第1章概述
本章从重大建筑与桥梁需求、强/台风灾变研究、研究现状与展望、科学意义与作用等方面介绍国家自然科学基金重大研究计划“重大工程的动力灾变”集成项目“重大建筑与桥梁强/台风灾变的集成研究”的研究背景和立项依据。
1.1重大建筑与桥梁
重大建筑与桥梁是指关系国计民生和国家经济命脉的超大跨度桥梁、超高层建筑和超大空间结构。国内外对“超大跨”和“超高层”的定义都是相对的，一般是指相同类型中跨度或高度超过已建或名列前茅的桥梁、建筑或空间结构，是国家重大基础设施。为了适应我国经济持续高速发展的需要，重大建筑与桥梁建设和运行已然成为国家重大战略需求。
1.1.1超大跨桥梁需求
公路和铁路是关系国计民生的国家经济大动脉和公共交通承载体。我国人口众多、资源丰富、幅员辽阔，但是人口、资源、布局和地区经济发展又不平衡，使得公路和铁路承担着国民经济快速发展所带来的全世界规模*大、密度*高的客运和货运周转量。改革开放以来，公路和铁路交通基础设施建设长期成为国家重大战略需求，特别是近年来高速公路和高速铁路建设更是成为这一国家重大战略需求中的“重中之重”。到2021年底，我国建成的公路总里程已经达到528.07万公里，其中高速公路11.70万公里；铁路运营总里程达到15万公里，其中高速铁路4万公里。为了满足我国经济持续高速发展的重大需求，我国公路和铁路运营里程和建设规模已经名列前茅，并将继续保持持续增长的发展趋势。
桥梁是为了跨越天然或人工障碍所构筑的工程结构，是公路和铁路大动脉上的连接结点。我国地形复杂、河流众多、海岸线漫长，使得茫茫公路线和铁路线上分布着许许多多的桥梁和隧道，特别是高速公路和四座高速铁路沿线的桥梁密度更高、数量更多、跨度更大。早在2011年底，我国已经建成公路桥梁69万座、计3370万延米，超过美国成为世界上公路桥梁*多的国家；铁路桥梁6.5万座、计240万延米，也是世界上铁路桥梁*多的国家。为了适应我国社会对公路和铁路建设发展的重大需求，我国公路桥梁和铁路桥梁的数量已经成为世界之*，并将在数量上继续保持和扩大国际领先优势。
超大跨桥梁是国家经济大动脉上的关键结点和重大基础设施。我国西部地区深切峡谷遍布、中东部地区大江大河横贯、东南沿海地区海湾海峡宽阔，使得我国公路和铁路桥梁的跨度越来越大、大跨桥梁数越来越多。我国公路桥梁的跨径分别在1985年突破200m、1991年突破400m、1993年突破600m、1997年突破800m、1999年突破1000m、2009年突破1600m；我国铁路桥梁的跨径分别在1997年突破200m、2003年突破300m、2008年突破500m。表1.1列出了国内外已经建成的跨度*大的十座公路悬索桥以及跨度*大的五座高速公路和四座高速铁路斜拉桥。我国超大跨桥梁的数量超过世界总量的一半，已经成为名副其实的超大跨桥梁建设的大国，并在跨度上还有继续增长的建设需求和发展趋势。
表1.1国内外*大跨度悬索桥和斜拉桥
1.1.2超高层建筑需求
超高层建筑是城市化进程的必然产物。据统计，世界发达国家的城市化率在70%～80%，全球城市化进程以每天20万人的速度增长。2017年我国城市化率已突破60%，预计到2030年，城市化率将达到70%。从当前发展情况来看，由于欧洲大陆的人口发展长期处于稳定状态以及宗教因素的影响，超高层建筑发展趋于停滞；美国人口趋于稳定，城市化程度较高，其超高层建筑的发展已处于缓慢状态，但是作为世界上的唯一超级大国，在今后的超高层建筑发展中仍占有一席之地；非洲由于经济不够发达，而南美洲和大洋洲人均占地比较多，估计在今后一段时间不会出现大量的超高层建筑；在我国、东南亚以及中东地区等，近年来建筑科技进步很快、经济增长迅猛、人口数量剧增，具备了超高层建筑发展的三大因素，超高层建筑正以空前的速度和规模在这些地区发展。
表1.2给出了国内外已经建成的高度*大的十栋超高层建筑和十座超高耸结构。我国超高层建筑和超高耸结构的数量达到世界总量的一半，已经成为名副其实的超高层建筑建设的大国。随着中国经济的高速增长，城市化进程的加速推进，土地资源日益稀缺，超高层建筑的发展方兴未艾。我国的基本国情是人多地少、经济发展很不平衡，这些客观因素使得我国只有更高效地利用有限的土地资源，才能满足经济发展的要求以及全国人民的基本住房要求。为了满足我国经济持续高速发展、城市化进程、经济发达地区人口密集等现状，唯有大力发展超高层建筑以及“空中城市”才能满足我国城镇化的要求。因此，我国超高层建筑在高度和数量上还有继续增长的建设需求和发展趋势。
表1.2国内外*大高度超高层建筑和超高耸结构
1.1.3超大空间结构需求
大跨度空间结构是近三十年来发展*快的一种结构形式，被广泛用于体育场馆、会展中心和机场航站楼等大型公共建筑中。由于我国国力提升强劲，需要建造更多更大的体育、休闲、展览、空港、机库等大空间或超大空间建筑以满足经济发展和社会进步的需求，而且这种需求在一定程度上可能会超过许多发达国家。特别是随着2008年北京奥运会、2010年上海世界博览会、2011年广州亚运会等一系列国家重大社会经济活动的展开，近年来我国已经建成了一批高标准、高规格的大型公共设施，包括体育场、体育馆和交通枢纽等（表1.3）。
表1.3国内已经建成的超大空间结构
1.2强/台风灾变研究
强/台风灾变研究是指超大跨桥梁、超高层建筑和超大空间结构在强/台风作用下的结构致灾机理、灾变控制及实测验证，集成重大建筑与桥梁风致灾变模拟系统，发展与国民经济和社会文明相适应的防灾减灾科学和技术，为保障重大建筑与桥梁的安全建设和正常运行提供科学支撑。
我国是世界上少数几个受自然灾害影响*严重的国家之一，据联合国统计，我国平均每年因自然灾害造成的经济损失仅次于美国和日本，居世界第三位，其中，风灾占有很高的比例。我国地处太平洋西北岸，全世界*严重的热带气旋（台风）大多数在太平洋上生成并沿着西北或偏西路径移动，频繁地在我国从南到北的漫长海岸线上登陆并袭击沿海地区。据统计，我国沿海地区平均每年有登陆台风7个、引起严重风暴潮灾害6次、*大风速可达60m/s以上，对沿海地区的生命财产安全以及重大工程构成严重威胁。目前我国沿海经济发达地区新建及待建的重大建筑与桥梁数量明显增加，强/台风引起的极值风荷载往往成为控制设计、施工和运行的关键因素，台风风场的涡旋结构和复杂下垫面共同作用而导致的近地层剧烈、复杂的湍流风是现代超大跨桥梁、超高层建筑、超大空间结构等致灾致损的重要因素。国内外现有抗风研究成果大都针对良态气象条件下的季风，其风场大体呈规则的“带状”分布，而台风风场则呈不规则的“环状”或“螺旋状”分布，两种不同环流结构天气系统的风场，尤其是近地边界层的脉动风特性差异很大。随着我国超大跨桥梁、超高层建筑、超大空间结构在东南沿海台风影响地区的大量兴建，强/台风作用下的风致灾变将成为21世纪土木工程界所面临的*严峻的挑战，具体表现为以下五个方面。
1.2.1强/台风致灾模型
台风属中尺度天气系统，其中心强度和影响范围变化很大，移动路径和登陆特性随机性强，准确地捕获其眼壁强风数据的机会和难度很大，而适用于工程应用的近地边界层观测数据更加稀少，因此针对工程关注的台风中心强风特征的研究并不多见。目前获得的台风过程实测数据仍十分有限，并不足以代表各种类型下垫面的风特性，因此需要在继续积累台风实测数据的同时，对已有的实测数据进行更全面、深入的分析归纳，得到不同下垫面与台风影响的风工程参数的关联和规律，给出能够准确反映台风非线性、非定常、非稳态风速特性的物理模型或统计模型以及台风过程风况的三维时空分布特性，满足重大工程抗风应用的需要。超大跨桥梁、超高层建筑、超大空间结构柔性大、质量轻、阻尼小，风敏感性强，风致静力和动力稳定性、涡激共振和随机抖振等各种风致响应问题都将成为设计、施工和运行的控制因素，从而使得强/台风边界层风场时空特性及其效应模拟和预测的精度与可靠性随之显著提高。因此，强/台风边界层风场的高湍流、非平稳、非定常时空特性及其效应模拟和预测模型是风致灾变研究面临的主要挑战和迫切需要解决的关键问题。
1.2.2登陆台风非平稳和非定常特性
强/台风登陆后将对重大建筑与桥梁施加特殊的结构气动力，这种气动力具有显著的非平稳、非定常和非线性等特性，而现有结构风工程研究理论框架下的结构气动力模型只能总体上反映线性的、定常的、平稳的气动力特性，在结构静气动力上能部分反映来流攻角的非线性效应，在结构与气流相互作用上能部分反映非定常的自激力，还没有一种公认的数学模型可以反映结构气动力的非平稳特性。强/台风登陆后的强变异流场除了导致传统的结构随机振动、限幅自激振动和耦合发散性振动之外，其气动力非线性、非定常、非平稳效应对超大跨桥梁、超高层建筑和超大空间结构的影响将会更加突出。其中，非线性效应除了表现在结构姿态的大变形之外，更主要的是涉及自激振动的问题，特别是涡激共振中的非线性涡激力，如丹麦大带桥引桥、日本东京湾大桥、巴西Rio-Niteroi大桥、俄罗斯伏尔加河大桥等钢箱连续梁桥以及加拿大狮门大桥、丹麦大带桥主桥、我国西堠门大桥等钢箱梁悬索桥中出现的涡激振动现象，都无法采用线性涡激力模型进行描述；非定常问题突出表现在结构随机振动或抖振上，基于传统分析理论中引入的气动导纳，其实质就是将非定常问题简化为定常问题，不仅无法反映非定常特性，而且直接导致理论计算抖振响应误差偏大；结构气动力非平稳特性的重要性集中体现在风敏感重大建筑与桥梁在全过程风速作用下的灾变特性，传统的结构风工程理论是将风速全过程结构风振响应分解为低风速下的涡振、高风速下的抖振、极端风速下的颤振，针对超大跨桥梁、超高层建筑和超大空间结构迫切需要解决按照风速全过程、考虑气动力非平稳性的理论分析和数值模拟方法；此外，基于计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）的数值模拟方法，非线性、非定常和非平稳气动力数值模拟及高雷诺数效应模拟更是亟待解决的核心技术问题。因此，登陆台风引起的非线性、非定常、非平稳结构气动力特性与模拟是风致灾变研究面临的主要挑战和迫切需要解决的关键问题。
1.2.3重大建筑与桥梁灾变机理和控制
重大建筑与桥梁风致灾变主要表现为低风速下的涡激共振、高风速下的随机抖振和风载强度、极端风速下的颤振发散和静力失稳。尽管各种风致灾变的机理并不相同，但总体上可以概括为细观机理和宏观机理，细观机理可以从气流流过结构断面所产生的流态变化，特别是气流的分离、旋涡的脱落和再附等加以说明，而宏观机理则是存在于风致振动中所表现出来的结构姿态、振幅大小、阻尼变化等现象中。为了实现结构风致灾变控制的目的，首先必须揭示灾变的细观机理和宏观机理，然后尝试不同的控制措施，实现风致灾变控制的目标，并*终归纳出控制原理以便推广应用于其他结构的风致灾变控制。现有研究结果表明，重大建筑与桥梁的风致灾变控制可以区分为结构控制措施、流态控制措施或气动控制措施、耗能控制措施等。其中，结构控制措施是指增加结构刚度、阻尼或约束，根据风致灾变宏观机理达到减小风致响应的目标，一般需要付出很大的技术经济代价；气动控制措施是一种充分利用风致灾变细观机理实现控制目标的措施，主要通过被动或主动方法改变结构绕流流态实现减小气动力和降低风致响应的目标；耗能控制措施是指通过结构振动中能量的耗散来达到控制风致灾变的目标，耗能的主要手段是在结构内部安装主动或被动的阻尼器，也是一种基于风致灾变宏观机理的控制措施。结构控制措施、气动控制措施和耗能控制措施除了技术经济指标之外，*重要的是控制措施本身的适用性、可靠性和鲁棒性。因此，针对超大跨桥梁、超高层建筑和超大空间结构的风致灾变机理和控制措施的研究是目前面临的主要挑战和迫切需要解决的关键问题。
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