前 言
近年来，我国大跨度桥梁的建设成就举世瞩目。在我国迈向世界桥梁强国的进程中，桥梁风工程为大跨度桥梁设计提供了关键技术支撑。我国桥梁风工程科研工作者与桥梁设计工程师合作，解决了数百座大跨度桥梁的抗风设计问题。作为一门具有交叉学科性质的技术学科，桥梁风工程为桥梁抗风设计提供理论基础、方法及手段。伴随大跨度桥梁的发展，我国在桥梁抗风基础理论研究及工程实践能力方面取得了长足进步，已居于世界前列。从2019年以来国际期刊相关论文数量看，中国大陆学者发表论文量约占世界总量的50%。
本文对桥梁风工程国内外研究进展进行了简要回顾，简述了研究动态及发展趋势。之后，简要介绍了西南交大桥梁风工程团队2019年取得的若干新进展。本文围绕大跨度桥梁抗风设计中的主要问题----桥位风特性、桥梁颤振、桥梁抖振和桥梁涡激振动，分四个方面按文献时间顺序介绍2019年以来国内外主要研究进展。本文依据的文献范围囊括了大部分SCI期刊，中文文献包括了本领域的主流期刊：《土木工程学报》、《中国公路学报》、《工程力学》、《振动与冲击》等。限于水平和时间，本文所作的国内外进展回顾难免存在疏谬，请读者指正。
一、桥位风特性研究
风特性是桥梁抗风设计的基础资料，对桥梁设计方案的成立及造价，对桥梁抗风安全性、行车安全性和舒适性等影响巨大。迄今抗风设计中有关风特性的“成熟知识”，多是依据良态气候的季风实测得来的。对于控制沿海桥梁及海洋桥梁抗风设计的台风，由于很难开展实测，迄今对其特性的掌握远未充分。山区桥位的风特性受复杂多变的气象、地理因素影响，远比平原风特性复杂，迄今对其认识也很有限，这给山区桥梁抗风设计造成了很大困扰。龙卷风、下击暴流等特异风方面，也很缺乏针对桥梁设计需要的风特性研究。
风特性研究的首要手段是现场实测，其次是风洞试验物理模拟和CFD（computasional fluid dynamics）数值模拟。2019年以来，国内外学者在上述三方面取得了可喜成果。在实测方面，针对山区大跨桥梁桥位风场特性，李永乐等[1]、张志田等[2]、郭增伟等[3]、廖海黎等[4][5]利用风速雷达、三维风速仪等获取了山区桥位风速时程序列，分析了风向、湍流强度、风谱、竖向相关性、非平稳特性等风速特性，指出峡谷风向受峡谷走向的影响显著，平均风速与湍流强度存在反比例关系，且与沿海地区自然风相比，山区风速的非平稳特性更为突出。赵林等[6]对台风风特性开展了持续的现场实测研究，发现台风风场存在非高斯、强切变、特殊风剖面等显著特性。Kim Ji-Myong等[7]、王浩等[8]也通过现场实测研究了台风的风谱特性。
在物理与数值模拟方面，马存明等[9]通过地形模型风洞试验，研究了某山区河谷水位升高前后的桥位风场特性变化规律。沈炼等[10]、周强等[11]分别针对数值计算域选取、山区边界过渡形式等数值模拟中的关键参数开展了研究。针对实际山区风场，学者们还采用数值模拟方法研究了山区特定物理参数的影响，姜平等[12]研究了温度对山区风场的影响，张明金等[13]分析了山体遮挡效应对桥位风场特性的影响。
此外，国内外学者对特异风风场特性及其作用的关注也越来越多。操金鑫等[14]利用龙卷风模拟器，研究了龙卷风下大跨桥梁的风致响应。曹曙阳等[15]采用大涡方法实现了对龙卷风的数值模拟。刘志文等[16]开发了一套在大气边界层风洞中模拟下击暴流水平风速的试验装置，并研究了下击暴流水平风速作用下连续刚构桥的风致响应。汪之松等[17]研究了坡地地形、简易山体对下击暴流风场的影响。李正良等[18]研究了雷暴移动速度对下击暴流的影响。
二、桥梁颤振研究
由于超大跨度桥梁具有突出的结构非线性和气动力非线性，基于线性颤振理论的抗风设计方法已难以满足工程需求。近年来，桥梁非线性颤振研究成为热点。2019年以来关于非线性颤振的主要研究工作如下。
文献[19]对П型梁的颤振后特性开展了风洞试验研究，文献[20]和[21]报道了扁平箱梁断面的颤振后特性风洞试验，并基于不同的分析方法对其机理进行了解释，文献[22]对分体式箱梁的颤振后特性开展了研究，文献[23]则对双层桁架梁的软颤振特性开展了风洞试验研究并初步解释了发生机理。文献[24]和[25]以非线性自激力高次谐波分量为气动力建模的依据，并采用非线性的数值计算方法对大振幅条件下桥梁的二维非线性扭转颤振或非线性耦合颤振的极限环进行了求解。文献[26]首次提出了能够有效计算桥梁三维耦合软颤振的方法并通过风洞试验进行了验证。
关于各类桥梁的颤振特性研究、桥梁颤振计算方法的改进、桥梁颤振控制等方面的研究，自2019年以来又有新进展。文献[27]提出了计入来流风速空间不均匀性和附加攻角效应的大跨度桥梁三维颤振计算方法。文献[28]提出了一种较准确的流线型箱梁颤振临界风速快速计算方法。文献[29]~[31]报道了提升大跨度桥梁的颤振稳定性的中央稳定板措施及作用机理。文献[32]~[34]报道了大攻角下（台风或山区风）大跨度桥梁的颤振特性和发生机理。文献[35]采用风洞试验和CFD数值模拟相结合的方法研究了影响大跨度悬索桥颤振稳定性的主要因素。文献[36]利用节段模型风洞试验研究了非对称П型梁和流线型箱梁在不同来流风向下的颤振特性。文献[37]报道了基于外置偏心主动翼板的颤振主动控制方法。文献[38]报道了基于风嘴主动翼板的桥梁颤振主动控制方法。
此外，我国学者撰写的三篇综述性论文较为系统地梳理了近年国内外桥梁颤振研究的进展。文献[39]综述了常用的提升颤振性能的被动控制措施，文献[40]率先将结构强健性的理念引入桥梁抗风设计与颤振评价中，文献[41]重点对大跨度桥梁非线性颤振研究进展进行了综述。
三、桥梁抖振研究
由于脉动风作用引起的抖振是构成桥梁结构动力风荷载和随机响应的主要因素，是抗风设计中进行结构安全性和行车舒适性评价的重要依据。为了改善抖振计算精度，国内外学者一直倾力于构建更为合理的抖振力模型。2019年，大跨度桥梁抖振计算理论研究方面的主要进展集中在三个方面，一是针对抖振力关键气动参数——桥梁断面气动导纳和抖振力的空间相关性，二是大跨桥梁抖振响应分析方法，三是关于非平稳风作用下的桥梁抖振响应。
在抖振气动力方面，李明水等[42][43][44]基于三维抖振理论，探明了控制紊流三维效应强弱的两个关键参数，即紊流积分尺度与结构宽度之比、结构展长与宽度之比，并通过理论推导出抖振力展向相干函数的一般形式，将紊流三维效应与钝体气动导纳进行了分离，解决了在风洞模拟的紊流场中难以识别钝体断面二维气动导纳函数的问题。马存明[45]根据风洞测压试验结果，建立了流线型箱梁的三维气动导纳经验模型，该模型充分考虑了湍流的三维效应，并与现场实测的气动导纳进行了对比分析[46]。严磊和朱乐东[47]提出了一种将气动力分离为自激力和抖振力然后根据提取的抖振力来计算气动导纳的方法。在数值方法上，Kavrakov[48]提出了一种基于二维涡粒子法的计算流体力学（CFD）方法，用于模拟六分量复气动导纳，张志田[49]比较了不同气动导纳函数对抖振响应影响的区别。
在抖振计算方法方面，徐幼麟[50]指出抖振应力分析是评估强风区大跨度索承桥梁局部破坏和疲劳损伤的重要手段,并建立了一种基于风振压力正交分解和基于子结构的有限元模型的大跨度双箱梁桥抖振应力分析新框架。李明水[51][52]基于所提出的广义三维二波数抖振力谱模型，建立了考虑紊流三维效应的大跨度桥梁抖振分析方法，该方法能够更准确地反映紊流积分尺度对桥梁抖振响应的影响。董锐和葛耀君[53]提出了大跨度桥梁多目标等效静力风荷载基向量法，该方法获得的多目标等效静力风荷载在抖振响应计算精度和荷载分布的合理性方面均表现良好。
近年来非平稳风作用下桥梁的抖振响应问题受到研究者的重视。陶天友和王浩[54]以苏通大桥为工程背景，针对台风非平稳性显著的特征，开展了大跨度桥梁非平稳抖振时域模拟与分析；苏延文和黄国庆[55]针对山区桥梁，考察了强弱非平稳风速对大跨桥梁抖振响应的影响。
四、桥梁涡激振动研究
桥梁结构及构件的涡激振动，由于会在较低的常遇风速下频繁发生，从而危害桥梁的耐久性和行车舒适性，在抗风设计中备受重视。从2019年发表的国内外文献来看，研究内容主要集中在涡激振动理论模型、桥梁主梁及构件的涡振性能及致振机理、涡激振动控制三个方面。
在涡振分析理论研究方面，Zhou[56]针对双箱梁悬索桥，提出了用于分析涡振等风致振动问题的非线性模型。Helgedagsrud[57]探讨了任意拉格朗日-欧拉变分多尺度方程（ALE-VMS）的适用性，并将其应用于大跨度桥梁的涡振、抖振和颤振分析中。Zhang[58]提出了一种基于描述函数的桥梁断面涡激振动的模型。Song[59]基于扩展卡尔曼滤波器（EKF-UI），提出了一种识别单自由度振动非线性气动力的方法，并将其应用到涡振分析。Hua[60]提出了基于范·德波尔振子的理论模型，用以评估斜拉索的风雨激振。文献[61]基于改进尾流振子模型，提出了拉索涡激振动预报模型。
在主梁及构件的涡振性能及影响因素研究方面，文献[62]等分别利用大、小尺度主梁节段模型试验，研究了流线闭口箱梁涡激气动力的雷诺数效应。Sun[63]研究了矩形、梯形和流线型箱梁断面的涡激力特性及其跨向相关性，并指出不同断面形状的涡振致振机理不同，跨向相关性也不同。李春光[64]研究了栏杆基石对闭口箱梁桥梁涡振性能的影响机理。杨群[65]研究了并列双钝体带挑臂钢箱梁的间距对主梁涡振性能的影响。孙延国[66]研究了非对称人行道对П型梁和流线型箱梁涡激振动性能的影响。Li[67]通过现场实测发现实际桥梁的涡激振动具有时变特性，并提出了一种识别时变气动力的算法，用以从实测数据中捕捉涡振现象。Xu[68]基于现场实测大数据分析，提出了大跨度桥梁涡激振动识别方法，建立了涡激振动预测模型。Ma[69]在方形断面桥塔气弹模型试验中发现不同模态之间涡振与驰振的耦合振动现象，且该种振动形式与二维范畴内的耦合振动有明显区别。文献[70]利用大涡模拟法研究了悬索桥双吊索的尾流涡激振动问题。祝志文[71]基于现场实测，研究了斜拉索涡激振动的时频域特性。
在涡振控制方面，赵林[72]结合主梁的气动外型分类，对各类抑振措施进行了梳理和归纳。Hu[73]结合数值模拟和测压试验研究了箱梁断面的致振机理以及扰流板、导流板等措施的抑振原理。文献[74]研究了双箱叠合梁的涡振性能及其抑振措施。华旭刚[75]指出大跨度悬索桥存在多阶模态涡激振动问题，提出可采用电涡流阻尼器对漂浮体系悬索桥进行半主动控制。Chen[76]提出可利用自发喷流装置抑制主梁的涡激振动，并通过PIV试验进行了抑振机理分析。Xu[77]从理论上提出了利用调质阻尼器结合惯容器（TMDI）来抑制主梁涡振的方法。Zhang[78]基于数值模拟提出利用被动式漩涡发生装置来抑制涡振。Liu[79]通过风洞试验研究了粘弹性阻尼器对斜拉索涡激振动的抑振效果。陈文礼[80]提出利用可被动自吸吹气流的控制套环装置来抑制斜拉索的涡激振动。Chang[81]通过试验系统地研究了经不同表面处理斜拉索的风雨激振特性及抑振机理。
葛耀君[82]系统地梳理了近年来国内外桥梁主梁涡振研究的进展，指出在流体－结构耦合特性模拟、三维全桥涡振性能预测、实桥涡振控制等方面仍存在诸多技术难题，未来的涡振研究在围绕新型观测设备和试验技术、高精度气动力降阶模拟和人工智能手段、主动气动控制措施和新型被动机械控制措施等方面有研究空间。
五、桥梁风工程研究新热点、发展趋势与展望
1.研究新热点
近年来，基于数据驱动思路的桥梁风工程与人工智能的交叉研究成为本领域的新热点。近年的主要工作集中在以下几方面：利用人工智能开发大跨度桥梁大风预警系统，以保障强风作用下的车辆行车安全；针对桥梁断面设计初期气动性能难以评估的问题，提出基于机器学习的气动参数识别、断面性能优化和颤振临界风速预测的代理模型；基于现场实测数据，对大跨度桥梁涡激共振事件进行分类和时域建模；利用深度学习技术，深度挖掘桥梁断面在紊流风条件下的非线性气动力演化模式。
2．发展趋势与展望
（1）桥梁风工程对台风、山区风和特异风等风特性的认识还远未成熟，需要风工程研究者通过长期、大量的现场实测，在掌握第一手资料的基础上获得对风特性的深入认识，为桥梁抗风设计理论提供更为可靠的依据。
（2）超大跨度桥梁和海洋桥梁的发展，要求抗风设计理论不断创新，非线性和紊流对桥梁风致响应的影响越来越不能忽视，传统的偏于保守的某些设计准则也需要改进；还需要发展更为经济有效的风振控制技术、开发更为优良的桥梁气动外形及结构形式，以适应超大跨度桥梁的发展。
六、2019年西南交大桥梁风工程团队主要研究进展及成果简介
1、理论研究新进展
近年来团队围绕桥梁抗风设计理论的薄弱环节----桥梁气动导纳的精细化和桥梁抖振响应计算的精细化，以及制约超大跨度桥梁抗风设计的关键问题----桥梁非线性颤振计算等问题开展了持续研究，2019年取得的主要进展如下：
（1）桥梁抖振计算理论研究[42][43][44]
在气动导纳研究方面，将紊流中无限展长机翼的三维抖振力理论拓展至具有钝体断面的线状结构，导出了抖振力展向相干函数的一般形式，研究了紊流积分尺度与宽度之比、展宽比等影响三维效应的控制参数，探明了气动片条假设的适用条件。通过引入气动导纳修正项经验模型，提出了紊流中直接识别一波数气动导纳的理论及试验方法，进而在紊流场中，识别了翼型、矩形断面和典型桥梁断面的一波数气动导纳（图1），为抖振力精细化分析提供了重要依据；
在抖振响应计算方法研究方面，基于Ribner三维气动力理论，提出了广义三维二波数抖振力谱模型，建立了考虑紊流三维效应的大跨度桥梁抖振频域分析方法。通过研究跨宽比、来流平均风速、紊流积分尺度等条件下紊流三维效应对抖振响应的影响（图2），确定了传统抖振分析理论的适用条件以及需要考虑紊流三维效应影响的时机，从而使抖振分析理论更加完善。基于前述抖振分析方法，提出了采用分模态法求解大跨度桥梁顺风向等效风荷载的方法。
图1 典型桥梁断面的气动导纳
图2 紊流三维效应的影响
（2）桥梁非线性颤振计算理论研究
通过节段模型风洞试验系统研究了流线型箱梁和双层桁架梁的颤振后特性[21][23]，发现双层桁架梁的软颤振振幅存在滞回效应，即振幅受初始条件影响。从理论上揭示了依赖于振幅和折算风速的非线性气动阻尼的演化特征，是决定发生“硬颤振”还是“软颤振”关键因素。
建立了竖向和扭转两个自由度耦合运动下桥梁软颤振振幅的二维计算方法[26]，并通过风洞试验进行了验证。该方法除了可以获得稳定的软颤振振幅之外，还可以计入初始条件的影响，进而获得不同风速路径下（升风或降风过程）的软颤振振幅。同时，通过分析气动阻尼、振幅比、相位角等参数，该方法能够从动力学机制上阐释桥梁软颤振的发生机理，并为实现桥梁三维多模态耦合软颤振计算分析奠定了初步理论基础。
图3 不同风速路径下桁架梁软颤振振幅计算值与试验值对比
2、重大工程应用新进展
2019年桥梁风工程团队在服务国内外重大工程方面又取得了可喜进展。自2018年3月通过国际竞标赢得土耳其1915恰纳卡莱大桥（主跨2023米，世界在建最大跨度悬索桥，COWI设计）风洞试验项目以后，团队经过一年多努力奋战，圆满完成了全部工作，2019年7月通过了业主DLSY的验收，为我国桥梁抗风试验赢得了国际声誉。
图4 1915恰纳卡莱大桥全桥气弹模型风洞试验
在国内重大桥梁工程技术服务中，团队继续发挥抗风研究主力军作用。2019年完成了常泰长江大桥（主跨1176米，世界最大跨度公铁两用斜拉桥，中铁大桥院设计）、南京仙新路过江通道长江大桥（主跨1760米悬索桥，中铁大桥院设计）等桥梁的抗风试验研究任务；还开展了甬舟铁路西堠门公铁两用大桥（主跨1488米，世界最大跨度悬索斜拉协作体系桥,中铁大桥院设计）、广州莲花山大桥（主跨2100米公路悬索桥，中交公路规划设计院设计）等设计方案的抗风试验研究。
图5 常泰长江大桥全桥气弹模型风洞试验
图6 仙新路长江大桥全桥气弹模型风洞试验
3、成果获奖
团队主持的项目“大跨度缆索承重桥梁抗风关键技术与工程应用”荣获国家科技进步二等奖。
图7 2019年1月8日团队成员在人民大会堂接受颁奖
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来源：西南交大桥梁
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