对两座间距很近的桥梁在受到斯托克斯波作用时所受波浪力的数值研究

《Ocean Engineering》：Numerical investigation of wave force on two closely spaced bridges subjected to stokes wave

双箱梁桥在极端波浪条件下的水动力特性研究。基于二阶Stokes波理论的二维数值波浪水槽模型，通过对比实验验证，分析了桥间距、波浪高度、水深和水流方向对双向桥格系统水平及竖向波浪力的作用规律，发现双桥间距效应导致反射波与被困水流显著改变受力特性，且在完全浸没高浪条件下反向水平力峰值可能超过正向力，倾斜腹板结构可有效降低水平力但增加竖向载荷。

　　随着全球气候变化和海平面上升，沿海地区基础设施正面临越来越严重的极端海浪威胁。沿海桥梁作为连接陆地与海洋的重要通道，其结构安全性和耐久性成为工程界关注的重点。近年来，沿海桥梁的建设取得了显著进展，推动了沿海地区的经济一体化。然而，频繁发生的风暴潮和海啸等极端海浪现象，给桥梁的稳定性带来了巨大挑战。历史上多次灾害事件表明，极端海浪不仅对桥梁造成直接破坏，还可能引发连锁反应，影响整个交通网络和经济运行。因此，探索和优化沿海桥梁在极端海浪条件下的水动力响应，对于提高其抗灾能力和设计安全性具有重要意义。

在实际工程中，桥梁结构往往需要适应复杂的地形条件，而双桥体结构因其在交通效率、施工管理和结构安全方面的优势，被广泛应用于长跨桥梁、河流跨越和沿海交通走廊。然而，目前针对双桥体结构在周期性海浪作用下的水动力特性研究仍显不足。这种结构的桥体之间存在水流滞留和波浪反射现象，这些因素会显著改变波浪对桥梁的加载特性。相较于单桥体结构，双桥体结构在垂直和水平方向上的波浪作用表现出明显的差异。因此，深入研究双桥体结构在极端海浪条件下的波浪力响应，对于完善沿海桥梁的水动力设计理论和提升其抗灾能力至关重要。

本研究基于第二阶斯托克斯波理论，开发了一个二维数值波浪水槽，用于模拟双桥体结构在周期性波浪作用下的水动力响应。数值模型的准确性通过与理论波形和已有实验数据的对比进行了验证。研究结果表明，双桥体结构与单桥体结构在波浪力响应上存在显著差异，这主要归因于波浪在桥体之间的反射和滞留效应。在某些特定条件下，反向波浪力（即与波浪传播方向相反的力）可能超过正向波浪力，尤其是在完全淹没和高波浪高度的情况下，这种反向力的峰值可能更为显著。

此外，研究还发现，波浪作用对桥体的水动力参数表现出不同的影响。例如，淹没系数、波浪高度、桥体间距和波浪周期等参数对迎浪桥体和背浪桥体的波浪力产生不同的作用。在低淹没条件下，桥体间距对波浪力的影响较为显著，而随着淹没程度的增加，桥体间距对波浪力的影响逐渐减弱。同时，波浪周期的变化也对桥体的受力特性产生重要影响，尤其在高波浪高度下，周期的变化可能进一步放大反向力的作用。

在桥体结构设计方面，研究发现斜置桥体（即桥体的腹板呈倾斜状态）相较于垂直桥体能够有效降低水平方向上的波浪力，但同时也带来了更大的垂直载荷。这一结果表明，在实际工程设计中，需要在水平和垂直方向上的波浪力之间进行权衡，以确保桥梁整体结构的稳定性。斜置桥体虽然能够减少水平方向的波浪冲击，但其在垂直方向上的负载增加可能会对桥梁的基础设计和整体承载能力提出更高要求。

为了更全面地理解双桥体结构在极端海浪条件下的水动力响应，本研究还进行了系统的参数分析，探讨了不同水深和波浪高度对桥体受力的影响。研究结果显示，随着水深的增加，波浪对桥体的加载作用逐渐增强，而在一定范围内，波浪高度的增加也会导致桥体所承受的水平和垂直力显著上升。然而，当桥体间距增加时，水平力的峰值会出现先上升后下降的趋势，而垂直力和倾覆力矩则随着桥体间距的增大而持续减小。这种非线性的力响应特性为桥梁设计提供了重要的参考依据，表明在不同水深和波浪条件下，桥体的布局和结构形式需要进行相应的调整，以优化其抗波浪能力。

除了结构形式的影响，研究还关注了波浪力在时间序列上的变化特征。通过对比不同桥体结构在波浪作用下的力时间历程，研究人员发现，双桥体结构在波浪力的波动特性上表现出与单桥体结构不同的响应模式。例如，在特定波浪条件下，双桥体结构的反向力峰值可能超过正向力峰值，这种现象在高波浪高度和完全淹没的情况下尤为明显。这一发现为桥梁在极端海浪条件下的安全性评估提供了新的视角，提示在设计阶段需要充分考虑波浪力的非对称性特征，以避免结构在极端条件下发生失稳或破坏。

在数据驱动方法的应用方面，本研究还借鉴了近年来在桥梁水动力分析中引入的先进技术和方法。例如，通过结合去噪稀疏小波网络（DeSpaWN）和动态内PCA模型，研究人员能够从大量传感器数据中提取出稀疏的多尺度特征，并实时诊断桥梁的结构健康状态。同时，监督式机器学习方法也被应用于预测波浪对桥梁的冲击力，其中长短期记忆网络（LSTM）在实验室数据基础上表现出良好的预测能力，能够准确模拟短时波浪力的历史变化。这些方法的引入为桥梁水动力分析提供了新的工具，有助于实现更精确的模拟和更高效的灾害预警系统。

在数值建模和不确定性量化方面，研究还采用了三维计算流体力学（CFD）方法，对斜入射波浪对桥梁上部结构的影响进行了量化分析。结果表明，三维CFD模型在模拟波浪对桥梁的横向和垂直加载方面表现出更高的精度，同时多项式混沌展开（PCE）方法在预测波浪力的非线性响应方面具有优势。此外，人工神经网络（ANN）在捕捉波浪力的纵向响应方面也展现出良好的性能。这些研究方法的结合为桥梁在复杂海浪环境下的水动力分析提供了更加全面的解决方案。

本研究的结果不仅为沿海桥梁的水动力设计提供了理论支持，也为工程实践中的结构优化和安全评估提供了参考依据。特别是在双桥体结构的设计中，研究发现桥体间距和波浪周期对波浪力的分布具有重要影响，因此在实际工程中需要根据具体海况和地形条件，合理选择桥体间距和结构形式，以降低极端海浪对桥梁的威胁。此外，研究还强调了斜置桥体在减少水平波浪力方面的有效性，但同时也需关注其对垂直载荷的增加，从而在整体结构设计中实现平衡。

总体而言，本研究通过二维数值波浪水槽模拟，系统分析了双桥体结构在周期性波浪作用下的水动力响应。研究结果表明，双桥体结构与单桥体结构在波浪力分布上存在显著差异，这种差异主要由波浪在桥体间的反射和滞留效应引起。同时，水深和波浪高度的变化对桥体的受力特性产生重要影响，尤其是在高波浪条件下，反向力可能成为主导因素。研究还指出，斜置桥体在减少水平波浪力方面具有优势，但需权衡其对垂直载荷的影响。这些发现为沿海桥梁的水动力设计、结构优化和灾害预防提供了新的思路和方法，推动了海洋工程领域的技术进步和应用拓展。