【论文推荐】| 极端波浪下跨海桥梁桥墩受力特性试验与数值研究

论文导读与观点概要

1. 研究目的

随着跨海大桥向深远海延伸，高墩大跨结构面临着极端波浪与海流耦合的严峻挑战。特别是对于形状复杂、无法套用规范的特殊桥墩，其在极端海况下的受力机理尚不明确。本文以台州湾头门岛跨海大桥主桥墩为研究对象，旨在通过水槽模型试验与三维数值模拟相结合的手段，揭示极端波浪（50年及100年一遇）及波流耦合条件下桥墩的受力特性。研究重点解析波浪力历时特性、砰击压强分布及墩周涡流结构，为复杂海洋环境下的跨海大桥设计与防护提供科学依据。

2. 研究方法

本文采用物理试验与数值模拟互证的策略：

3. 主要结果

📉 整体受力特性

🔧 关键结构响应

🌊 流场与涡激效应

4. 结论

以台州湾头门岛海域某跨海大桥为例，通过水槽试验研究了极端海洋环境下主桥墩的受力特性，并结合开源软件OpenFOAM构建了极端波浪作用下的桥墩受力三维数值模型，综合分析了典型桥墩的受力机制及流场特性，主要结论如下：

1）波浪作用下，桥墩受力以水平荷载为主，竖向荷载较小，二者历时曲线存在相位差异，但随着波浪重现期增大，该相位差呈现减小趋势，叠加效应愈发显著。叠加单向恒定流作用，桥墩水平波流荷载增大，归因于水流叠加增大了水平拖曳力，但增量相对较小，说明研究中波浪冲击是引起桥墩荷载的主导动力因素。对于不同入射方向，桥墩所受波浪力与迎浪面投影面积及桥墩几何外形有关。建议工程设计考虑在主波浪方向上采用更小迎浪面积和流线型外形的方案。

2）叠加桥墩各部分的波浪力历时曲线可知，墩身、承台和桩基的水平荷载峰值并非同时出现，因此在评估桥墩整体受力时，不宜简单叠加各部分受力峰值。桥墩迎浪面、承台上表面及墩身直接承受波浪冲击，导致压强显著增加，是结构破坏的高风险区域，建议工程设计中对上述区域加强防护。

3）波浪作用下，水体受逆压梯度及结构壁面的影响，易在桥墩前拐角处产生旋涡；桥墩后方产生尾涡脱落和低压回流区，同时下部群桩结构间的干扰效应进一步增强了桩周旋涡脱落，加快波浪能量的转换和耗散，增强桥墩局部水动力荷载，引起结构振动；涡流发育也可能引起泥沙输运，进而对桥墩结构的整体稳定性构成威胁。建议桥墩外形采用更为流线型的设计。

💡 推广语：

这篇文章为跨海大桥的“定海神针”——桥墩结构，进行了一次深入的力学“体检”。研究通过物理与数字双重视角发现，承台竟是承受波浪冲击的“主力军”，承担了七成以上的水平推力。文章颠覆性地指出，桥墩各部分并非同时承受最大冲击，传统的峰值叠加算法可能导致设计过度保守。同时，研究精准定位了波浪砰击的“重灾区”，并揭示了群桩涡流对基础稳定的潜在威胁。对于正在建设跨海通道的工程师而言，这是一份能够帮助实现“精准设计、重点防护”的高价值实战指南。

相关图表

本文引用格式：何威, 辜伟芳, 孙亮, 等. 极端波浪下跨海桥梁桥墩受力特性试验与数值研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(3): 55-65.  (HE Wei, GU Weifang, SUN Liang, et al. Experimental and numerical study on the force characteristics of cross-sea bridge piers under extreme waves[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(3): 55-65.  (in Chinese)）

作者简介：   

何威（1993－），男，浙江台州人，硕士，工程师，主要从事近海动力环境研究。E-mail：hewei_ocean@163.com

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