极端波浪下跨海桥梁桥墩受力特性试验与数值研究

文献来源：何威，辜伟芳，孙亮，赵西增，陶钢，赵鑫，李宗宇，汪玉平. 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. DOI: 10.16483/j.issn.1005-9865.2026.03.006

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研究背景与目的

       极端波浪对跨海桥梁墩柱的冲击能引起巨大的波浪荷载，对桥梁结构的稳定性构成严重威胁。跨海桥梁所处海洋环境复杂，波浪与海流共存，桥墩作为主要受力构件，其在不同波浪条件下的受力机制尚需深入研究。本文以台州湾头门岛某跨海桥梁主桥墩为研究对象，综合运用水槽试验与数值模拟手段，系统探究极端波浪及波流耦合作用下桥墩整体结构的受力特性。

试验与数值方法

       试验方面，采用水槽试验研究不同重现期波浪及波流耦合条件下桥墩整体结构的受力特性。数值方面，基于开源平台OpenFOAM，结合RANS方程和k-ω SST湍流模型，构建了极端波浪作用下桥墩受力的三维数值模型，重点分析波浪冲击下桥墩各组成部分的波浪力历时特性、越浪形态和砰击压强分布，进一步解析桥墩的受力机制及墩周涡流特性。

图1.   试验及数值研究模型示意图

图2.   室内非标缩尺模型

图3.   数值模型

关键结论

（1）水平荷载为桥墩控制性受力。** 波浪作用下桥墩受力以水平荷载为主，竖向荷载相对较小。

（2）波浪是桥墩荷载的主导动力因素。** 相较于海流，波浪对桥墩产生的荷载效应更为显著，在海洋环境中是引起桥墩荷载的主要来源。

（3）墩身、承台与桩基的水平荷载峰值不同时出现。** 桥墩各组成部分的水平荷载峰值存在明显相位差，评估桥墩整体受力时，不宜简单叠加各部分峰值，而应考虑其时空非同步特性。

思考总结

        本文采用的水槽试验与OpenFOAM数值模拟相结合的研究范式，为跨海桥梁墩柱波浪荷载评估提供了可靠的方法支撑。值得注意的是，现有波浪荷载计算方法多基于准静态力理论，而对破碎波产生的砰击力效应考虑不足。已有研究表明，破碎波作用下桥墩的峰值波浪荷载可比非破碎工况增加约3～4倍，结构动力响应可能被显著低估。未来研究可进一步将砰击力效应纳入跨海桥梁墩柱的波浪荷载评估框架，同时关注波流耦合作用下墩周涡流演化与局部冲刷对桥墩受力特性的影响。相关研究成果可为跨海大桥的设计和工程防护提供科学参考依据。