非共线波浪-流相互作用下跨海桥梁桥墩的水动力响应：水弹性模型试验

《Engineering Structures》：Hydrodynamic responses of a sea-crossing bridge pylon under noncollinear wave–current interactions: Hydroelastic model experiments

　　

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  建立了一套三维空间波-流试验测试方法。
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  通过功能解耦策略发展了一种水弹模型。
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  表征了波-流耦合作用下的结构水动力荷载。

引言

快速全球化和城市化导致沿海地区和岛屿对交通基础设施的需求大幅增加[1]、[2]。更深的水域和更恶劣的环境使海洋结构更容易受到环境力的影响。跨海桥梁通过连接大陆与岛屿，在促进经济一体化和区域发展方面发挥着至关重要的作用。然而，桥梁建设从内陆向海洋环境转移带来了重大挑战，主要是由于恶劣且多变的波浪和水流条件，特别是在台风等极端天气事件期间[3]、[4]、[5]。严重的台风经常在海岬生成复杂的波-流耦合环境。虽然这些狭窄水道中的水流方向通常受地形限制并保持稳定，但波浪方向对变化的台风风场非常敏感[6]。这种动态经常导致非共线（斜交）配置，具有不同的交角[7]、[8]、[9]。波浪和水流在空间上的同时交汇可能导致波浪面不对称，使长峰波演变为短峰波甚至极端波或破碎波，这可能会降低桥梁的安全性[10]、[11]、[12]。

桥梁工程研究主要关注共线（顺流或逆流）波-流场景下作用在桥墩或基础上的水动力荷载[13]，而对海峡中实际遇到的空间同时条件关注较少。虽然大多数海洋结构使用简单的圆形截面，最不利荷载通常发生在共线波-流对齐时，但桥墩几何形状往往复杂且多样[14]。因此，其水动力荷载对波浪和水流的相对方向及交角极为敏感[15]。仅考虑共线场景不足以进行稳健的结构设计。对斜交波-流耦合下结构荷载和响应特征的了解有限以及实验数据的缺乏，导致当前设计规范中对斜交荷载缺乏标准化参数化[16]。因此，这一缺陷可能削弱海洋基础设施项目中安全冗余度的评估。虽然计算流体力学（CFD）提供了详细的见解，但高昂的计算成本和固有的实验验证要求使得物理模型试验成为系统表征这些复杂相互作用的必要条件[17]、[18]。

高层桩帽基础结合大规模桩群是跨海桥梁的主要结构组成部分，已被广泛应用于应对具有挑战性的深水海底条件[19]、[20]、[21]。虽然这些基础承受波浪-水流相互作用带来的直接和巨大冲击，但由于桩群内复杂的干扰效应以及波浪和水流之间的非线性耦合，量化其水动力荷载仍然非常复杂[22]、[23]、[24]。在这些水动力作用下，高层桩帽桥塔系统的抗弯和抗剪能力对结构安全至关重要，因为基础-塔系统内可能会产生巨大的波浪诱导基底剪力和倾覆力矩[25]。鉴于桥塔与此基础整体连接，其细长几何形状和明显的结构柔性显著放大了沿其高度的微小基底激励[26]、[27]。这种振动敏感性在自立施工阶段尤为关键，此时塔由细长柱组成，缺乏桥面的横向约束。在这种情况下，桥塔的自然周期可能落入海洋波浪的主导能量范围内，此时基础水动力和上部塔架的波浪诱导振荡的综合作用可能导致局部损伤、强度破坏或疲劳断裂，严重威胁结构完整性[28]、[29]。因此，全面了解波和波-流激励下自立桥塔的水动力特性和动态响应对于确保关键设计和施工阶段的结构完整性至关重要。

目前，关于波浪-水流相互作用的研究主要涉及二维（2D）波浪水槽，这些水槽仅限于共线场景，无法复制海峡环境典型的非共线条件。向三维（3D）波浪-水流水槽的转变是一项关键的技术进步，能够独立控制交角以忠实地重现空间非均匀场。然而，实施三维波浪-水流-结构实验带来了重大技术挑战，因为这种复杂空间耦合的标准化实验范式尚未完全建立。此外，制造高保真水弹模型也很具挑战性，因为它需要同时协调几何相似性、质量分布和结构刚度[30]、[31]、[32]。平衡这些缩尺要求的内在困难进一步因对弹性部件的水下密封和防水的严格要求而加剧[20]，这对于保持传感器数据和结构特性的完整性至关重要。

为了解决上述问题，提出了一项桥塔在空间同时波浪和水流条件下的结构水弹实验计划。本研究解决了三个关键问题：（1）如何在确保水弹模型下部结构可靠水下防水的同时，实现几何相似性、弗劳德相似性和动力相似性的系统协调？（2）在复杂耦合条件下，随着波浪和水流交角的变化，桥梁结构上的水动力荷载模式如何演变？（3）随着波浪-水流交角从共线到斜交配置的变化，自立桥塔的动态响应特征如何演变？本文其余部分组织如下：第2节介绍了开发用于研究非共线波-流空间耦合下桥塔结构荷载和动态响应的实验方法。第3节验证了结构附近的波浪和水流场。第4节分析了波-流耦合下结构水动力荷载特征。

章节摘要

水弹桥塔模型设计

原型是大跨径跨海斜拉桥的主塔和基础。如图1所示，塔呈H形，具有两个锥形支腿，总高度为219.5米。下部结构为高桩帽基础（72.2米×32.8米×9.5米），由38根直径3.4米的不对称钻孔桩支撑。

由于H形桥塔为非流线型钝体，其水动力阻力以压力-阻力为主，其中惯性

生成水流场的标定与空间均匀性

在进行结构模型试验之前，对生成的水流场进行了标定，以评估目标水流大小和方向的可重复性。对于每个标定记录，从测量的时间序列中计算了时间平均水流速度U_mean及其标准偏差s_U。测量平均速度与目标的相对偏差定义为$${\delta }_U=\frac{\left|U_{mean}?U_{\mathrm{target}}\right|}{U_{\mathrm{target}}}\times 100\%$$其中U_target表示目标速度。类似地，方向偏差

使用去聚类POT法提取峰值荷载

传统的统计指标，如单峰值和全局峰值期望，不足以表征结构极端荷载。因此，采用超阈值法（POT）来提取极端波浪-水流力。阈值选择的经验标准（例如，均值加1.4个标准差）缺乏严格的理论基础[35]。为了解决这一问题，将一种先进的去聚类算法整合到POT框架中，以确定最佳

结论

本研究调查了1:100比例水弹桥塔模型在非共线波-流相互作用（WCI）下的水动力荷载和响应特征。该模型根据弗劳德相似性设计，采用功能解耦策略独立满足几何、刚度和质量相似性。内部钢芯提供了所需的刚度，分布铅重再现了质量分布，分段3D打印外壳

CRediT作者贡献声明

李昊宇：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，可视化，验证，软件，方法论，形式分析，概念化。魏凯：撰写-审阅与编辑，验证，软件，项目管理，方法论，资金获取，形式分析，概念化。李智凯：撰写-审阅与编辑，验证，方法论。张昊宇：撰写-审阅与编辑，可视化。李永乐：撰写-审阅与编辑，资源，项目管理，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52578251和52222804）提供的财政支持。

李昊宇|魏凯|李智凯|张昊宇|李永乐|秦顺泉