超大跨度桥梁建设如何突破特异风致灾风险的困局？

How to break through the dilemma of the risk of special wind disasters in the construction of super-span bridges

问题描述：

回顾以往，我国以大跨度桥梁为代表的重大基础设施建设取得了飞速的发展，总体规模巨大，但分析和设计理论仍多沿用西方国家早期理论体系框架。随着我国土木建设事业的蓬勃发展，从经济实力和工程经验方面已具备了建造超限基础设施的需求和能力。面向新世纪，随着全球变暖趋势加剧，我国也是世界上受强/台风为代表的特异风致灾害影响最为严重的国家之一，每年登陆我国东南沿海的台风频度和强度有持续增加的趋势。探索基础设施特异风风致灾因素和机理已成为各国科研人员共同瞩目的研究热点和难点，其中台风特异风及其效应已经远超世界各国既有建筑结构荷载规范适用范围，潜在的特异风环境对于桥梁和结构致灾机理和风险仍远未澄清。

问题背景：（简要介绍本问题在现阶段学术研究和科技发展中的产生背景）

“特异风”指超出既有规范覆盖范畴的中尺度强对流及局部强风气候模式，涉及台风、山区风、龙卷风、下击暴流、飑线风和受扰尾流等。特异风致灾变面向的“土木工程设施”是指我国民生和国家经济命脉的大跨桥梁、高层建筑、大跨空间结构，以及工业建/构筑物中的冷却塔、烟囱、输电线-塔体系和风力机等，可以进一步拓展至上述结构载体中涉及的车辆、设备及人员，研究目标涉及中低速风至超强风速范围，兼顾适用性、安全性和稳定性综合效应。

近三十年来，我国的土木工程设施特别是大跨桥梁、高层建筑、大跨空间结构和工业建/构筑物建设取得了飞速的发展，总体规模巨大，但就个体基础设施而言尚未在极限规模上取得过突破性的进展。通过上世纪80年代和90年代的努力，我国掌握了发达国家70年代奠定的土木工程结构抗风理论和方法，并将其转化成适合于我国国情的建筑结构抗风设计规范，确保了已建成土木工程设施的抗风稳定性和基本安全性。随着我国土木工程建设事业的蓬勃发展及社会经济发展的新需求，从社会功能需求、经济实力和工程经验方面我国已经具备了冲击各类基础设施建造规模世界纪录的可能，例如规划方案中的琼州海峡大桥、前瞻探索中的5000 m跨度悬索桥和250 m高度的工业冷却塔。我国土木工程界已经处于国际超限基础设施建设最前沿，发达国家奠定的建筑结构抗风理论和方法已无法适应规模突破后及强特异极端气候组合作用下衍生的新问题和新挑战，只有通过我国的自主创新和原始创新，才能修正或创立超限土木工程设施抗风的新理论和新方法，延续我国基础设施建设抗风科研兼顾结构稳定、安全和适用的辉煌历史，实现从基础设施建设大国向防灾减灾科技强国的历史性跨越。

最新进展：（简要介绍本问题的最新进展，及未来面临的关键难点与挑战）

世界各国在特异风多发区开展了长期的风场观测和统计工作，获取了差异性显著的研究结论。就台风而言，台风气候下的平均风剖面、阵风因子、紊流度以及功率谱等风特性均与良态气候存在区别，台风由生成、移动到衰减过程具有明显的地域性特点。受观测视角、范围和位置的影响，现有台风风场观测和统计结果差异性较大，缺少对台风风场特性时空演变规律的统一认识，因此有必要对在相对台风中心不同位置观测到的台风风场特性参数系统梳理，获得对其时空演变特性和规律的统一认识，避免观之于一隅，形成“盲人摸象”的认识误差。兼顾台风风环境与结构风致效应追风观测已经有了良好开端，赵林等(2019)利用多普勒激光雷达在琼州海峡北岸徐闻地区对超强台风“山竹”外围风场进行了实测，获得了台风登陆前后连续50个小时10 min间隔的近地层风剖面演变数据，总结了台风场演变发展规律和趋势，强调了持续开展台风追踪式移动观测的必要性。与此同时，Liu and Zhao, et al.(2020)利用舟山连岛西堠门大桥2010-2019年桥梁健康监测累积数据，分析了台风侵袭过程风环境和结构效应等同步逐时演变规律，获得多种特异风况条件下的桥梁响应特征。

由于特异风仍属于低概率偶发事件，结合发生地非确定性，受风致灾害影响的柔性建筑结构破坏作用案例匮乏，特异风灾害因素未有共性的量化认识，导致既有研究进展难于纳入规范，限制其应用。以桥梁和建筑结构为代表的风致振动效应现场勘测及安全性评价虽已较早地开展工作，但大多采用定时、定点的方式，即在工程场地布设多种传感器，等待强风灾害气候来临时，才有可能获取环境风参数和结构风致动态响应，该研究方法可简单概括为“守株待兔”的观测方式。这种现场实测方式不足之处在于，无法预知在设备有效工作期限内（3-4年）是否会发生致灾性的气候和危及结构安全的风振形式；导致现场监测设备至寿命期结构仍有较大的概率无法获得有效的测试信号；而这种观测方式属于特定结构的案例分析，无法获得具有普遍适用性的指导结论。以气象部分主导的车载式现场追风观测近年来取得了一定的进展，获取了部分影响我国沿海地区台风风速等观测资料，缓解了定点、定时观测难于捕捉有效强风观测数据的问题，但相关风环境测试研究多以天气预报为目的，忽略了灾害性气候导致的柔性结构风致响应特征。与此同时，风工程领域采用的抗风研究方法多以缩尺模型风洞试验结合理论或数值分析为特色，限于物理风洞试验条件制约，难于准确模拟来流风环境和结构相似比，无法再现实际特异风侵袭时风致灾变全过程。

重要意义：（简要介绍本问题取得突破后，对本领域或相关其他交叉领域科技发展的重大影响和引领作用，以及可能产生的重大科技、经济和社会效益）

申请人提出的问题是国内外风工程界亟需解决的前沿课题，具有重要的理论价值和广阔的应用前景，可以为解决我国桥梁抗风的科学技术问题提供技术支撑，为我国从土木工程建设大国到防灾减灾的科技强国迈进做出贡献。