隨著經濟社會的快速發(fā)展、互聯互通需求的劇增，人類跨越海灣海峽阻隔的現實需求逐步增多，橋梁工程不斷從內陸向近海延伸。隨著東海大橋、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，近海橋梁建造技術取得了舉世矚目的成就。未來隨著國家公路、鐵路網規(guī)劃建設的不斷發(fā)展，以及國家“海洋強國”戰(zhàn)略、“交通強國”戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議等一系列重大戰(zhàn)略決策的持續(xù)推進，我國正規(guī)劃瓊州海峽、渤海灣和中國臺灣海峽等跨海通道，“一帶一路”沿線國家也在規(guī)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，未來海洋橋梁工程將面臨復雜嚴酷的風場環(huán)境作用。我國是世界上少數幾個受風災嚴重影響的國家之一（見圖1），且從已有的研究成果和工程實踐來看，風及其作用是未來海洋橋梁工程設計、施工、運營的控制性因素。因此，保障海洋橋梁在施工、運營階段的抗風安全已成為廣大科技工作者面臨的嚴峻挑戰(zhàn)和重大課題。
（一）海洋橋梁場址風場特性的研究現狀
我國現行的橋梁抗風設計方法和規(guī)范都是基于良態(tài)氣候風場模式，其風參數（陣風因子、風速與紊流度剖面、積分尺度、脈動風譜函數）主要是針對內陸地區(qū)的季風氣候特征。然而，近年來的現場實測表明，我國東臨的西北太平洋地區(qū)是全球臺風發(fā)生最多的地區(qū)（約占全球臺風的36%，年均約35個，如圖2所示），其風環(huán)境特性不同于良態(tài)氣候模式，具有風剖面指數更大、陣風參數遠大于現行規(guī)范規(guī)定值、地表粗糙度增大明顯、風速非平穩(wěn)特性顯著等特點。另一方面，由于臺風路徑的強隨機性和臺風風場的強不均勻性，使得對臺風近地層風況的準確、精細實測十分困難，對各類地形地表的臺風特性，尤其是對湍流風特性的認識還很初步。此外，現有的近海及海上氣象觀測平臺數量少、數據時距長、精度差，尚缺乏海洋橋梁橋址范圍內的局部氣象綜合觀測預報平臺，無法對未來深海橋梁的建造及運營提供有力支撐。
圖 2?全球各地區(qū)臺風分布情況
國內外學者在臺風風場模擬方面開展了大量的研究，建立了許多臺風風場模型，以獲取較準確的臺風極值風速，如Batts模型、Vickery模型、Yan Meng模型、CE（US Army Corps of Engineers）模型等。雖然上述臺風隨機數值模擬模型比較成熟，能夠有效評估臺風風場的極值風速，但是其對我國沿海地區(qū)臺風風場的適用性還有待研究檢驗。上述臺風模型采用簡化的動力方程求解臺風風場，未考慮復雜的大氣物理過程及下墊面的影響，模擬的近地層臺風風場結構及分布與實際情況相差較大。為獲得較準確的近地風場信息，國內外學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風場進行研究，獲得了較精確的臺風平均風場結構，然而其數據分辨率有限，且不能實現對脈動風場特性的有效模擬，仍無法完全滿足海洋大跨橋梁設計、施工需求。
（二）風對大跨橋梁結構作用的研究現狀
針對風對橋梁結構的作用，現有的抗風理論與方法主要是將其分為平均風來流引起的靜風力、脈動風來流引起的抖振力、斷面旋渦脫落引起的渦激力和結構運動引起的自激力，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。風對橋梁結構的靜力效應是人類最早認識的問題，其對結構安全可能產生的問題主要是靜風失穩(wěn)問題?，F有的迭代分析方法，可較準確地獲得其在均勻流下靜風失穩(wěn)臨界風速，然而對于臺風等強湍流來流下海洋橋梁工程的靜風穩(wěn)定性還缺乏深入研究。風的動力作用激發(fā)橋梁結構振動，振動結構反過來改變了流場運動的邊界條件，從而影響流場和氣動力，形成了風與結構的相互作用機制。當結構振動對空氣力的影響較小時，空氣的動力作用可以視為一種強迫振動荷載，主要導致橋梁結構的強迫振動——隨機抖振；而當結構振動對空氣力的影響較大時，同振動結構形成一個具有相互作用反饋機制的動力系統的空氣力，其主要表現為一種自激力，導致橋梁結構的自激振動——顫振或馳振。近年來，隨著針對這些作用力的各種氣動力模型，特別是鈍體橋梁斷面的氣動力參數（包氣動力系數、顫振導數和氣動導納）風洞試驗識別理論和技術方法的建立和發(fā)展，有效保證了良態(tài)風作用下大跨度橋梁的抗風穩(wěn)定性、安全性和舒適性。然而，臺風風場特性與常見良態(tài)風存在著很大差異，對橋梁結構的作用機理也不明晰；而且未來海洋橋梁跨度更大、結構體系更加復雜、剛度更加輕柔、阻尼更小、三維和非線性效應更加顯著，現有橋梁抗風分析理論的精細化程度和適用范圍均不能滿足海洋橋梁的建造需求。還應指出的是，目前的抗風設計規(guī)范對渦振、顫振等橋梁風致振動的評價標準單一，不適用于評價超大跨度海洋橋梁的抗風性能，亟待開展大量的基礎研究工作。
（三）風振控制技術的研究現狀
為確保大跨橋梁抗風安全性和舒適性，需對其風致振動進行控制，主要措施包括結構措施﹑氣動措施和機械措施。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性能，但采用空間纜索體系存在施工困難、施工過程受力復雜等問題，設置輔助索會破壞原有索面的景觀、也存在設計復雜、安裝困難等缺點；采用組合結構（見圖 3）雖然從理論上能夠滿足未來超大跨橋梁的建設需求，但面臨著結構受力復雜、造價昂貴、施工工藝復雜等問題，且缺乏相關建造經驗，施工過程中的關鍵抗風問題也不明確。
圖3 直布羅陀海峽橋設計方案
氣動控制措施是目前采用最多的一種風振控制措施，通過改變主梁、橋塔、拉索等結構的氣動外形或者在結構上附加穩(wěn)定板、導流板等氣動設施來改變其氣動布局，從而達到提高氣動性能的目的。但是未來海上大跨度橋梁面臨的風速范圍更廣，需能同時控制多種風致振動的措施，然而相關研究卻很少。現有的機械措施主要采用被動、半主動和主動等三種方式實現對各種風致振動的控制，如調諧質量阻尼器（TMD）技術已經廣泛用于橋塔、主梁等風振控制。同時黏性剪切阻尼器（VSD）及磁流變阻尼器（MR）技術控制拉索振動。相關研究表明，主動氣動控制技術（見圖 4）在主梁的風振控制方面更加合理高效，但目前多數處于研究階段，尚無相關應用案例。
圖 4?Huynh主動控制面附加氣動力作用模型
未來的橋梁工程步入了建設跨海連島工程的新時期，施加風振控制措施的可能性和必要性更強。亟需發(fā)展新的、更加高效的抗風結構體系和新型風振控制技術。
（四）行車安全的研究現狀
與內陸橋梁相比，海洋橋梁上的行車安全問題更加突出。目前主要防風措施為設置風障（見圖5），在箱梁內部設置車道；主要的防風運營管理方法是結合橋位氣象觀測施行災害天氣下的車輛限速、限行的交通管控措施。相關成果結合特定的橋梁形式初步揭示了風對橋面通行車輛安全性和舒適性的影響規(guī)律，建立了風致橋面行車安全與舒適性評價的基本方法，風屏障工程和交通運營管控措施的應用，在一定程度上提升了強風區(qū)大型橋梁的風天運營服務水平。然而，上述防風技術及管理方法均是針對內陸或近海橋梁的行車安全問題，有關深海橋梁工程行車安全的防風措施研究還較少。
大跨橋梁抗風研究已經取得了長足的進步，現行抗風計算理論和規(guī)范、控制措施能滿足良態(tài)風場或內陸近海橋梁的抗風需求，但就未來大跨度海洋橋梁設計、施工、運營等而言，其重點難點問題主要體現在以下四個方面。
（一）海洋橋梁場址風場特性
海洋橋梁面臨的風場環(huán)境更加復雜，主要表現在兩個方面：一方面，相較于近海和內陸橋梁，海洋橋梁遭遇臺風將更加頻繁，但臺風極值風速、平均風速剖面、近地湍流特性等關鍵風參數明顯不同于一般良態(tài)氣候的強風，且目前缺乏對描述臺風風場合理的數學模型；另一方面，海上橋梁常遇風的風速更高、風向多變、非平穩(wěn)特性顯著、局部氣候特性明顯，而目前觀測平臺數量有限、數據精度差，相關研究還很少，距離實際工程應用仍存在較大差距。海洋橋梁場址風場研究涉及氣象學、流體力學、統計學等多種學科，面臨的問題復雜，臺風風場分布結構、場址局部氣候特性等關鍵信息都不明晰，缺乏面向工程建造、運營的綜合氣象觀測預報平臺。因此，針對海洋橋梁場址風場特性，還需進行大量的研究工作。（二）特大跨度海洋橋梁抗風設計理論與適用規(guī)范由于海洋橋梁橋址風場的產生機理、時空特性均與常見季風等良態(tài)風場存在著很大差異，對橋梁結構的作用機理也不清晰，因此，基于均勻流場和常規(guī)紊流場中試驗建立的氣動力模型和抗風設計方法將無法說明臺風作用下特大跨度海洋橋梁的氣動行為，亟待針對臺風環(huán)境下主梁氣動參數的影響因素進行詳細研究，進而確定合理的氣動參數模型，提高其精度和適用范圍。建立海洋大跨橋梁抗風性能的科學評價標準是一個非常復雜的問題，尚需進行大量的研究工作?，F行規(guī)范中的抗風安全評估主要是針對良態(tài)風場中的大跨度橋梁，標準單一，無法直接用于評價海洋大跨橋梁防風性能。而大跨度海洋橋梁在交通網絡中所處的地位重要、所處風場環(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、合理的評價標準。
（三）面向結構安全和行車舒適性的橋梁風振控制技術
隨著未來橋梁建設逐步向海上推進，對橋梁的跨越能力要求更高。從結構抗風的角度來講，既有的橋梁結構形式和施工方法將面臨新的挑戰(zhàn)，傳統的風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、改善抗風能力，但結構受力復雜、傳力機制不明，施工過程中存在多次體系轉換，工藝復雜，施工過程中的關鍵抗風問題有待明確。因此，從結構抗風的角度來講，既有的橋梁結構形式和施工方法將面臨新的挑戰(zhàn)，傳統的風致控制方法也存在諸多局限，亟需發(fā)展新的、更加高效的風振控制措施。未來海上橋梁面臨的常遇風速高、風速范圍廣，大跨橋梁發(fā)生多種風振的概率大，各種被動氣動措施之間兼容性差，需要提出可同時控制多種風致振動問題的優(yōu)化氣動措施。主動氣動控制技術在主梁的風振控制方面更加合理高效，是未來超大跨橋梁風振控制的發(fā)展方向，但面臨著作用機理不完全明確、可靠性差、能源供給依賴度高等問題。
（四）面向行車安全和通行能力的防風技術
未來，海上橋梁工程的服役環(huán)境更加惡劣。海面風力強、大風天氣頻發(fā)，導致的行車安全事故屢有發(fā)生，造成了比較嚴重的經濟損失和社會影響。在強風等氣候條件下，提出既不顯著影響橋梁結構抗風性能也能夠保障行車安全的防風安全措施是研究的難點之一。建立完善的風氣象預警系統，并結合結構形式、車型、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海上橋梁面臨的又一難點。
為了滿足未來跨海橋梁建設的需求，抗風研究有必要開展如下四個方面的工作。
（一）開展海洋橋梁場址風場特性的研究
1. 開展面向工程的臺風小尺度特性實測研究
近年來，我國臺風實測研究發(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，故應開展面向工程的臺風小尺度特性實測研究，以獲取臺風平均和湍流風場的時空特性。
2. 發(fā)展臺風小尺度數值模擬技術
目前，基于天氣預報模式（WRF）中尺度數值模式，利用嵌套技術，可獲得較準確的平均風場數據，但分辨率較低，與實際工程需求還相差較大，因此，可在現有研究的基礎上，采用計算流體動力學技術，建立臺風小尺度的數值模型，以獲取不同尺度下的風速時程、湍流特性和風剖面特征等關鍵信息。
（二）發(fā)展適用于特大跨度海洋橋梁的抗風設計理論和規(guī)范
1. 建立適用特大跨度海洋橋梁的抗風設計理論
針對海洋風場條件和特大跨度海洋橋梁自身結構特性，明確臺風對特大跨橋梁的作用機理，發(fā)展更符合實際的三維臺風風場模型，提出適用于特大跨度海洋橋梁的靜風穩(wěn)定、渦振、顫振及抖振等抗風分析方法。
2. 提出適用特大跨度海洋橋梁的抗風性能評價標準
特大跨度海洋橋梁的抗風性能評價標準是海洋橋梁抗風性能評估的關鍵所在，其科學決策涉及面廣、過程十分復雜，亟待開展大量基礎性研究工作。
（三）開展面向結構安全和行車舒適性的橋梁風振控制技術研究
1. 發(fā)展?jié)M足海洋橋梁抗風安全和行車舒適性的新型結構體系
隨著未來橋梁建設逐步向海上推進，傳統的橋梁結構體系無法滿足抗風需求，需要在橋梁的結構類型、主梁形式、纜索體系等方面開展研究，提出既能滿足海洋橋梁抗風安全又可兼顧行車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
海上大風天氣多、風力強，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(zhàn)，應明確施工過程中存在的關鍵抗風問題，提出適用于海上橋梁的施工工藝和組織管理方法。
3. 發(fā)展主動氣動控制技術
主動控制技術是未來超大跨橋梁風振控制的發(fā)展方向，在理論研究方面已取得了一定的進展。從未來工程應用的角度，需進一步明確作用機理、提高實際應用的可靠性、解決制振過程中的能源供給問題等。
（四）?開展面向行車安全和通行能力的防風技術研究
1. 研發(fā)兼顧結構風振控制和行車安全的新型防風措施
現有橋梁的防風安全措施往往起不到提高結構抗風性能的作用，有時甚至會使其結構抗風性能惡化。在海上強風等氣候條件下，亟需提出既不顯著影響橋梁結構抗風性能又能夠保障行車安全的新型防風措施。
2. 建立完善的風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，建立完善的氣候預警系統， 并結合結構形式、車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。
隨著我國橋梁建設從內陸走向海洋，越來越多的海洋橋梁在我國沿海建成。工程師們大膽創(chuàng)新，大膽實踐，嚴謹建設，在我國海洋橋梁建設史上譜寫了輝煌的篇章。然而，海洋氣候條件惡化、極端氣象頻繁，現有的橋梁抗風設計理論及方法尚無法完全滿足海洋橋梁建設需要，保障海洋橋梁在施工、運營階段的抗風安全性及舒適性仍是面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。應針對海洋復雜環(huán)境條件，開展海洋橋梁場址風場特性研究，研究海洋橋梁工程在強（臺）風等極端作用下的致災機理，建立海洋橋梁工程抗風安全設計方法，研究面向結構安全和行車舒適性的橋梁風振控制技術，提出面向行車安全和通行能力的防風技術，形成海洋橋梁工程抗風的設計規(guī)范，完善海洋橋梁工程抗風安全預警系統和運營管理策略。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展，不代表《中國工程科學》雜志社的觀點。
