李永樂(lè) ，房忱 ，裘放 ，唐浩俊 ，胡勇 ，夏云峰 ，魏凱 ，吳聯(lián)活 ，楊紹林 ，向琪芪

（1. 西南交通大學(xué)橋梁工程系，成都 610031；2. 中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430056；3. 南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

一、前言

隨著“一帶一路”倡議和“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的提出，海洋橋梁的建設(shè)迎來(lái)了一個(gè)發(fā)展的高峰期，越來(lái)越多的橋梁建設(shè)在我國(guó)沿海的重要航道上。隨著海洋橋梁不斷向深海延伸，橋梁下部結(jié)構(gòu)所遭受的波流荷載也愈加顯著，波流力已成為海洋橋梁的控制性荷載[1]，許多在建或已建成的海洋橋梁，如港珠澳大橋[2]、平潭海峽大橋[3]、東海大橋[4]、樂(lè)清灣大橋[5]等都對(duì)其橋梁下部結(jié)構(gòu)的波浪力進(jìn)行了專(zhuān)題研究。不同于梁橋等小跨度橋梁，海洋橋梁多為斜拉橋、懸索橋等大跨度橋梁，其具有主跨跨度大、整體剛度小、結(jié)構(gòu)變形大的特點(diǎn)，這使得海洋橋梁受波流力和基礎(chǔ)沖刷的影響更加顯著。因此，針對(duì)海洋橋梁的波流力作用與基礎(chǔ)沖刷發(fā)展方向的研究已經(jīng)迫在眉睫。

同時(shí)，我國(guó)沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)、熱帶氣旋等極端天氣頻發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2011—2018年，就有多達(dá)59次臺(tái)風(fēng)登陸我國(guó)，其中臺(tái)風(fēng)登陸我國(guó)次數(shù)最多的年份為2018年，達(dá)到9次；最少的年份為2014年，也有5次。臺(tái)風(fēng)天氣往往會(huì)帶來(lái)巨浪急流，甚至造成風(fēng)暴潮等災(zāi)害性天氣，給橋梁的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大的威脅。波流力作用和基礎(chǔ)沖刷作用研究是海洋橋梁戰(zhàn)略研究必不可少的一環(huán)，也是海洋橋梁合理建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)的重要保障。本研究深入剖析了海洋橋梁波流力作用與基礎(chǔ)沖刷現(xiàn)存問(wèn)題與挑戰(zhàn)，進(jìn)而指明了海洋橋梁在該領(lǐng)域的發(fā)展方向，最終提出了針對(duì)性的對(duì)策與建議，可為海洋橋梁波流力作用與基礎(chǔ)沖刷研究提供重要的參考。

二、海洋橋梁波流力作用與基礎(chǔ)沖刷研究面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

（一）波浪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不足

我國(guó)在海上布置相當(dāng)數(shù)量的浮標(biāo)，但浮標(biāo)布置密度有限，當(dāng)臺(tái)風(fēng)等極端氣象發(fā)生時(shí)，以遠(yuǎn)海波浪推算橋址區(qū)波浪特性的傳統(tǒng)方法精度有限，還需要更豐富、更直接的波浪數(shù)據(jù)來(lái)認(rèn)識(shí)橋址區(qū)的波浪特性。同時(shí)，浮標(biāo)歸不同組織機(jī)構(gòu)所有，浮標(biāo)數(shù)據(jù)查詢(xún)困難重重，各機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)公開(kāi)程度嚴(yán)重不足，缺少浮標(biāo)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。在橋位處架設(shè)波浪儀可補(bǔ)充一定的波浪數(shù)據(jù)，但儀器容易受環(huán)境因素干擾，工作不穩(wěn)定，特別是在大風(fēng)、大浪等惡劣的海洋環(huán)境期間，實(shí)測(cè)序列存在較多的缺失和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

（二）橋址區(qū)波浪計(jì)算和預(yù)報(bào)精度低

現(xiàn)有對(duì)波高的推測(cè)研究多集中在風(fēng)浪關(guān)系上，但對(duì)于近岸區(qū)域，在一般情況下波高的變化主要受地形控制，針對(duì)復(fù)雜地形區(qū)域近岸傳播的實(shí)用方法研究較為少見(jiàn)。《港口與航道水文規(guī)范》[6]中關(guān)于波浪近岸傳播和變形是采用基于理想平行等深線(xiàn)下淺化系數(shù)和折射系數(shù)相乘的方式計(jì)算的，該方法在平緩海灘地形中得到廣泛的應(yīng)用，但在復(fù)雜島礁地形下，該方法的計(jì)算精度無(wú)法滿(mǎn)足工程需求。基于實(shí)測(cè)的波浪數(shù)據(jù)提出的經(jīng)驗(yàn)公式，由于不同橋址區(qū)的地形不盡相同，經(jīng)驗(yàn)公式的適用范圍十分有限[7]。基于試驗(yàn)得出波浪傳播規(guī)律，盡管將適用范圍擴(kuò)大到某一類(lèi)地形，但常常也是經(jīng)過(guò)某種程度的簡(jiǎn)化，且受試驗(yàn)條件影響較大，仍不具有較大的普適性。而數(shù)值計(jì)算的方法，雖然可以提高精度，但付出的時(shí)間成本無(wú)法讓人接受，而時(shí)間與精度又是呈反相關(guān)關(guān)系，減少時(shí)間就會(huì)降低精度。因此，對(duì)橋址區(qū)波浪的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)仍需要做更多的改進(jìn)工作。

同時(shí)，海洋橋梁是一項(xiàng)龐大的條帶狀結(jié)構(gòu)工程，橋梁上部結(jié)構(gòu)及墩柱與波浪場(chǎng)的相互作用十分復(fù)雜。同時(shí)，基于橋梁在不同階段的結(jié)構(gòu)形式差別，施工和運(yùn)營(yíng)階段的波浪場(chǎng)對(duì)橋梁的影響是有所變化的，但目前針對(duì)海洋橋梁施工運(yùn)營(yíng)的條式精密測(cè)量預(yù)報(bào)海浪平臺(tái)尚未發(fā)現(xiàn)。另外，從橋梁設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的角度來(lái)看，更應(yīng)關(guān)注橋址區(qū)的波浪場(chǎng)，以及不同墩柱之間的相互作用，因?yàn)檫@將決定橋梁結(jié)構(gòu)上直接作用的力的大小。所以小尺度、短時(shí)波浪預(yù)報(bào)對(duì)現(xiàn)實(shí)有十分重要的指導(dǎo)意義，但目前的預(yù)報(bào)模式大多為大區(qū)域預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)精細(xì)化程度低，不能滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)要求。

（三）復(fù)雜海洋環(huán)境下橋址區(qū)波浪特性計(jì)算困難

復(fù)雜的海洋環(huán)境下橋址區(qū)波浪特性的研究不僅要考慮復(fù)雜的地形影響，還需要研究極端氣候的作用。目前較為常用的分析方法是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，海港工程的規(guī)范中波要素設(shè)計(jì)重現(xiàn)期即是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法利用長(zhǎng)期資料推算得到，但還未有針對(duì)海洋橋梁工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)波要素及其重現(xiàn)期的確定方法尚不明確。數(shù)值模擬能夠較好地實(shí)現(xiàn)地形、波浪、風(fēng)三個(gè)因素的耦合計(jì)算，但數(shù)值模擬的計(jì)算成本較高，若要保證較高的精度，時(shí)間成本將無(wú)法接受，為降低時(shí)間成本則必須降低計(jì)算精度，導(dǎo)致了數(shù)值解與實(shí)際值存在偏差。我國(guó)南海和東南沿海是臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)域，臺(tái)風(fēng)從生成到我國(guó)沿海登陸可能不足5天，從基本確定臺(tái)風(fēng)路徑到臺(tái)風(fēng)登陸的時(shí)間更短，在如此短的時(shí)間內(nèi)很難用數(shù)值方法及時(shí)模擬臺(tái)風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響并采取保護(hù)措施。在試驗(yàn)方面，由于試驗(yàn)條件的限制，常常只能做常規(guī)風(fēng)作用下的模擬，大風(fēng)暴氣候條件下的模擬還有難度，無(wú)法還原真實(shí)的復(fù)雜海洋環(huán)境。

（四）Morison方程有待完善

Morison方程中的阻力系數(shù)和慣性力系數(shù)依賴(lài)于Re數(shù)和KC數(shù)，兩個(gè)參數(shù)對(duì)阻力系數(shù)的影響較對(duì)慣性力系數(shù)的影響要大，但確切的結(jié)果仍需進(jìn)一步研究。Morison方程中阻力與速度的平方成正比，但在用Morison方程計(jì)算波浪力的過(guò)程中，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，一般需要對(duì)阻力項(xiàng)進(jìn)行線(xiàn)性化處理，為了計(jì)算結(jié)果的精確，同時(shí)還應(yīng)考慮二階力的影響，因此處理的方法尚未有統(tǒng)一的理論。由于波浪荷載導(dǎo)致的海洋工程墩柱結(jié)構(gòu)破壞的工程實(shí)例屢見(jiàn)不鮮[8]，Morison方程作為深水橋墩波浪力的主要計(jì)算方法，其準(zhǔn)確性和可靠性是需深入解決的課題。

（五）復(fù)雜結(jié)構(gòu)波浪力計(jì)算未有明確的方法

海洋橋梁的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在三點(diǎn)：大、小尺度結(jié)構(gòu)并存；群樁、群墩結(jié)構(gòu)組合多樣；斷面結(jié)構(gòu)不規(guī)則。海洋橋梁小尺度結(jié)構(gòu)主要是指橋墩、樁基等結(jié)構(gòu)，尤其是橋墩，其斷面往往是非標(biāo)準(zhǔn)斷面（帶圓角的矩形、啞鈴型等），而目前對(duì)于跨海橋梁的設(shè)計(jì)規(guī)范中并沒(méi)有對(duì)該結(jié)構(gòu)波浪荷載的計(jì)算提供明確的公式和方法，因此作為主要控制外力的波浪荷載，對(duì)于跨海大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)便成為一個(gè)受關(guān)注的問(wèn)題。海洋橋梁大尺度結(jié)構(gòu)主要是指承臺(tái)、圍堰等結(jié)構(gòu)，規(guī)范僅能計(jì)算圓形斷面和長(zhǎng)寬比小于1.5的矩形斷面，對(duì)于復(fù)雜的建筑斷面尚無(wú)明確計(jì)算方法。在計(jì)算過(guò)程中也未考慮組合結(jié)構(gòu)間的相互影響。另外，現(xiàn)有大尺度墩柱、小尺度樁柱的波浪力計(jì)算方法，是在對(duì)從海底延伸到水面的墩柱進(jìn)行理論分析和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上得來(lái)的，將此應(yīng)用到樁基、承臺(tái)及墩身的波浪力計(jì)算，對(duì)波浪力計(jì)算結(jié)果有何影響還需進(jìn)行研究；樁基波浪力計(jì)算采用的Morison方程的基本假定是結(jié)構(gòu)物的存在不影響波浪的傳播，由于上部承臺(tái)和橋墩的結(jié)構(gòu)尺寸較大，將使得結(jié)構(gòu)周?chē)牟ɡ藞?chǎng)發(fā)生變化，Morison方程在橋梁樁基礎(chǔ)計(jì)算中的適用性有待進(jìn)一步論證。

（六）跨海橋梁波浪作用下的多因素耦合分析研究缺乏

由于地基的柔性和無(wú)限性，使得按剛性地基假定計(jì)算出來(lái)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)力反應(yīng)與將地基和結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體計(jì)算出來(lái)的結(jié)果有所不同，因此有必要考慮海底-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)多因素相互作用的影響。在多因素耦合體系中，非線(xiàn)性和非一致激勵(lì)問(wèn)題尤為重要。對(duì)于非線(xiàn)性問(wèn)題，一般在計(jì)算波浪力時(shí)，并未考慮非線(xiàn)性因素的影響，包括波浪的非線(xiàn)性理論、波浪間的非線(xiàn)性相互作用以及二階波浪力等，事實(shí)上，非線(xiàn)性因素在淺水區(qū)以及海洋工程結(jié)構(gòu)物在生存狀態(tài)下的動(dòng)力計(jì)算中都是必須考慮的[9]。同時(shí)由于跨海橋梁一般跨度比較大，在將波浪力作為隨機(jī)激勵(lì)輸入時(shí)，將會(huì)涉及到行波效應(yīng)、空間相干效應(yīng)等非一致激勵(lì)的問(wèn)題，這些都是值得研究的內(nèi)容。

（七）波流相互作用機(jī)理尚未明確

實(shí)際流速的大小和方向?qū)崟r(shí)改變，波浪的要素也是瞬息變化，導(dǎo)致波流相互作用的形式紛繁復(fù)雜。尤其近岸淺水區(qū)域，波流共同作用現(xiàn)象非常明顯。比如漲潮時(shí)，順流進(jìn)入河口將波浪沖平；落潮時(shí)，逆流進(jìn)入河口的時(shí)候波浪變陡甚至破碎，給近海航行造成影響。此外，當(dāng)波浪自外海向岸邊傳播時(shí)由于發(fā)生破碎生成的破波線(xiàn)與岸線(xiàn)之間會(huì)形成平行海岸的沿岸流，在破波帶還可以形成一股向深海方向的窄帶狀流動(dòng)，稱(chēng)為離岸流。常見(jiàn)的潮汐、徑流、風(fēng)生環(huán)流與波浪相互作用，孤立波與流以及界面波與流相互作用等都是波與流相互影響的典型形式。此外，波浪增減水、裂流等許多其他自然現(xiàn)象也都受波流相互作用影響。隨著人類(lèi)向海洋的探索，波流相互作用已成為復(fù)雜環(huán)境中開(kāi)發(fā)海洋需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，受到國(guó)內(nèi)外科研人員的重視。

（八）海嘯波與橋梁相互作用研究不完善

國(guó)內(nèi)對(duì)海嘯的研究較晚，目前國(guó)內(nèi)對(duì)海嘯的研究主要集中在海嘯成因、海嘯傳播的數(shù)值模擬、海嘯的預(yù)警和監(jiān)測(cè)、海嘯的危險(xiǎn)性及海嘯危險(xiǎn)區(qū)域劃分、海嘯與結(jié)構(gòu)的相互作用[10]。其中，海嘯與結(jié)構(gòu)的相互作用研究得更少一些，研究對(duì)象主要集中在海嘯對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的破壞作用。國(guó)外已經(jīng)制定部分針對(duì)逃生結(jié)構(gòu)的指南，正在逐漸納入規(guī)范。但是還沒(méi)有針對(duì)橋梁海嘯力的指南。這些指南或者規(guī)范中關(guān)于海嘯作用力的條文，主要是跟住宅建筑或者海岸工程相關(guān)，目前還不夠完善，如在美國(guó)海嘯垂直疏散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南——FEMA P-646（2012）中提供的海嘯力估算表達(dá)式，沒(méi)有考慮到在海嘯波快速推進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)間變化的浮力，以及在地基土壤中逐漸變化的孔隙水壓力。國(guó)內(nèi)沒(méi)有海嘯力計(jì)算指南，相關(guān)規(guī)范中也沒(méi)有包含海嘯力計(jì)算條目。在國(guó)內(nèi)近海工程中，目前只有核電站會(huì)考慮海嘯作用力，進(jìn)行海嘯力作用驗(yàn)算，其余基礎(chǔ)設(shè)施都未考慮海嘯作用力。

（九）海洋橋梁基礎(chǔ)沖刷機(jī)理復(fù)雜

海洋環(huán)境考慮通航要求，主跨跨度大，上部結(jié)構(gòu)自重大，橋梁基礎(chǔ)更加復(fù)雜和龐大，水深更深，海床地質(zhì)條件更為復(fù)雜和多變，這都是影響基礎(chǔ)沖刷的重要因素；海洋深水基礎(chǔ)由惡劣的氣象、水文所產(chǎn)生的環(huán)境荷載力要比內(nèi)河深水基礎(chǔ)大得多，因而在設(shè)計(jì)和施工中，由颶風(fēng)、巨浪和大潮所產(chǎn)生的基礎(chǔ)沖刷更加嚴(yán)重，是設(shè)計(jì)和施工必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。海洋深水基礎(chǔ)所面對(duì)的水流流向要比內(nèi)河復(fù)雜得多，內(nèi)河水流方向較為固定，而海洋環(huán)境中的水流方向較為隨機(jī)，同時(shí)還需要考慮全球洋流運(yùn)動(dòng)等因素的影響，會(huì)大幅增加海洋環(huán)境橋梁基礎(chǔ)沖刷深度的預(yù)測(cè)難度。由于水流和波浪所引起的沖刷是兩種完全不同的類(lèi)型，沖刷機(jī)理、沖刷形態(tài)、沖刷過(guò)程都存在較大的區(qū)別。因此，這不得不引起對(duì)海洋橋梁基礎(chǔ)沖刷問(wèn)題研究的高度重視。為了減小在海洋橋梁基礎(chǔ)施工過(guò)程中因沖刷而造成不安全和經(jīng)濟(jì)損失問(wèn)題，開(kāi)展海洋橋梁基礎(chǔ)沖刷研究就顯得尤為重要。

（十）海洋橋梁基礎(chǔ)沖刷數(shù)值和試驗(yàn)技術(shù)尚不完善

有許多研究者對(duì)局部沖刷，包括橋墩、群樁、沉井等局部沖刷進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和研究，獲得的結(jié)果也能與經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)半理論公式計(jì)算結(jié)果相吻合，也能為實(shí)際工程提供科學(xué)依據(jù)，但是試驗(yàn)結(jié)果往往只能作為參考，其與工程的實(shí)際結(jié)果的差距仍然很大，并且有關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)的選擇、測(cè)量的精度、縮尺效應(yīng)以及試驗(yàn)方式的改進(jìn)仍然是沖刷試驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展的內(nèi)容[11]。與試驗(yàn)方法相比，數(shù)值模型方法有如下優(yōu)點(diǎn)：①能夠以原型大小進(jìn)行模擬，避免縮尺效應(yīng)；②數(shù)值模型能夠精確布置，尤其是在復(fù)雜條件下，完成試驗(yàn)方法所不能滿(mǎn)足的條件；③能夠從不同視角對(duì)沖刷機(jī)理行為提供詳細(xì)和全面的觀察；④操作環(huán)境簡(jiǎn)單，不需要專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)場(chǎng)地和過(guò)多的實(shí)驗(yàn)人員。雖然目前已經(jīng)開(kāi)展了眾多局部沖刷的數(shù)值模擬研究，但是局部沖刷的機(jī)制，尤其是海洋環(huán)境下的橋梁基礎(chǔ)沖刷機(jī)理，還有待進(jìn)一步的研究，動(dòng)床沖刷和三維兩相模擬的研究還有待加強(qiáng)。

三、海洋橋梁波流力作用與基礎(chǔ)沖刷研究的發(fā)展方向

（一）研究面向海洋橋梁工程沿線(xiàn)波浪特性的高精度預(yù)報(bào)方法

我國(guó)海洋預(yù)報(bào)研究起步較晚，但發(fā)展迅速，在預(yù)報(bào)、預(yù)警方法和質(zhì)量上都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。然而，面向普通公眾的業(yè)務(wù)化海浪預(yù)報(bào)遠(yuǎn)達(dá)不到海洋橋梁建設(shè)對(duì)預(yù)報(bào)的需求，故主要研究方向在：①提高業(yè)務(wù)化海浪預(yù)報(bào)的空間分辨率，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)特大海洋橋梁主要施工控制點(diǎn)的波高；②需要考慮海浪復(fù)雜的近岸傳播過(guò)程，海洋橋梁常常需要連接、跨越島嶼，橋址區(qū)地處復(fù)雜島礁區(qū)，在復(fù)雜的島礁地形影響下，海浪在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜多變的物理過(guò)程；③一般的業(yè)務(wù)化海浪預(yù)報(bào)空間尺度過(guò)大，針對(duì)性低，需要搭建在超級(jí)計(jì)算機(jī)集群上，系統(tǒng)十分復(fù)雜，需要進(jìn)一步提高計(jì)算效率。在海洋浮標(biāo)布放上，需向多站位、高密度、立體化方向發(fā)展，增加浮標(biāo)數(shù)量和提高數(shù)據(jù)開(kāi)放程度。

（二）發(fā)展面向工程應(yīng)用的風(fēng)浪環(huán)境要素聯(lián)合概率模型

用概率方法或可靠度方法進(jìn)行海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已在國(guó)內(nèi)外受到廣泛應(yīng)用，但仍然存在一定的局限，如對(duì)于波高、周期的概率分布，一般根據(jù)樣本數(shù)據(jù)選用一個(gè)擬合最好的模型，然后根據(jù)模型計(jì)算重現(xiàn)期，但模型是建立在獨(dú)立和同分布的基礎(chǔ)上的，而測(cè)得的數(shù)據(jù)是具有相關(guān)性的，所以傳統(tǒng)的多變量分布函數(shù)的概率分析受到很大限制，需要探究新型的概率分布函數(shù)來(lái)對(duì)實(shí)際進(jìn)行模擬。相關(guān)方面還有很多，如實(shí)測(cè)資料的缺乏、設(shè)計(jì)波要素的不確定性等。因此需要開(kāi)展風(fēng)浪環(huán)境要素聯(lián)合概率分布模型的研究工作，建立海洋橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)浪環(huán)境荷載組合方法，完善海洋橋梁工程設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)機(jī)制。

（三）建立海洋橋梁環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)

橋梁工程的施工和運(yùn)營(yíng)是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，尤其是橋梁施工期間需要穩(wěn)定的海洋環(huán)境，研究橋址區(qū)波浪特性，明確橋址區(qū)波浪對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用，對(duì)海洋橋梁施工和運(yùn)營(yíng)安全具有重大意義，是海洋橋梁工程所面臨和亟待解決的問(wèn)題。當(dāng)極端氣候來(lái)臨時(shí)，以災(zāi)害能量等級(jí)、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、行車(chē)穩(wěn)定性、構(gòu)件級(jí)別失效等單方面或多方面的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)尚不明確，海洋橋梁的管理尚缺乏完善的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)機(jī)制。研究面向海洋橋梁工程沿線(xiàn)波浪特性的高精度預(yù)報(bào)方法，搭建重大海洋通道實(shí)時(shí)海洋環(huán)境預(yù)報(bào)和預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)海上橋梁發(fā)展有重要的意義。

（四）改進(jìn)完善小尺度、短時(shí)波浪預(yù)報(bào)的數(shù)值模擬技術(shù)

在橋梁的施工運(yùn)營(yíng)階段，橋梁附近的波浪特性也在不斷變化，大區(qū)域的波浪特性無(wú)法真實(shí)代表每一結(jié)構(gòu)處的波浪特性，同時(shí)，小尺度、短時(shí)的波浪預(yù)報(bào)將對(duì)橋梁的施工安全和應(yīng)急措施起到關(guān)鍵作用，所以對(duì)小尺度、短時(shí)波浪預(yù)報(bào)的研究很有必要。

（五）深化群樁效應(yīng)對(duì)波浪場(chǎng)的影響

當(dāng)前對(duì)群樁效應(yīng)的研究，最多研究到了四樁陣列的情況，而跨海大橋的樁基，有著多種多樣的排列形式，甚至還有斜樁，對(duì)于這些復(fù)雜卻源于實(shí)際工程的群樁效應(yīng)下的群樁系數(shù)，目前研究非常欠缺。而在考慮結(jié)合承臺(tái)、橋墩的群樁-承臺(tái)-橋墩整體結(jié)構(gòu)對(duì)波流場(chǎng)產(chǎn)生的影響下，還沒(méi)有研究波流力對(duì)跨海橋梁的各結(jié)構(gòu)的影響情況。因此，有必要深化研究海洋橋梁的群樁效應(yīng)，明確群樁相互作用機(jī)理。

（六）研究大、小尺度結(jié)構(gòu)波浪力的時(shí)域、頻域計(jì)算方法

波浪力的動(dòng)力響應(yīng)可以從時(shí)域與頻域中得到，時(shí)域可以解決任何非線(xiàn)性問(wèn)題，但對(duì)待長(zhǎng)時(shí)間歷程時(shí)，其計(jì)算效率相當(dāng)?shù)?，而頻域只限于解決線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問(wèn)題，所以當(dāng)前要結(jié)合深水大跨橋梁特點(diǎn)，提出適用于海洋橋梁結(jié)構(gòu)波浪力的時(shí)域、頻域計(jì)算方法，提高波浪力計(jì)算的精度和效率；完善Morison方程，考慮非線(xiàn)性項(xiàng)的影響及相鄰結(jié)構(gòu)之間的相互影響；開(kāi)展橋梁組合結(jié)構(gòu)專(zhuān)題研究，明確各構(gòu)件之間的相關(guān)性。

（七）開(kāi)展大型海洋橋梁動(dòng)力響應(yīng)、多因素耦合作用研究

對(duì)于處在較深海域的結(jié)構(gòu)物來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)有較大的柔性（近岸跨海橋梁所處的海域不是很深，但由于橋墩的基礎(chǔ)尺寸較小，同樣具有較大的柔性），對(duì)于波浪動(dòng)荷載比較敏感，動(dòng)力響應(yīng)也比較顯著，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析必不可少。研究波浪荷載的行波效應(yīng)、空間相干效應(yīng)、流固耦合作用等非一致激勵(lì)的問(wèn)題以及結(jié)構(gòu)-樁-土動(dòng)力相互作用、流固相互作用、波浪理論、波浪方向等因素的影響，對(duì)大型海洋橋梁具有非常重要的意義。

（八）開(kāi)展波浪相互作用及波浪沖擊作用機(jī)理研究

波流相互作用是非常復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題，其流動(dòng)機(jī)理和特征至今還沒(méi)有被完全探明，對(duì)其開(kāi)展試驗(yàn)研究所消耗的人力、物力、財(cái)力極大，且難以開(kāi)展不同工況下的大規(guī)模、系統(tǒng)化研究，而解析方法也基本局限于均勻流和剪切流等特殊水流流速剖面條件。然而，隨著人類(lèi)向海洋的探索，波流相互作用已成為復(fù)雜環(huán)境中海洋開(kāi)發(fā)所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一，受到國(guó)內(nèi)外科研人員的重視。

波浪沖擊過(guò)程和作用機(jī)理非常復(fù)雜，涉及波浪的強(qiáng)非線(xiàn)性、瞬時(shí)效應(yīng)、流體黏性、湍流特性、水氣摻混等因素，現(xiàn)有的研究成果對(duì)波浪沖擊建筑物作用機(jī)理的分析還不是十分清晰，因此，至今這一問(wèn)題仍是海岸工程領(lǐng)域尚待解決的困難課題之一。目前，大部分學(xué)者對(duì)沖擊問(wèn)題的研究還是采用半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法，先基于理論研究給出沖擊壓力的計(jì)算公式，然后再通過(guò)物理模型試驗(yàn)確定主要參數(shù)。已有的計(jì)算公式也主要是在規(guī)則波條件下得到的，雖然各種公式相對(duì)于自己的試驗(yàn)資料都有較好的一致性，但是由于海上結(jié)構(gòu)物的復(fù)雜性，使得各個(gè)公式都有一定的局限性，亟待研究適用于海洋橋梁的波浪沖擊方法和理論。

（九）開(kāi)展海嘯波-橋梁相互作用機(jī)理研究

目前國(guó)內(nèi)外已修建的橋梁，都未進(jìn)行抗海嘯設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外橋梁工程規(guī)范也沒(méi)有關(guān)于抗海嘯設(shè)計(jì)的條文。根本原因是對(duì)海嘯威脅認(rèn)識(shí)不夠，對(duì)海嘯作用力本質(zhì)、橋梁破壞機(jī)理沒(méi)有研究透徹。需要通過(guò)數(shù)值模擬或試驗(yàn)分析穩(wěn)定氣候條件下的海嘯與結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理。同時(shí)國(guó)內(nèi)亟需編制海嘯力計(jì)算指南或規(guī)范。海嘯計(jì)算指南或規(guī)范，需要吸收借鑒眾多較為成熟的研究成果，并將其梳理總結(jié)，是海嘯研究成果的集中體現(xiàn)，此工作具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

（十）開(kāi)展海洋橋梁沖刷機(jī)理和局部沖刷模擬技術(shù)研究

橋梁基礎(chǔ)沖刷將成為海洋橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。由于海洋環(huán)境下的橋梁基礎(chǔ)沖刷機(jī)理研究還十分匱乏，沖刷機(jī)理還不夠透徹，因此海洋環(huán)境下的橋梁基礎(chǔ)沖刷計(jì)算公式較少，并且沒(méi)有純理論推導(dǎo)公式，都是經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，因此需要開(kāi)展對(duì)海洋橋梁基礎(chǔ)沖刷機(jī)理的研究，提高對(duì)海洋橋梁基礎(chǔ)沖刷流場(chǎng)特性、泥沙運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，編制海洋環(huán)境下橋梁基礎(chǔ)沖刷規(guī)范。另外為了解決工程實(shí)際問(wèn)題，通常會(huì)進(jìn)行沖刷物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)為實(shí)際工程提供科學(xué)依據(jù)和參考。針對(duì)不同的目的，需要建立不同的橋梁基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行測(cè)試。但沖刷試驗(yàn)在縮尺效應(yīng)、施工期沖刷以及實(shí)際工程地形地貌試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷确矫嫒源嬖诓蛔?。針?duì)海洋環(huán)境的復(fù)雜性和多變性，需要開(kāi)展海洋橋梁基礎(chǔ)沖刷與其他因素耦合作用的研究，深化復(fù)雜海洋動(dòng)力環(huán)境下橋梁基礎(chǔ)局部沖刷試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)、水下探測(cè)方法和防沖刷措施的研究，為實(shí)際施工提供保證和依據(jù)。

四、海洋橋梁波流力作用與基礎(chǔ)沖刷研究的對(duì)策建議

海洋橋梁工程的波流力作用與基礎(chǔ)沖刷研究是海洋橋梁發(fā)展戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)，是海洋橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間的安全保障?；诖?，本研究從三個(gè)層面提出了發(fā)展波流力作用與基礎(chǔ)沖刷研究的政策建議。

（一）宏觀管理層面的對(duì)策建議

（1）加強(qiáng)擬建重大海洋通道的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，整合各機(jī)構(gòu)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，搭建數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過(guò)特定途徑開(kāi)放共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究單位提供全面的原始資料。

（2）設(shè)立海洋橋梁研究重大專(zhuān)項(xiàng)，建立海洋橋梁技術(shù)發(fā)展研究平臺(tái)，開(kāi)展波流力作用與基礎(chǔ)沖刷的研究工作，完善海洋橋梁工程設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)機(jī)制。

（二）行業(yè)應(yīng)用層面的對(duì)策建議

（1）海洋預(yù)報(bào)增加海洋橋梁工程線(xiàn)路專(zhuān)項(xiàng)預(yù)報(bào)，提高預(yù)報(bào)精度，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)海況，為海洋橋梁工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供災(zāi)害預(yù)警服務(wù)。

（2）開(kāi)展波浪近岸傳播、風(fēng)-浪-流耦合機(jī)理、波流防護(hù)措施、風(fēng)浪環(huán)境要素聯(lián)合概率模型等方面的研究工作，完善橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范。

（3）制定橋梁抗海嘯和防御海嘯的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為工程設(shè)計(jì)提供支撐。

（4）開(kāi)展對(duì)海洋橋梁基礎(chǔ)沖刷機(jī)理的研究，提高對(duì)海洋橋梁基礎(chǔ)沖刷流場(chǎng)特性、泥沙運(yùn)動(dòng)的分析方法，建議編制海洋環(huán)境下橋梁基礎(chǔ)沖刷規(guī)范。

（三）學(xué)術(shù)技術(shù)層面的對(duì)策建議

（1）提出適用于海洋橋梁大、小尺度結(jié)構(gòu)波浪力的時(shí)域、頻域計(jì)算方法，提高波浪力計(jì)算的精度和效率。

（2）開(kāi)展海洋橋梁下部結(jié)構(gòu)專(zhuān)題研究，明確各構(gòu)件之間的相關(guān)性，開(kāi)展大型海洋橋梁動(dòng)力響應(yīng)、動(dòng)力可靠性、行車(chē)安全性研究。

（3）開(kāi)展系統(tǒng)海嘯波-橋梁相互作用試驗(yàn)，探明海嘯波作用機(jī)理，為數(shù)值模擬和理論分析提供參考對(duì)照。

（4）針對(duì)海洋環(huán)境的復(fù)雜性和多變性，開(kāi)展海洋橋梁基礎(chǔ)沖刷與其他因素耦合作用的研究。

（5）深化復(fù)雜海洋動(dòng)力環(huán)境下橋梁基礎(chǔ)局部沖刷試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)、水下探測(cè)方法和防沖刷措施的研究，為實(shí)際施工提供保證和依據(jù)。