隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的快速發(fā)展、互聯(lián)互通需求的劇增，人類(lèi)跨越海灣海峽阻隔的現實(shí)需求逐步增多，橋梁工程不斷從內陸向近海延伸。隨著(zhù)東海大橋、杭州灣大橋、港珠澳大橋等跨海橋梁相繼建成以及平潭海峽大橋等跨海橋梁的建設，近海橋梁建造技術(shù)取得了舉世矚目的成就。未來(lái)隨著(zhù)國家公路、鐵路網(wǎng)規劃建設的不斷發(fā)展，以及國家“海洋強國”戰略、“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(jìn)，我國正規劃瓊州海峽、渤海灣和中國臺灣海峽等跨海通道，“一帶一路”沿線(xiàn)國家也在規劃建設如巽達（印度尼西亞）、里海（俄羅斯至伊朗）等深水海洋橋梁。然而，與近海、內陸大跨橋梁工程相比，未來(lái)海洋橋梁工程將面臨復雜嚴酷的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境作用。我國是世界上少數幾個(gè)受風(fēng)災嚴重影響的國家之一（見(jiàn)圖1），且從已有的研究成果和工程實(shí)踐來(lái)看，風(fēng)及其作用是未來(lái)海洋橋梁工程設計、施工、運營(yíng)的控制性因素。因此，保障海洋橋梁在施工、運營(yíng)階段的抗風(fēng)安全已成為廣大科技工作者面臨的嚴峻挑戰和重大課題。
（一）海洋橋梁場(chǎng)址風(fēng)場(chǎng)特性的研究現狀
我國現行的橋梁抗風(fēng)設計方法和規范都是基于良態(tài)氣候風(fēng)場(chǎng)模式，其風(fēng)參數（陣風(fēng)因子、風(fēng)速與紊流度剖面、積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)譜函數）主要是針對內陸地區的季風(fēng)氣候特征。然而，近年來(lái)的現場(chǎng)實(shí)測表明，我國東臨的西北太平洋地區是全球臺風(fēng)發(fā)生最多的地區（約占全球臺風(fēng)的36%，年均約35個(gè)，如圖2所示），其風(fēng)環(huán)境特性不同于良態(tài)氣候模式，具有風(fēng)剖面指數更大、陣風(fēng)參數遠大于現行規范規定值、地表粗糙度增大明顯、風(fēng)速非平穩特性顯著(zhù)等特點(diǎn)。另一方面，由于臺風(fēng)路徑的強隨機性和臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的強不均勻性，使得對臺風(fēng)近地層風(fēng)況的準確、精細實(shí)測十分困難，對各類(lèi)地形地表的臺風(fēng)特性，尤其是對湍流風(fēng)特性的認識還很初步。此外，現有的近海及海上氣象觀(guān)測平臺數量少、數據時(shí)距長(cháng)、精度差，尚缺乏海洋橋梁橋址范圍內的局部氣象綜合觀(guān)測預報平臺，無(wú)法對未來(lái)深海橋梁的建造及運營(yíng)提供有力支撐。
圖 2?全球各地區臺風(fēng)分布情況
國內外學(xué)者在臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬方面開(kāi)展了大量的研究，建立了許多臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型，以獲取較準確的臺風(fēng)極值風(fēng)速，如Batts模型、Vickery模型、Yan Meng模型、CE（US Army Corps of Engineers）模型等。雖然上述臺風(fēng)隨機數值模擬模型比較成熟，能夠有效評估臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的極值風(fēng)速，但是其對我國沿海地區臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的適用性還有待研究檢驗。上述臺風(fēng)模型采用簡(jiǎn)化的動(dòng)力方程求解臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，未考慮復雜的大氣物理過(guò)程及下墊面的影響，模擬的近地層臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)結構及分布與實(shí)際情況相差較大。為獲得較準確的近地風(fēng)場(chǎng)信息，國內外學(xué)者基于天氣研究和預測高級研究（WRF-ARW）模式，采用三維數值模擬方法對臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行研究，獲得了較精確的臺風(fēng)平均風(fēng)場(chǎng)結構，然而其數據分辨率有限，且不能實(shí)現對脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)特性的有效模擬，仍無(wú)法完全滿(mǎn)足海洋大跨橋梁設計、施工需求。
（二）風(fēng)對大跨橋梁結構作用的研究現狀
針對風(fēng)對橋梁結構的作用，現有的抗風(fēng)理論與方法主要是將其分為平均風(fēng)來(lái)流引起的靜風(fēng)力、脈動(dòng)風(fēng)來(lái)流引起的抖振力、斷面旋渦脫落引起的渦激力和結構運動(dòng)引起的自激力，并對它們分別建立理論計算模型、確定試驗識別參數、分析結構災變行為。風(fēng)對橋梁結構的靜力效應是人類(lèi)最早認識的問(wèn)題，其對結構安全可能產(chǎn)生的問(wèn)題主要是靜風(fēng)失穩問(wèn)題?，F有的迭代分析方法，可較準確地獲得其在均勻流下靜風(fēng)失穩臨界風(fēng)速，然而對于臺風(fēng)等強湍流來(lái)流下海洋橋梁工程的靜風(fēng)穩定性還缺乏深入研究。風(fēng)的動(dòng)力作用激發(fā)橋梁結構振動(dòng)，振動(dòng)結構反過(guò)來(lái)改變了流場(chǎng)運動(dòng)的邊界條件，從而影響流場(chǎng)和氣動(dòng)力，形成了風(fēng)與結構的相互作用機制。當結構振動(dòng)對空氣力的影響較小時(shí)，空氣的動(dòng)力作用可以視為一種強迫振動(dòng)荷載，主要導致橋梁結構的強迫振動(dòng)——隨機抖振；而當結構振動(dòng)對空氣力的影響較大時(shí)，同振動(dòng)結構形成一個(gè)具有相互作用反饋機制的動(dòng)力系統的空氣力，其主要表現為一種自激力，導致橋梁結構的自激振動(dòng)——顫振或馳振。近年來(lái)，隨著(zhù)針對這些作用力的各種氣動(dòng)力模型，特別是鈍體橋梁斷面的氣動(dòng)力參數（包氣動(dòng)力系數、顫振導數和氣動(dòng)導納）風(fēng)洞試驗識別理論和技術(shù)方法的建立和發(fā)展，有效保證了良態(tài)風(fēng)作用下大跨度橋梁的抗風(fēng)穩定性、安全性和舒適性。然而，臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性與常見(jiàn)良態(tài)風(fēng)存在著(zhù)很大差異，對橋梁結構的作用機理也不明晰；而且未來(lái)海洋橋梁跨度更大、結構體系更加復雜、剛度更加輕柔、阻尼更小、三維和非線(xiàn)性效應更加顯著(zhù)，現有橋梁抗風(fēng)分析理論的精細化程度和適用范圍均不能滿(mǎn)足海洋橋梁的建造需求。還應指出的是，目前的抗風(fēng)設計規范對渦振、顫振等橋梁風(fēng)致振動(dòng)的評價(jià)標準單一，不適用于評價(jià)超大跨度海洋橋梁的抗風(fēng)性能，亟待開(kāi)展大量的基礎研究工作。
（三）風(fēng)振控制技術(shù)的研究現狀
為確保大跨橋梁抗風(fēng)安全性和舒適性，需對其風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行控制，主要措施包括結構措施﹑氣動(dòng)措施和機械措施。在結構控制措施方面，利用空間纜索系統和設置輔助索等方式提高橋梁的抗風(fēng)性能，但采用空間纜索體系存在施工困難、施工過(guò)程受力復雜等問(wèn)題，設置輔助索會(huì )破壞原有索面的景觀(guān)、也存在設計復雜、安裝困難等缺點(diǎn)；采用組合結構（見(jiàn)圖 3）雖然從理論上能夠滿(mǎn)足未來(lái)超大跨橋梁的建設需求，但面臨著(zhù)結構受力復雜、造價(jià)昂貴、施工工藝復雜等問(wèn)題，且缺乏相關(guān)建造經(jīng)驗，施工過(guò)程中的關(guān)鍵抗風(fēng)問(wèn)題也不明確。
圖3 直布羅陀海峽橋設計方案
氣動(dòng)控制措施是目前采用最多的一種風(fēng)振控制措施，通過(guò)改變主梁、橋塔、拉索等結構的氣動(dòng)外形或者在結構上附加穩定板、導流板等氣動(dòng)設施來(lái)改變其氣動(dòng)布局，從而達到提高氣動(dòng)性能的目的。但是未來(lái)海上大跨度橋梁面臨的風(fēng)速范圍更廣，需能同時(shí)控制多種風(fēng)致振動(dòng)的措施，然而相關(guān)研究卻很少。現有的機械措施主要采用被動(dòng)、半主動(dòng)和主動(dòng)等三種方式實(shí)現對各種風(fēng)致振動(dòng)的控制，如調諧質(zhì)量阻尼器（TMD）技術(shù)已經(jīng)廣泛用于橋塔、主梁等風(fēng)振控制。同時(shí)黏性剪切阻尼器（VSD）及磁流變阻尼器（MR）技術(shù)控制拉索振動(dòng)。相關(guān)研究表明，主動(dòng)氣動(dòng)控制技術(shù)（見(jiàn)圖 4）在主梁的風(fēng)振控制方面更加合理高效，但目前多數處于研究階段，尚無(wú)相關(guān)應用案例。
圖 4?Huynh主動(dòng)控制面附加氣動(dòng)力作用模型
未來(lái)的橋梁工程步入了建設跨海連島工程的新時(shí)期，施加風(fēng)振控制措施的可能性和必要性更強。亟需發(fā)展新的、更加高效的抗風(fēng)結構體系和新型風(fēng)振控制技術(shù)。
（四）行車(chē)安全的研究現狀
與內陸橋梁相比，海洋橋梁上的行車(chē)安全問(wèn)題更加突出。目前主要防風(fēng)措施為設置風(fēng)障（見(jiàn)圖5），在箱梁內部設置車(chē)道；主要的防風(fēng)運營(yíng)管理方法是結合橋位氣象觀(guān)測施行災害天氣下的車(chē)輛限速、限行的交通管控措施。相關(guān)成果結合特定的橋梁形式初步揭示了風(fēng)對橋面通行車(chē)輛安全性和舒適性的影響規律，建立了風(fēng)致橋面行車(chē)安全與舒適性評價(jià)的基本方法，風(fēng)屏障工程和交通運營(yíng)管控措施的應用，在一定程度上提升了強風(fēng)區大型橋梁的風(fēng)天運營(yíng)服務(wù)水平。然而，上述防風(fēng)技術(shù)及管理方法均是針對內陸或近海橋梁的行車(chē)安全問(wèn)題，有關(guān)深海橋梁工程行車(chē)安全的防風(fēng)措施研究還較少。
三、海洋橋梁工程抗風(fēng)的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題
大跨橋梁抗風(fēng)研究已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)步，現行抗風(fēng)計算理論和規范、控制措施能滿(mǎn)足良態(tài)風(fēng)場(chǎng)或內陸近海橋梁的抗風(fēng)需求，但就未來(lái)大跨度海洋橋梁設計、施工、運營(yíng)等而言，其重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題主要體現在以下四個(gè)方面。
（一）海洋橋梁場(chǎng)址風(fēng)場(chǎng)特性
海洋橋梁面臨的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境更加復雜，主要表現在兩個(gè)方面：一方面，相較于近海和內陸橋梁，海洋橋梁遭遇臺風(fēng)將更加頻繁，但臺風(fēng)極值風(fēng)速、平均風(fēng)速剖面、近地湍流特性等關(guān)鍵風(fēng)參數明顯不同于一般良態(tài)氣候的強風(fēng)，且目前缺乏對描述臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)合理的數學(xué)模型；另一方面，海上橋梁常遇風(fēng)的風(fēng)速更高、風(fēng)向多變、非平穩特性顯著(zhù)、局部氣候特性明顯，而目前觀(guān)測平臺數量有限、數據精度差，相關(guān)研究還很少，距離實(shí)際工程應用仍存在較大差距。海洋橋梁場(chǎng)址風(fēng)場(chǎng)研究涉及氣象學(xué)、流體力學(xué)、統計學(xué)等多種學(xué)科，面臨的問(wèn)題復雜，臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)分布結構、場(chǎng)址局部氣候特性等關(guān)鍵信息都不明晰，缺乏面向工程建造、運營(yíng)的綜合氣象觀(guān)測預報平臺。因此，針對海洋橋梁場(chǎng)址風(fēng)場(chǎng)特性，還需進(jìn)行大量的研究工作。（二）特大跨度海洋橋梁抗風(fēng)設計理論與適用規范由于海洋橋梁橋址風(fēng)場(chǎng)的產(chǎn)生機理、時(shí)空特性均與常見(jiàn)季風(fēng)等良態(tài)風(fēng)場(chǎng)存在著(zhù)很大差異，對橋梁結構的作用機理也不清晰，因此，基于均勻流場(chǎng)和常規紊流場(chǎng)中試驗建立的氣動(dòng)力模型和抗風(fēng)設計方法將無(wú)法說(shuō)明臺風(fēng)作用下特大跨度海洋橋梁的氣動(dòng)行為，亟待針對臺風(fēng)環(huán)境下主梁氣動(dòng)參數的影響因素進(jìn)行詳細研究，進(jìn)而確定合理的氣動(dòng)參數模型，提高其精度和適用范圍。建立海洋大跨橋梁抗風(fēng)性能的科學(xué)評價(jià)標準是一個(gè)非常復雜的問(wèn)題，尚需進(jìn)行大量的研究工作?，F行規范中的抗風(fēng)安全評估主要是針對良態(tài)風(fēng)場(chǎng)中的大跨度橋梁，標準單一，無(wú)法直接用于評價(jià)海洋大跨橋梁防風(fēng)性能。而大跨度海洋橋梁在交通網(wǎng)絡(luò )中所處的地位重要、所處風(fēng)場(chǎng)環(huán)境復雜，因此，為確保大跨度海洋橋梁的安全性和舒適性，需綜合考量各種因素，確定科學(xué)、合理的評價(jià)標準。
（三）面向結構安全和行車(chē)舒適性的橋梁風(fēng)振控制技術(shù)
隨著(zhù)未來(lái)橋梁建設逐步向海上推進(jìn)，對橋梁的跨越能力要求更高。從結構抗風(fēng)的角度來(lái)講，既有的橋梁結構形式和施工方法將面臨新的挑戰，傳統的風(fēng)致控制方法也存在諸多局限。采用空間纜索體系、新型組合結構等結構措施雖能在一定程度上提高橋梁的結構剛度、改善抗風(fēng)能力，但結構受力復雜、傳力機制不明，施工過(guò)程中存在多次體系轉換，工藝復雜，施工過(guò)程中的關(guān)鍵抗風(fēng)問(wèn)題有待明確。因此，從結構抗風(fēng)的角度來(lái)講，既有的橋梁結構形式和施工方法將面臨新的挑戰，傳統的風(fēng)致控制方法也存在諸多局限，亟需發(fā)展新的、更加高效的風(fēng)振控制措施。未來(lái)海上橋梁面臨的常遇風(fēng)速高、風(fēng)速范圍廣，大跨橋梁發(fā)生多種風(fēng)振的概率大，各種被動(dòng)氣動(dòng)措施之間兼容性差，需要提出可同時(shí)控制多種風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題的優(yōu)化氣動(dòng)措施。主動(dòng)氣動(dòng)控制技術(shù)在主梁的風(fēng)振控制方面更加合理高效，是未來(lái)超大跨橋梁風(fēng)振控制的發(fā)展方向，但面臨著(zhù)作用機理不完全明確、可靠性差、能源供給依賴(lài)度高等問(wèn)題。
（四）面向行車(chē)安全和通行能力的防風(fēng)技術(shù)
未來(lái)，海上橋梁工程的服役環(huán)境更加惡劣。海面風(fēng)力強、大風(fēng)天氣頻發(fā)，導致的行車(chē)安全事故屢有發(fā)生，造成了比較嚴重的經(jīng)濟損失和社會(huì )影響。在強風(fēng)等氣候條件下，提出既不顯著(zhù)影響橋梁結構抗風(fēng)性能也能夠保障行車(chē)安全的防風(fēng)安全措施是研究的難點(diǎn)之一。建立完善的風(fēng)氣象預警系統，并結合結構形式、車(chē)型、路面條件形成一套完善、有效的智能交通運行管理系統，最終增強海上橋梁的通行能力是未來(lái)海上橋梁面臨的又一難點(diǎn)。
四、海洋橋梁工程抗風(fēng)的技術(shù)發(fā)展方向及策略
為了滿(mǎn)足未來(lái)跨海橋梁建設的需求，抗風(fēng)研究有必要開(kāi)展如下四個(gè)方面的工作。
（一）開(kāi)展海洋橋梁場(chǎng)址風(fēng)場(chǎng)特性的研究
1. 開(kāi)展面向工程的臺風(fēng)小尺度特性實(shí)測研究
近年來(lái)，我國臺風(fēng)實(shí)測研究發(fā)展迅速，獲得了大量的大、中尺度氣象數據，但海洋橋梁工程建造所需的小尺度數據仍很匱乏，故應開(kāi)展面向工程的臺風(fēng)小尺度特性實(shí)測研究，以獲取臺風(fēng)平均和湍流風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空特性。
2. 發(fā)展臺風(fēng)小尺度數值模擬技術(shù)
目前，基于天氣預報模式（WRF）中尺度數值模式，利用嵌套技術(shù)，可獲得較準確的平均風(fēng)場(chǎng)數據，但分辨率較低，與實(shí)際工程需求還相差較大，因此，可在現有研究的基礎上，采用計算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，建立臺風(fēng)小尺度的數值模型，以獲取不同尺度下的風(fēng)速時(shí)程、湍流特性和風(fēng)剖面特征等關(guān)鍵信息。
（二）發(fā)展適用于特大跨度海洋橋梁的抗風(fēng)設計理論和規范
1. 建立適用特大跨度海洋橋梁的抗風(fēng)設計理論
針對海洋風(fēng)場(chǎng)條件和特大跨度海洋橋梁自身結構特性，明確臺風(fēng)對特大跨橋梁的作用機理，發(fā)展更符合實(shí)際的三維臺風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型，提出適用于特大跨度海洋橋梁的靜風(fēng)穩定、渦振、顫振及抖振等抗風(fēng)分析方法。
2. 提出適用特大跨度海洋橋梁的抗風(fēng)性能評價(jià)標準
特大跨度海洋橋梁的抗風(fēng)性能評價(jià)標準是海洋橋梁抗風(fēng)性能評估的關(guān)鍵所在，其科學(xué)決策涉及面廣、過(guò)程十分復雜，亟待開(kāi)展大量基礎性研究工作。
（三）開(kāi)展面向結構安全和行車(chē)舒適性的橋梁風(fēng)振控制技術(shù)研究
1. 發(fā)展滿(mǎn)足海洋橋梁抗風(fēng)安全和行車(chē)舒適性的新型結構體系
隨著(zhù)未來(lái)橋梁建設逐步向海上推進(jìn)，傳統的橋梁結構體系無(wú)法滿(mǎn)足抗風(fēng)需求，需要在橋梁的結構類(lèi)型、主梁形式、纜索體系等方面開(kāi)展研究，提出既能滿(mǎn)足海洋橋梁抗風(fēng)安全又可兼顧行車(chē)舒適性的新型結構體系。
2. 研發(fā)適用于海上橋梁建造的新型施工技術(shù)
海上大風(fēng)天氣多、風(fēng)力強，橋梁的施工環(huán)境惡劣，傳統的大跨度橋梁施工方法將面臨新的挑戰，應明確施工過(guò)程中存在的關(guān)鍵抗風(fēng)問(wèn)題，提出適用于海上橋梁的施工工藝和組織管理方法。
3. 發(fā)展主動(dòng)氣動(dòng)控制技術(shù)
主動(dòng)控制技術(shù)是未來(lái)超大跨橋梁風(fēng)振控制的發(fā)展方向，在理論研究方面已取得了一定的進(jìn)展。從未來(lái)工程應用的角度，需進(jìn)一步明確作用機理、提高實(shí)際應用的可靠性、解決制振過(guò)程中的能源供給問(wèn)題等。
（四）?開(kāi)展面向行車(chē)安全和通行能力的防風(fēng)技術(shù)研究
1. 研發(fā)兼顧結構風(fēng)振控制和行車(chē)安全的新型防風(fēng)措施
現有橋梁的防風(fēng)安全措施往往起不到提高結構抗風(fēng)性能的作用，有時(shí)甚至會(huì )使其結構抗風(fēng)性能惡化。在海上強風(fēng)等氣候條件下，亟需提出既不顯著(zhù)影響橋梁結構抗風(fēng)性能又能夠保障行車(chē)安全的新型防風(fēng)措施。
2. 建立完善的風(fēng)天智能交通運行管理系統
針對海洋橋梁工程面臨的氣候環(huán)境特點(diǎn)，建立完善的氣候預警系統， 并結合結構形式、車(chē)型和路面條件形成一套完善、有效的智能交通運行管理系統，提高海上橋梁的通行能力。
隨著(zhù)我國橋梁建設從內陸走向海洋，越來(lái)越多的海洋橋梁在我國沿海建成。工程師們大膽創(chuàng )新，大膽實(shí)踐，嚴謹建設，在我國海洋橋梁建設史上譜寫(xiě)了輝煌的篇章。然而，海洋氣候條件惡化、極端氣象頻繁，現有的橋梁抗風(fēng)設計理論及方法尚無(wú)法完全滿(mǎn)足海洋橋梁建設需要，保障海洋橋梁在施工、運營(yíng)階段的抗風(fēng)安全性及舒適性仍是面臨的嚴峻挑戰。應針對海洋復雜環(huán)境條件，開(kāi)展海洋橋梁場(chǎng)址風(fēng)場(chǎng)特性研究，研究海洋橋梁工程在強（臺）風(fēng)等極端作用下的致災機理，建立海洋橋梁工程抗風(fēng)安全設計方法，研究面向結構安全和行車(chē)舒適性的橋梁風(fēng)振控制技術(shù)，提出面向行車(chē)安全和通行能力的防風(fēng)技術(shù)，形成海洋橋梁工程抗風(fēng)的設計規范，完善海洋橋梁工程抗風(fēng)安全預警系統和運營(yíng)管理策略。注：本文內容呈現形式略有調整，若需可查看原文。
論文反映的是研究成果進(jìn)展，不代表《中國工程科學(xué)》雜志社的觀(guān)點(diǎn)。
