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海洋桥梁波流力作用与基础冲刷研究的发展方向
发布时间:2022年06月10日

(一)研究面向海洋桥梁工程沿线波浪特性的高精度预报方法

我国海洋预报研究起步较晚,但发展迅速,在预报、预警方法和质量上都取得了长足进步。然而,面向普通公众的业务化海浪预报远达不到海洋桥梁建设对预报的需求,故主要研究方向在:①提高业务化海浪预报的空间分辨率,准确预报特大海洋桥梁主要施工控制点的波高;②需要考虑海浪复杂的近岸传播过程,海洋桥梁常常需要连接、跨越岛屿,桥址区地处复杂岛礁区,在复杂的岛礁地形影响下,海浪在传播过程中会发生一系列复杂多变的物理过程;③一般的业务化海浪预报空间尺度过大,针对性低,需要搭建在 计算机集群上,系统十分复杂,需要进一步提高计算效率。在海洋浮标布放上,需向多站位、高密度、立体化方向发展,增加浮标数量和提高数据开放程度。

(二)发展面向工程应用的风浪环境要素联合概率模型

用概率方法或可靠度方法进行海洋工程结构设计已在国内外受到广泛应用,但仍然存在一定的局限,如对于波高、周期的概率分布,一般根据样本数据选用一个拟合最好的模型,然后根据模型计算重现期,但模型是建立在独立和同分布的基础上的,而测得的数据是具有相关性的,所以传统的多变量分布函数的概率分析受到很大限制,需要探究新型的概率分布函数来对实际进行模拟。相关方面还有很多,如实测资料的缺乏、设计波要素的不确定性等。因此需要开展风浪环境要素联合概率分布模型的研究工作,建立海洋桥梁结构风浪环境荷载组合方法,完善海洋桥梁工程设计技术标准和风险评价机制。

(三)建立海洋桥梁环境预报系统和预警系统

桥梁工程的施工和运营是个长期的过程,尤其是桥梁施工期间需要稳定的海洋环境,研究桥址区波浪特性,明确桥址区波浪对桥梁结构的作用,对海洋桥梁施工和运营安全具有重大意义,是海洋桥梁工程所面临和亟待解决的问题。当极端气候来临时,以灾害能量等级、结构整体稳定性、行车稳定性、构件级别失效等单方面或多方面的预警标准尚不明确,海洋桥梁的管理尚缺乏完善的风险评价机制。研究面向海洋桥梁工程沿线波浪特性的高精度预报方法,搭建重大海洋通道实时海洋环境预报和预警系统,对海上桥梁发展有重要的意义。

(四)改进完善小尺度、短时波浪预报的数值模拟技术

在桥梁的施工运营阶段,桥梁附近的波浪特性也在不断变化,大区域的波浪特性无法真实代表每一结构处的波浪特性,同时,小尺度、短时的波浪预报将对桥梁的施工安全和应急措施起到关键作用,所以对小尺度、短时波浪预报的研究很有必要。

(五)深化群桩效应对波浪场的影响

当前对群桩效应的研究,最多研究到了四桩阵列的情况,而跨海大桥的桩基,有着多种多样的排列形式,甚至还有斜桩,对于这些复杂却源于实际工程的群桩效应下的群桩系数,目前研究非常欠缺。而在考虑结合承台、桥墩的群桩 – 承台 – 桥墩整体结构对波流场产生的影响下,还没有研究波流力对跨海桥梁的各结构的影响情况。因此,有必要深化研究海洋桥梁的群桩效应,明确群桩相互作用机理。

(六)研究大、小尺度结构波浪力的时域、频域计算方法

波浪力的动力响应可以从时域与频域中得到,时域可以解决任何非线性问题,但对待长时间历程时,其计算效率相当低,而频域只限于解决线性结构的动力问题,所以当前要结合深水大跨桥梁特点,提出适用于海洋桥梁结构波浪力的时域、频域计算方法,提高波浪力计算的精度和效率;完善Morison 方程,考虑非线性项的影响及相邻结构之间的相互影响;开展桥梁组合结构专题研究,明确各构件之间的相关性。

(七)开展大型海洋桥梁动力响应、多因素耦合作用研究

对于处在较深海域的结构物来说,结构有较大的柔性(近岸跨海桥梁所处的海域不是很深,但由于桥墩的基础尺寸较小,同样具有较大的柔性),对于波浪动荷载比较敏感,动力响应也比较显著,结构的动力分析必不可少。研究波浪荷载的行波效应、空间相干效应、流固耦合作用等非一致激励的问题以及结构 – 桩 – 土动力相互作用、流固相互作用、波浪理论、波浪方向等因素的影响,对大型海洋桥梁具有非常重要的意义。

(八)开展波浪相互作用及波浪冲击作用机理研究

波流相互作用是非常复杂的非线性问题,其流动机理和特征至今还没有被完全探明,对其开展试验研究所消耗的人力、物力、财力极大,且难以开展不同工况下的大规模、系统化研究,而解析方法也基本局限于均匀流和剪切流等特殊水流流速剖面条件。然而,随着人类向海洋的探索,波流相互作用已成为复杂环境中海洋开发所面临的关键问题之一,受到国内外科研人员的重视。

波浪冲击过程和作用机理非常复杂,涉及波浪的强非线性、瞬时效应、流体黏性、湍流特性、水气掺混等因素,现有的研究成果对波浪冲击建筑物作用机理的分析还不是十分清晰,因此,至今这一问题仍是海岸工程领域尚待解决的困难课题之一。目前,大部分学者对冲击问题的研究还是采用半经验半理论的方法,先基于理论研究给出冲击压力的计算公式,然后再通过物理模型试验确定主要参数。已有的计算公式也主要是在规则波条件下得到的,虽然各种公式相对于自己的试验资料都有较好的一致性,但是由于海上结构物的复杂性,使得各个公式都有一定的局限性,亟待研究适用于海洋桥梁的波浪冲击方法和理论。

(九)开展海啸波 - 桥梁相互作用机理研究

目前国内外已修建的桥梁,都未进行抗海啸设计,国内外桥梁工程规范也没有关于抗海啸设计的条文。根本原因是对海啸威胁认识不够,对海啸作用力本质、桥梁破坏机理没有研究透彻。需要通过数值模拟或试验分析稳定气候条件下的海啸与结构的相互作用机理。同时国内亟需编制海啸力计算指南或规范。海啸计算指南或规范,需要吸收借鉴众多较为成熟的研究成果,并将其梳理总结,是海啸研究成果的集中体现,此工作具有非常重要的应用价值。

(十)开展海洋桥梁冲刷机理和局部冲刷模拟技术研究

桥梁基础冲刷将成为海洋桥梁设计和建设必须考虑的关键问题。由于海洋环境下的桥梁基础冲刷机理研究还十分匮乏,冲刷机理还不够透彻,因此海洋环境下的桥梁基础冲刷计算公式较少,并且没有纯理论推导公式,都是经验公式或半经验半理论公式,因此需要开展对海洋桥梁基础冲刷机理的研究,提高对海洋桥梁基础冲刷流场特性、泥沙运动的认识,编制海洋环境下桥梁基础冲刷规范。另外为了解决工程实际问题,通常会进行冲刷物理试验模型来为实际工程提供科学依据和参考。针对不同的目的,需要建立不同的桥梁基础冲刷试验模型进行测试。但冲刷试验在缩尺效应、施工期冲刷以及实际工程地形地貌试验模型等方面仍存在不足。针对海洋环境的复杂性和多变性,需要开展海洋桥梁基础冲刷与其他因素耦合作用的研究,深化复杂海洋动力环境下桥梁基础局部冲刷试验模拟技术、水下探测方法和防冲刷措施的研究,为实际施工提供保证和依据。