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工程仿真的奇跡——港珠澳大橋
港珠澳大橋是中國的世紀工程因為它要安全運行到下個世紀，乃至下下個世紀。
“港珠澳大橋跨海集群工程建設關鍵技術研究與示范”2009年被列入國家科技支撐計劃項目，對港珠澳大橋隧道、人工島、橋梁和建設管理等關鍵技術問題展開研究。
項目共設五個課題，含有十九個子課題，參與單位近三十個，人員近千名。主要針對隧道、人工島和橋梁跨海集群工程建設關鍵技術問題，開展外海厚軟基大回淤超長沉管隧道設計與施工關鍵技術、外海厚軟基橋隧轉換人工島設計與施工關鍵技術、海上裝配化橋梁建設關鍵技術、跨海集群工程混凝土結構120年使用壽命保障關鍵技術和跨境隧-島-橋集群工程的建設管理、防災減災及節(jié)能環(huán)保關鍵技術的研究，并通過港珠澳大橋建設予以實踐和檢驗。
由于時間緊迫，條件嚴酷，很多自然條件無法獲得。工程仿真技術再次在港珠澳大橋五大關鍵課題中展現(xiàn)出巨大的力量，助力科研和施工人員解決了各類世界級的難題，如期完成這一世紀工程。
六大仿真奇跡：
奇跡一：120年壽命仿真——疲勞分析
港珠澳大橋采用正交異型橋面板鋼箱梁，這種結構形式輕質高強、施工速度快，但是它的板件構件及受力特性復雜，最大的問題是疲勞。疲勞導致的裂縫成為國內外鋼橋行業(yè)共同的難題。
西南交大土木工程學院卜一之、張清華教授參與國家科技支撐計劃項目港珠澳大橋跨海集群工程建設關鍵技術研究與示范。團隊把重點聚焦在鋼箱梁最容易出現(xiàn)疲勞的幾個部位上。團隊耗時一年建立了經過實驗校核的理論和數(shù)值分析模型，最終取得正交異型鋼橋面板抗疲勞技術的重大突破。通過艱苦研究，團隊攻克了疲勞的難題，助力港珠澳大橋保證120年的使用壽命，并為大橋鋼梁架設技術提出了有益建議。
2、流變學及巖土力學仿真——超大復合樁基
讓港珠澳大橋的橋墩穩(wěn)穩(wěn)地“扎根”海床，并不是件容易的事。橋墩需穿過十多米深的海水，再穿過二十多米深的淤泥，才能進入承載力較好的土層。
2011年西南交大土木學院馬建林教授團隊主持了港珠澳大橋主體工程橋梁工程施工圖設計大直徑鋼管復合樁試驗專題研究，助力港珠澳大橋穩(wěn)穩(wěn)“扎根”海床。現(xiàn)場調研、資料收集、室內外試驗、理論計算、數(shù)值模擬……團隊不斷探討復雜受力條件下鋼管復合樁的受力機理與協(xié)同工作性能，解答了深海條件下鋼管復合深長樁基礎的相關計算理論和設計方法等關鍵技術，為此節(jié)約了上億元的成本。研究成果對于港珠澳大橋大直徑鋼管復合樁基工程建設具有重要的指導意義。
3、超大幾何流體仿真——橋梁抗風特性
港珠澳大橋全線55公里的大部分由橋梁構成，其中3座大跨度橋梁——青州航道橋、江海直達船航道橋和九洲航道橋，是技術難度最大的控制性工程，其所在海域又風災較多。
2014年初，西南交大土木學院廖海黎、李明水教授團隊承擔了港珠澳大橋所有通航孔橋和鋼箱梁非通航孔橋的抗風性能研究工作。團隊把經驗、數(shù)值仿真和模型實驗有機結合起來。大橋縮比模型在XNJD-3風洞、目前世界最大的邊界層風洞里進行了反復試驗，并結合多工況流體仿真技術，最終為港珠澳大橋的抗風設計提供了科學依據。
4、超大幾何變形仿真——800萬立方米淤泥
之前講到要修筑625米長的人工島以連接橋梁和海底隧道，而在修筑人工島的地方有一層15到20米的淤泥，由于淤泥的物理屬性，如果在其基礎上做拋石斜坡或常規(guī)重力式沉箱的話，拋石或重力沉箱就會因淤泥而打滑，地基不穩(wěn)。最常規(guī)的辦法是把淤泥全部清理掉，或者用排水結固的辦法使淤泥變干，然后再拋石或用沉箱坐穩(wěn)。
（用鋼桶圍成人工島）
對此，工程師的解決之道是采用120個重550噸，高55米，直徑22.5米的圓形鋼桶圍成一圈來穩(wěn)定地基，鋼桶會插入粉質粘土、粉質粘土夾砂層中，逐漸會形成穩(wěn)定的結構，屆時只要在鋼桶圍成的人工島內填充沙石即可，鋼桶會使沙石留在人工島內，不用在擔心拋石和沉箱順著淤泥滑走，最后形成永久的拋石斜坡堤和臨時鋼圓筒結構相結合的島壁結構。
(島壁結構示意圖)
成功修筑人工島的前提是要制造出120個550噸重、55米高的巨型鋼桶，但由于鋼桶的體積過于龐大，沒有任何一個卷板機和模具能夠完成這樣鋼桶的制造工作，不得不采用模塊組裝的辦法，將鋼桶分成72個模塊，一組一組的拼裝。但這種做法也會帶來一個問題，由于鋼桶的誤差要求被限制在3厘米以內，而每一次拼接都會有一定的誤差，加上拼接的模塊數(shù)量達72個，以及鋼桶高達55米的巨大體積非常不利于加工和制造，在多次拼接后有可能無法將誤差控制在3厘米以內。
為了精確控制安裝和實際變形，工程師建立了大規(guī)模的有限元模型進行了規(guī)模巨大的工程仿真，創(chuàng)造性的提出內膽法（一個能夠控制圓柱形鋼桶外型的鋼結構支架）控制變形，取得了成功。
5、水動力學仿真——比遼寧號還大的沉管
港珠澳大橋的海底隧道由33節(jié)鋼筋混凝土結構的沉管對接而成，每個標準沉管長180米、寬38米、高11.4米，排水量大約在8萬噸。隧道沉管在岸上預制好之后，用鋼封門將兩端封閉，沉管浮在海面上，由多艘大馬力拖輪拖到約7海里外的施工海域，然后再下沉到海底對接安裝。
由于沉管體積龐大且重量很大，加上水文情況、水道寬度的限制，以及沉放時對精度有很高的要求，沉管的浮運和沉放屬于施工過程中的一項重要技術。沉管浮運需要考慮拖拽力、水流速度與方向以及潮汐、海水密度和大風的影響。由于水的阻力系數(shù)等因素，會造成經驗公式計算結果與實際結果有一定差異的情況，一旦拖拽力計算不精確，就有可能導致鋼纜斷裂，沉管傾覆。另外，潮汐也會引起水位變化，海水密度也會引起浮力變化，水流的大小和方向是決定管節(jié)尺寸以及浮運沉放方式的一個重要因素，這些都是要仔細考量的因素。
面對上述挑戰(zhàn)，工程師們見招拆招使用仿真和實驗結合一一解決。為確定拖拽力，工程師開展的管段拖曳阻力模型試驗，同時建立流體仿真模型確定管段及管段組合體的拖航阻力，并以試驗數(shù)據校準仿真結果，推算推拖拽力和拖船的數(shù)量和所需功率。
最終成功完成了巨大沉管的拖曳和放置。
安全性仿真：
隧道的防災減災技術極其關鍵。港珠澳大橋項目科研人員針對隧道結構防火及排煙道沿程阻力建立了高精度的流體/燃燒模型，同步進行了高精度樣本試驗和。一系列沉管隧道防災減災關鍵技術試驗和研究，為大橋順利運行一百二十年做出了有力的保證。
巨型工程是時代的象征。
ANSYS仿真技術使工程更加快速安全，使國家更加強大，使人民生活的更好。
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