1. 引言
海洋哺育了人类文明，是生命的源泉、生存的空间、资源的宝库、交通的命脉。海洋不但是人们获得物质的资源，同时又是获得运输的场地资源。港口码头和船舶及海洋平台等海工结构物，是人们为了获得相应的海洋资源的实用载体，其结构普遍是混凝土结构，置于近海区域这一复杂的环境状况下，遭受风、浪、流、生物等诸多因素的作用影响，必然产生较大的作用效应，容易出现振动、损伤、疲劳的现象，甚至在一定程度上和在一定的时段后，发生破坏的现象。故，其安全稳定健康正常地发挥功效对人们的生产生活非常重要和关键，因此，研究风浪流耦合作用下混凝土构件破坏的机理及其防护非常必要和迫切。
2. 国内外研究现状与发展态势
混凝土构件的安全稳定性问题又分两种情形，第一是在静荷载作用的情形下，这种情形人们关注得比较早，也是建筑结构早期的研究范畴；而第二种是在动荷载作用的情形下，这种情形人们因为早期科研能力和相关设备仪器的落后而关注较少或力不从心，所以，研究成果较晚较少。
工程实际中，混凝土构件承受静荷载的同时，又承受动力作用的现状远多于只承受静荷载作用的情形，由于人们能力和水平的有限，在很多情形下，忽略动力问题只考虑静荷载，但在水利土木工程中的一些工程混凝土结构的应用实际中，动力作用几乎无处不在，在一些情况下是不容忽视，必须加以考虑。故动力作用下，混凝土构件的稳定与安全性问题的研究尤为显得重要，然而，因为动力作用下混凝土构件的安全稳定性问题的复杂性和研究的难度极大，所以，相关研究文献较少。以任意字段“动力作用下混凝土构件安全稳定性”为检索条件在电子图书馆才检索到只有9条文献，其中学位论文7篇(3篇博士论文、4篇硕士论文)、专利1项、成果1项，且研究文献显示2009年才开始引起科研工作者的注意，且这些文献基本都是建工或桥梁的，几乎没有涉及到水动力作用的。以任意字段“Safety and stability of concrete members under dynamic action”为检索条件在Web of Science核心合集上只检索到1条文献，可见国内外研究该问题的确实很少。
耦合是指两个或多个系统之间通过物理或逻辑连接而产生的互动或相互作用。耦合作用的程度与效果大于甚至远大于复合作用，其机制与原理非常复杂深奥。多个动力耦合作用就更是如此，所以，早期科研工作者根本就没有涉及，只是近年来科研条件的改善，科研仪器设备的先进性和精密性越来越高，科研方法的提升，科研能力的提高，且现实的需求提高，才促使少量科研精英向该方面挺进探索和讨论。以“动力耦合作用”为任意字段在电子图书馆检索得到559条文献，其中期刊文献212条，其中学位论文204篇、专利76项、会议论文60篇、科技成果35项、资讯3篇，研究历史40年，而这些文献土木工程的211篇、力学的72篇、水利工程的66篇，可见研究水工结构动力耦合作用的较少，而研究水动力耦合作用的则更少，苏林王[1] (2016年在其博士论文中)研究了荷载与海洋环境耦合作用下海工混凝土结构耐久性问题，郝鹏[2]建立了三维不可压缩流体与固体动力耦合统一分析的理论模型，许贺[3] [4]考虑了坝—库水动力流固耦合分析，但发现这些文献中分析流固耦合作用的占较大比例，而多个水动力耦合作用的几乎没有。以“Hydrodynamic coupling acts on concrete structure”为所有字段在Web of Science核心合集上检索到4条文献[5]-[8]，可见国内外研究该问题的确实极少。
所以，需要填补多个水动力耦合作用研究的空白，弥补风浪流耦合作用下水工建筑物的破坏机理和防护方案措施的探究研究不足，充实风浪流耦合作用下混凝土结构动力响应机制和疲劳损伤破坏规律及其安全防护等相关研究成果，显得非常必要和迫切。其中，风浪流耦合作用下混凝土构件破坏的研究为关键及突破点，尤为重要和急要。
3. 目标与思路
3.1. 研究目标
通过现场调查观测分析、理论分析推导、物理模拟实验和数值计算分析研究探索揭示风、浪(将波与浪合在一起考虑)、流三种作用力因素，复合作用或耦合作用下，混凝土构件损伤、疲劳、失稳、破坏机理；揭示规则作用力与非规则作用力于混凝土构件损伤、疲劳、失稳、破坏的差异性；了解风、浪(将波与浪合在一起考虑)、流三种作用力因素长期不规则作用于水利土木工程混凝土结构，其构件的性能降低，损坏加剧，变形加大、稳定性降低、失稳破坏，丧失作用、失去功效的发展过程，变化规律，机制与原理；为改进水利土木工程混凝土结构构件设计方案和施工工艺，加固水利土木工程混凝土结构构件，增强水利土木工程混凝土结构稳定性，延长水利土木工程混凝土结构使用寿命，提升水利土木混凝土结构建造效益，并为后续研究打下坚实的基础和前提条件。
3.2. 研究思路
本问题的研究思路是：1) 首先分析风浪流耦合作用对混凝土构件的影响机制，确定研究的主要目标，例如提高混凝土构件在复杂环境下的耐久性、抗侵蚀能力等，明确研究目标和背景。2) 文献综述和理论分析，收集和分析已有的关于风浪流耦合作用下混凝土构件破坏的文献资料，基于力学、材料学、环境工程等理论，建立风浪流耦合作用下的混凝土构件破坏理论框架。3) 对该问题的环境因素进行分析，研究风浪流耦合作用的特点，包括风速、波浪高度、周期、流向、水流速度等。分析环境因素对混凝土构件的物理和化学影响，如侵蚀、磨损、冻融循环等。4) 进行实验研究，设计实验方案，包括模拟风浪流耦合作用的实验设备和方法，通过室内模拟实验和现场观测，研究混凝土构件在不同环境参数下的破坏规律。5) 进行相关力学性能测试，对混凝土构件进行力学性能测试，包括抗压强度、抗折强度、抗冲击强度等，分析风浪流耦合作用下混凝土构件的力学性能变化。6) 微观结构分析，利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线计算机断层扫描(CT)等技术，研究混凝土内部微观结构的变化，分析风浪流耦合作用对混凝土内部孔隙结构、裂纹扩展等的影响。7) 破坏机理研究分析，基于实验结果和理论分析，提出风浪流耦合作用下混凝土构件的破坏机理，分析不同因素对混凝土构件破坏的贡献，如材料特性、环境条件、结构设计等。8) 耐久性评价和寿命预测模型构建，建立混凝土构件耐久性评价体系，包括抗侵蚀能力、抗疲劳性能等，利用损伤演化模型，预测混凝土构件在风浪流耦合作用下的使用寿命。9) 推广工程应用和优化建议的提出，根据研究结果，提出混凝土构件在风浪流耦合作用下的设计优化建议，为工程实践提供技术支持，提高混凝土构件在复杂环境下的耐久性和安全性。
通过以上研究思路，可以系统地研究风浪流耦合作用下混凝土构件的破坏规律，为相关工程设计和维护提供科学依据。
4. 方法与内容
4.1. 方法与手段
本问题的研究方法有：1) 调查法；2) 对比比较法；3) 统计分析法；4) 归纳总结法；5) 演绎推理法；6) 物理实验；7) 数值模拟法等等。这些方法有单独用和交织复合在一起使用等等。
1) 调查法：通过工程现场和网络及文献等调查的方法，收集相关近海河口地区风浪流对海工混凝土结构构件的损伤疲劳、变形失稳及断裂破坏现象，并测定损伤疲劳、变形失稳及断裂破坏的程度相关数据，以便后期研究中对现象解释，对数据进行统计分析等等。
2) 对比比较法：将风、浪、流单一因素作用情形于混凝土结构构件情况下的力学状态的响应与风、浪、流两因素或三因素复合或耦合作用情形下混凝土结构构件情况下的力学状态的响应加以对比比较，看看它们之间的异同，并从中找出规律性的结论。
3) 统计分析法：对近海河口地区风浪流对海工混凝土结构构件的损伤疲劳及变形失稳和断裂破坏现象、观察测定得到的数据、实验所得数据、文献查找、网络调查所得的数据等进行统计分析，从中找出规律，得出结论。
4) 归纳总结法：对有限样本所调查所实验所收集得来的相关数据、现象、结果等进行归纳总结，去伪存真，去粗取精，弃次留主，归纳总结出可靠的结论。
5) 演绎推理法：应用相关物理的、力学的、数学的、结构的、材料的、系统科学的等理论知识，对不规则作用于海工混凝土结构上的风力、波浪、水流作用进行正确的概化处理，并提出各种描述该现象的数学函数关系式，并进行各种工况的演绎推理，验证优选出较为正确合理的描述风浪流耦合作用于混凝土结构构件应力应变变化规律等。
6) 物理实验法：应用已有的波流水槽调试各种工况对海工混凝土结构构件模型进行风浪流的耦合作用实验，观测现象，测定流速和波高的变化，记录周围流场的变化情况。
7) 数值模拟法：利用MIKE21、SMS、POM、OpenFOAM、ANYSYS-FLUNT、ABAQUS等，构建相应的数值计算模型，模拟典型工况，看看哪个模型能够较好地模拟计算风浪流耦合作用下混凝土结构物周围的流场变化、其应力分布规律，乃至能描述构件的响应，产生的损伤、疲劳、变形失稳和断裂破坏程度的一些要素等等。
4.2. 研究内容
1) 对风、浪、流耦合作用于混凝土结构过程进行观测，观察河口地区风浪、波流长期耦合作用下水利土木工程混凝土结构损伤、疲劳、失稳及断裂破坏的现象，特别是混凝土结构构件损伤、疲劳、失稳及破坏的部位，通过一定的测量仪器如探深仪超声波检测仪、显微镜、放大镜、检测锤、划线笔、钢尺、摄像机、钢筋锈蚀检测仪等，采集相关混凝土结构构件损伤、疲劳、失稳甚至断裂破坏的相关数据比如：混凝土表面的损伤破坏、蜂窝麻面的宽度深度、裂缝的宽度和深度及长度，混凝土构件中钢筋的连接牢靠度，钢筋是否裸露及裸露程度等等，并对这些数据进行统计分析得出相关结果，并比较非这种状况下水利土木工程混凝土构件损伤及破坏的现象，从这些比较数据来得出；风浪流耦合作用于水利土木工程混凝土构件的损伤、疲劳、失稳及破坏的耦合效果和程度。
2) 对风浪流耦合作用于混凝土构件进行理论分析，查找依据，原理架建，演绎推理，总结归纳等；理论分析中要应用到众多专业学科知识，有固体力学、流体力学、水动力学、工程材料、建筑结构、系统科学、线性科学、非线性科学等理论知识体系，从中查重相关公式、模型，定理、定律及结论等等，以揭示并解释风浪流耦合作用下水利土木工程混凝土构件的损伤、疲劳、变形、失稳规律及破坏机制与原理。
3) 利用波浪水槽开展物理模拟实验，对不同的工况进行模拟实验研究，记录数据分析结果；调试已有的波浪水槽，使其实现风浪流同时作用于港工混凝土结构模型，变化不同的工况观察记录该被耦合作用的港工混凝土结构模型前后流场的变化现象及程度，测量前后流速与波高，测量该港工混凝土结构模型典型构件重要部位的应力分布和应力变化。
4) 采用数值模拟的方法，对这些作用力进行概化，构建合适的数值模拟模型进行数值计算与分析。应用相应的水力学数模软件和固体力学数模软件，建立相应的数值模拟模型，对风浪流作用力进行概化处理，导入相应的数值模拟模型中去，计算分析在典型风浪流耦合作用下水利土木工程混凝土结构典型构件重要部位处的应力场分布情况、强度的变化等。
5. 意义与价值
风浪流耦合作用下混凝土构件的破坏研究具有极高的价值和意义，主要体现在：1) 保障水利工程和海洋工程混凝土结构安全使用，混凝土构件是许多重要海洋工程结构(如港口、码头、海堤、桥梁等)的基础组成部分。在风浪流耦合作用下，混凝土构件可能发生破坏，研究其破坏机理有助于确保这些结构的安全性和可靠性，预防潜在的安全事故。2) 延长水利工程和海洋工程混凝土结构构件的使用寿命，通过研究风浪流耦合作用下的混凝土构件破坏，可以揭示其劣化规律和损伤机理，从而为混凝土构件的设计、施工和维护提供科学依据，延长其使用寿命。3) 降低水利工程和海洋工程混凝土结构工程维护成本，了解风浪流耦合作用下混凝土构件的破坏规律，有助于制定合理的维护策略和措施，降低工程的长期维护成本。4) 提高复杂力学环境下混凝土结构设计水平，研究成果可以为混凝土构件的设计提供理论支持和指导，使得设计更加符合实际环境条件，提高结构的耐久性和适应性。5) 促进科技发展与进步，风浪流耦合作用下混凝土构件破坏研究涉及到材料科学、力学、环境科学等多个领域，有助于推动相关学科的发展和技术进步。6) 为抗灾设计提供理论依据，在全球气候变化背景下，极端天气事件越来越频繁，研究风浪流耦合作用下的混凝土构件破坏，可以为抗风浪、抗海浪等灾害性设计提供重要依据。7) 促进环境友好型材料的开发与应用：随着环境保护意识的增强，研究混凝土构件在恶劣环境下的破坏，有助于开发环境友好型的新型建筑材料，减少对环境的破坏。8) 提升人们工程管理能力，研究成果可以指导工程管理者在施工和运营阶段采取更加有效的风险管理措施，提升工程的整体管理水平。
综上所述，风浪流耦合作用下混凝土构件破坏研究具有深远的意义，具有较好的创新性，具有开拓新的研究领域和突破空白区域的创新意识和创造价值，非线性理论在结构动力分析中的应用，以及多因素耦合作用的复杂动力组合的概化和实现方式方法等实验研究技巧本身就是一个创新和创造，对于保障工程安全、延长结构寿命、降低维护成本、提高设计水平和促进科技进步等方面均具有十分重要的价值和意义。
6. 结语
针对河口和近海区域的海洋工程混凝土结构构件在风、浪、流的耦合作用下，大量出现振动、疲劳、损伤甚至破坏，造成工程使用寿命大大降低减少，从而工程效率低下，成本提高，经济效益下降，甚至发生安全事故，造成人身伤亡和财产损失的现象。而提出本问题的研究，通过检索和阅读及分析一些相关研究文献[9]-[15]，从中找到研究的不足与缺陷及空白处，找出本问题的研究方向与切入点，梳理出本问题的研究方法与思路，提出研究内容和研究目标。
通过现场调查观测分析、理论分析推导、物理模拟实验和数值计算分析研究探索揭示风、浪(将波与浪合在一起考虑)、流三种作用力因素，复合作用或耦合作用下，混凝土构件损伤、疲劳、失稳、破坏机理；揭示规则作用力与非规则作用力于混凝土构件损伤、疲劳、失稳、破坏的差异性；了解风、浪(将波与浪合在一起考虑)、流三种作用力因素长期不规则作用于水利土木工程混凝土结构，其构件的性能降低，损坏加剧，变形加大、稳定性降低、失稳破坏，丧失作用、失去功效的发展过程，变化规律，机制与原理；为改进水利土木工程混凝土结构构件设计方案和施工工艺，加固水利土木工程混凝土结构构件，增强水利土木工程混凝土结构稳定性，延长水利土木工程混凝土结构使用寿命，提升水利土木混凝土结构建造效益，并为后续研究打下坚实的基础和前提条件。
基金项目
北部湾大学高层次人才引进科研启动项目“水泥等胶凝材料性能改良及其应用研究”(项目编号：18KYQD31)；北部湾大学自主课题“波流潮生物多因素耦合作用对海工结构疲劳研究”(项目编号：YLXKKY202215)；“贝、螺和蚝等生物对海工钢筋混凝土结构侵蚀破坏及其安全防护技术的研究”(项目编号：03030005)；广西北部湾海洋环境变化与灾害研究重点实验室2022年开放课题“基于生态修复理念北部湾海岸植生混凝土护坡机理”(项目编号：2022KF02)；大学生创新创业训练计划项目“软体吸附动物对海工结构的腐蚀研究”(项目编号：S202311607088)。
NOTES
*通讯作者。
#第一作者。
†第二作者。