理模型試驗對比

通過閱讀已有學者的研究結果，可以將研究方法歸為兩大類，一類為物理模型試驗，另一類為數值模擬試驗。在計算機處于萌芽階段，學者們多以物理模型試驗為主，受限于水槽實驗室場地的大小，在重力相似準則條件下，計算Froude系數，并最終確定縮尺比。將所需要測量物等比例縮小設計完成之后，放入水槽進行波浪砰擊作用的試驗，能更為真實地模擬自然界波浪擊打橋梁上部結構的情景，所得的數值也更加精確。但是物理模型試驗的展開，需要大量的人力，物力和財力，并且將模型等比例縮小，需要選擇合適的動力相似準則，然而在選擇合適的相似準則過程中，流體力學試驗需要滿足Strouhal相似準則、Froude相似準則、Euler相似準則和Reynolds相似準則等，選擇的相似準則越多，試驗模型的設計越困難，甚至根本無法進行，例如：在重力場中使用Froude 準則要求：λV=λL1/2，而模型與原型中的流體相同，需要雷諾數相同，則要求：λV=λL-1，這使得要求相矛盾，即使采用不同的流體介質也很難實現，這就使得想要進行物理模型試驗將有諸多不便。

數值模擬是以波浪理論為基礎，以計算機為輔助設備，利用現有的可視化軟件進行的數值模型的建立和模擬過程。隨著計算流體力學（CFD）技術的發展和應用，越來越多的學者開始利用CFD 技術解決工程計算中的難題，數值模擬不需要考慮縮尺效應，可以全尺寸地在軟件中進行數值模擬，且操作方便靈活，可以對橋梁構型和波浪要素進行反復的設計優化和對比分析。但是要想得到準確的數值，往往需要精細的建模，選擇合適的湍流模型和正確的計算方法，這對計算機的計算性能是一個不小的考驗。

3.2 二維與三維數值模型對比

在數值模擬中，選擇構建二維模型或者三維模型是一個值得斟酌的問題，不可否認的是，三維數值模型的精確程度普遍比二維數值模型高，但是所耗費的時間也是二維數值模型所不能比擬的。面對較為復雜的橋梁模型，三維模型能比二維模型得到更準確的數值結果，然而目前多數橋梁上部結構的形狀都可以視為簡單的T型梁橋或者箱型梁橋，這使得目前在選擇幾維的數值模型上，二維數值模型更受廣大學者青睞。Bozorgnia[18]曾經進行了二維和三維橋梁受到波浪力問題的研究，并與Bradner[19]的研究成果進行了對比，發現當波高和水深的比值為0.45時，二維數值模型和三維數值模型之間的最大差異為11%，而當波高和水深的比值為0.36時，最大的差異僅為6%，而在其他情況時，差異可以更小，這可以說明二維數值模型也能得到相對合理的結果。

3.3 湍流模型的對比

在湍流模型的選擇上，目前大部分選擇的是k-ε模型或者是k-ω模型。k-ε湍流模型中主要分為3種：Standrad模型，Realizable 模型和RNG 模型。其中，雖然Standrad模型參數是已經通過試驗數據驗證過的，但是仍有著較大的局限性，對有大的應變區域（如近分離點）模擬的k偏大，并且面對有較大的壓力梯度、強分離流、強旋流和大曲率流動的模擬精度不夠；Realizable模型能精確預測平板和圓柱射流的傳播，包括旋轉、有大反壓力梯度的邊界層、分離、回流等現象有更好的預測結果，但是對于強旋轉的精確仍有不足；RNG模型是目前k-ε湍流模型中的最優選擇，它修正了耗散率方程，在一些復雜的剪切流，有大應變率、漩渦、分離等流動問題比上述兩種k-ε湍流模型表現更好。k-ω湍流模型對近壁面處理較好，對逆壓力梯度和分離流動精度較高，但是其計算量比k-ε湍流模型要大，而且對壁面的距離比較敏感。

4 結束語

綜上所述，國內外許多學者在近海橋梁上部結構波浪力的計算研究方面取得了許多成果，同時在研究橋梁上部結構的波浪力的方法上不斷創新，為后續深入研究提供了豐富的資源。但是也可以明顯發現，現有的對橋梁上部結構波浪力的研究，都只集中在T型梁橋和箱型梁橋這兩種常規橋型，或針對某一具體工程展開的，都有其適用范圍，而對于弧形底的魚腹式橋梁的研究，卻處于空白階段，在我國交通網絡迅猛發展的今天，橋梁的技術也日新月異，因此僅僅局限于兩種常規橋梁結構，是不足夠支撐近海橋梁上部結構波浪力的研究，需要加大魚腹式截面箱梁的研究，這具有十分重要的現實意義。