文|中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司 劉高 張喜剛 劉天成 陳上有 吳宏波 程潛

中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司 孟凡超 徐國平 侯斌 鄧科 秦建軍

中交第二航務(wù)工程局有限公司 張鴻 楊炎華

交通運輸部天津水運工程科學研究所 陳漢寶 劉海源 沈小明 耿寶磊

哈爾濱工業(yè)大學 郭安薪

大連理工大學 周道成

深中通道管理中心 宋神友 劉健

在中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司、中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心、哈爾濱工業(yè)大學等多家企業(yè)、高等院校、科研院所等聯(lián)合研究下，保障跨海特大型橋梁在風-浪-流耦合作用下結(jié)構(gòu)的安全性、車輛運行安全性和舒適性這一重大課題成功破題。

項目簡介

跨海特大型橋梁面臨著深水、強風、巨浪、急流等惡劣海洋環(huán)境的嚴峻挑戰(zhàn)。在海洋環(huán)境中，風場、波浪場、水流場之間的多場耦合作用及其與橋梁結(jié)構(gòu)之間的多介質(zhì)動力耦合作用同時發(fā)生。如何保障跨海特大型橋梁在風-浪-流耦合作用下結(jié)構(gòu)的安全性、車輛運行的安全性和舒適性，成為亟待研究解決的重大課題。

面向跨海特大型橋梁的建設(shè)需求，項目組在國際上率先提出并立項開展“特大型橋梁風-浪-流耦合作用研究”，在國家和省部級科研項目支持下，依托重大橋梁工程進行技術(shù)攻關(guān)和工程驗證，在橋梁風-浪-流耦合作用觀測技術(shù)與耦合模型、試驗方法與平臺、理論方法與軟件、控制技術(shù)和技術(shù)標準等方面取得了重大突破。經(jīng)交通運輸部組織的專家鑒定，一致認為：項目形成了具有原創(chuàng)性的研究成果，達到了國際領(lǐng)先水平。

項目獲得國家發(fā)明專利14項、軟件著作權(quán)7項，發(fā)表學術(shù)論文62篇（F5000論文1篇，SCI和EI收錄26篇），出版專著2部（獲國家出版基金資助），研究成果在港珠澳大橋、馬爾代夫跨海大橋等國內(nèi)外重大工程中獲得了應(yīng)用，為瓊州海峽跨海工程等提供了重要技術(shù)支撐和儲備，顯著提升了特大型橋梁建設(shè)技術(shù)水平。

項目研發(fā)歷程

深水海域風-浪-流耦合場觀測系統(tǒng)

創(chuàng)新成果

首次建立深海海域耦合場觀測系統(tǒng)

首次建立了多點、同步、連續(xù)的深海海域風-浪-流耦合場現(xiàn)場觀測方法及觀測系統(tǒng)，獲得了“威馬遜”等超強臺風期和季風期瓊州海峽海域的風-浪-流耦合場多點、同步、連續(xù)的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，解決了深海橋梁工程海域的風-浪-流耦合場現(xiàn)場觀測技術(shù)難題，為獲取深海海域風-浪-流耦合場信息提供了有效手段；發(fā)現(xiàn)了臺風路徑與風-浪-流耦合場特征參數(shù)的關(guān)系，提出了耦合場風參數(shù)和波浪頻譜模型，揭示了風場參數(shù)、波浪場參數(shù)、流場參數(shù)的耦合特性。

提出耦合場設(shè)計參數(shù)確定方法

提出了基于嵌套參數(shù)化臺風場模型、SWAN波浪場模型、風暴潮數(shù)學模型的中尺度風-浪-流耦合場數(shù)值模擬方法，并研發(fā)了相應(yīng)軟件，解決了深海工程海域海中和橋梁沿線的風-浪-流耦合場時空參數(shù)計算和推演難題；建立了風-浪-流耦合場中風速、波高、流速的三維復合極值聯(lián)合概率模型；基于現(xiàn)場實測和長期歷史后報反演信息，提出了特大型橋梁風-浪-流耦合場設(shè)計參數(shù)確定方法，解決了跨海橋梁極端風、極端波浪和海流作用下的設(shè)計難題。

瓊州海峽工程海域風-浪-流耦合場觀測結(jié)果

風-浪-流耦合場特征參數(shù)

創(chuàng)建風-浪-流耦合作用下橋梁三維彈性響應(yīng)模型試驗方法

首創(chuàng)了風-浪-流耦合作用下橋梁結(jié)構(gòu)三維彈性響應(yīng)模型試驗方法，研發(fā)了橋梁風-浪-流耦合作用彈性響應(yīng)試驗?zāi)M平臺，解決了在試驗環(huán)境下風-浪-流耦合場參數(shù)模擬和結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)測試難以實現(xiàn)時間同步、空間相關(guān)的難題，以及全橋彈性模型試驗氣-液-固相似準則難以協(xié)調(diào)的難題；首次實現(xiàn)了風-浪-流耦合作用下千米級三塔斜拉橋全橋彈性模型試驗?zāi)M，揭示了大橋風-浪-流耦合作用彈性響應(yīng)特性及規(guī)律。

建立三維風-浪-流數(shù)值水槽模擬方法

風-浪-流耦合場數(shù)值模擬方法

橋梁風-浪-流耦合作用三維彈性模型試驗平臺

風-浪-流耦合作用下2X1500米三塔斜拉橋全橋彈性模型試驗

建立了考慮流體黏性、湍流風和波浪破碎效應(yīng)的三維風-浪-流數(shù)值水槽模擬方法，研發(fā)了相應(yīng)的軟件，解決了復雜地形條件和橋梁結(jié)構(gòu)的風-浪-流耦合作用荷載參數(shù)高效準確識別的難題；建立了考慮斜風效應(yīng)的全橋結(jié)構(gòu)風-浪-流耦合作用三維有限元時域分析方法、基于虛擬激勵法的風-浪-流耦合作用下橋梁隨機振動頻域分析方法、跨海公鐵兩用橋梁車-橋-風浪流耦合動力系統(tǒng)的振動分析方法，研發(fā)了相應(yīng)的軟件，構(gòu)建了特大型橋梁風-浪-流耦合作用理論方法體系和數(shù)值分析平臺，解決了橋梁在風-浪-流耦合作用下的結(jié)構(gòu)安全性、車輛運行安全性和舒適性評價的難題。

解決風-浪-流耦合作用控制難題

研發(fā)了海洋環(huán)境風-浪-流精確預(yù)報-實時監(jiān)測-快速評估一體化的外海橋梁施工窗口期決策技術(shù)、抑制橋梁風-浪-流耦合振動的寬頻帶多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼的控制技術(shù)，發(fā)明了消減風-浪-流耦合作用荷載的沉箱復合基礎(chǔ)、套筒與導浪板組合的消浪裝置、大型橋梁深水預(yù)制基礎(chǔ)定位沉放控制系統(tǒng)、新型柔性浮式防波堤，形成了特大型橋梁施工、運營全過程的風-浪-流耦合作用控制技術(shù)，解決了風-浪-流耦合作用控制難題。

填補橋梁風-浪-流耦合作用設(shè)計空白

提出了橋梁風-浪-流耦合作用設(shè)計原則、橋梁風-浪-流耦合作用荷載組合模式、橋梁深水基礎(chǔ)波浪荷載參數(shù)取值實用方法，建立了橋梁風-浪-流耦合作用靜動力效應(yīng)驗算方法，編制了國內(nèi)外首部《特大型橋梁風-浪-流耦合作用設(shè)計指南》，填補了橋梁風-浪-流耦合作用設(shè)計方面的空白。

展望

21世紀，隨著我國交通網(wǎng)絡(luò)的逐步完善及“一帶一路”“海洋強國”等國家戰(zhàn)略的實施，橋梁工程建設(shè)逐漸從內(nèi)陸走向近海和遠海。在惡劣海洋環(huán)境中，跨海特大型橋梁極易遭受強臺風、巨浪、急流等多災(zāi)害耦合作用而致災(zāi)。項目研究團隊將進一步依托國家重點研發(fā)計劃課題“風浪流耦合及撞擊作用下超大跨橋梁致災(zāi)機理與安全防控技術(shù)”、中交集團重大科技項目“直布羅陀海峽跨海交通工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究”等科技項目，以及瓊州海峽跨海通道工程等重大工程項目，繼續(xù)深入開展科技研發(fā)、工程驗證和推廣應(yīng)用，引領(lǐng)特大型橋梁風-浪-流耦合作用研究向前發(fā)展。

風-浪-流三維數(shù)值水槽模擬

車-橋-風浪流耦合動力系統(tǒng)的振動分析方法

風-浪-流精確預(yù)報-實時監(jiān)測-快速評估一體化施工窗口期決策技術(shù)

項目完成單位風采

中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司

中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司(簡稱“公規(guī)院”)成立于1954年，原為交通部公路規(guī)劃設(shè)計院，1999年改制并入中國路橋(集團)總公司，現(xiàn)為中國交通建設(shè)股份有限公司的全資子公司。

成立65年來，經(jīng)過幾代人不懈探索和持續(xù)創(chuàng)新，公規(guī)院實現(xiàn)了從單一產(chǎn)業(yè)到全產(chǎn)業(yè)鏈（規(guī)劃策劃、可行性研究、投融資、勘察設(shè)計、工程建設(shè)、運營維護、資產(chǎn)處置）、從國內(nèi)到國外、從公路到大土木行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期、全過程一體化咨詢服務(wù)產(chǎn)業(yè)格局。

公規(guī)院擁有對外承包工程資格，工程設(shè)計綜合甲級資質(zhì)、工程咨詢甲級資質(zhì)、工程勘察綜合類甲級資質(zhì)、城鄉(xiāng)規(guī)劃甲級資質(zhì)、國土規(guī)劃甲級資質(zhì)、公路總承包一級資質(zhì)、公路行業(yè)甲級資質(zhì)、市政行業(yè)甲級資質(zhì)、建筑行業(yè)甲級資質(zhì)、安全生產(chǎn)許可證、國家CMA認證、公路工程試驗檢測綜合甲級資質(zhì)、公路工程橋梁隧道工程專項甲級資質(zhì)、公路及橋梁工程施工監(jiān)理甲級資質(zhì)、園林景觀綠化設(shè)計資質(zhì)，同時是代政府部門審查評估單位和商務(wù)部對外援助項目咨詢單位?，F(xiàn)有員工1200余人。

橋梁國家工程研究中心總部及各分中心布局

河北固安研發(fā)基地

結(jié)構(gòu)實驗室

橋梁基礎(chǔ)實驗室

高性能材料實驗室

安全監(jiān)測實驗室

公規(guī)院培養(yǎng)了十佳全國優(yōu)秀科技工作者1名、全國工程勘察設(shè)計大師4名、中國青年科技獎1名、百千萬人才工程國家級人選4名、享受國務(wù)院特殊津貼專家28名等一大批行業(yè)領(lǐng)軍人才。公司現(xiàn)擁有專業(yè)公司8家、區(qū)域公司21家、辦事處3家。

改革開放以來，公規(guī)院榮獲國家、省部級科技進步獎和優(yōu)秀設(shè)計獎300余項，包括國家級技術(shù)類獎項近100項和省部級科技類獎項200多項。特別是近年來，屢獲國際國內(nèi)重大獎項，其中國際級FIDIC杰出土木工程獎（項目獎、優(yōu)秀獎）4項，ASCE“2010年度杰出土木工程成就獎”1項，F(xiàn)IB“混凝土結(jié)構(gòu)杰出貢獻獎”1項，國際橋梁大會“喬治·理查德森大獎”“古斯塔夫·林德塔爾獎”“國際路聯(lián)杰出工程獎（GRAA）”等6項，國家級科技獎勵7項，中國土木工程詹天佑大獎6項。連續(xù)8年榮獲“中國工程設(shè)計企業(yè)60強”，2018年位列榜單第16位，位列中國交建14家設(shè)計單位首位。

中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司

中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心(簡稱“工程中心”)是根據(jù)《國家發(fā)展和改革委員會辦公廳關(guān)于開展公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心組建工作的批復》(發(fā)改辦高技〔2011〕2679號)、由中國交通建設(shè)集團有限公司主管建設(shè)的國家級研發(fā)平臺，是國家發(fā)改委和交通運輸部在橋梁領(lǐng)域布局的唯一國家工程研究中心，也是中交集團實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展國家戰(zhàn)略的示范基地。

作為工程中心建設(shè)和運行的法人實體，中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司成立于2012年，由中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司牽頭聯(lián)合中交第二航務(wù)工程局有限公司、中交第二公路工程局有限公司、上海振華重工(集團)股份有限公司、重慶萬橋交通科技發(fā)展有限公司等6家單位組建。目前為中交集團所屬的二級子公司。

工程中心的主要任務(wù)是圍繞國家重點工程建設(shè)和行業(yè)發(fā)展需求，建立大跨度、深水域及外海橋梁建設(shè)亟需的關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研發(fā)和工程化驗證平臺，重點開發(fā)水深大于50米橋梁深水基礎(chǔ)設(shè)計與施工技術(shù)及裝備、長大橋梁結(jié)構(gòu)體系、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工技術(shù)及裝備、高效裝配式橋梁設(shè)計與施工技術(shù)及裝備、長大橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測檢測與風險評估技術(shù)及裝備等參與相關(guān)技術(shù)標準的制定，推動國際合作與交流，為相關(guān)企業(yè)提供技術(shù)咨詢服務(wù)，提升我國橋梁建設(shè)的核心競爭力和創(chuàng)新能力。