随着交通事业的蓬勃发展以及近海岸工程的不断开发,跨海桥梁作为“21世纪海上丝绸之路”的重要组成部分,越来越多的跨海桥梁正在不断往复杂海域兴建发展。但跨海桥梁所处的海洋环境极为复杂,常会遭受台风、海啸等复杂极端灾害的巨大威胁。目前国内外对大型跨海桥梁的波浪问题尚未得到有效解决,特别是跨海桥梁与极端波浪相互作用问题,在这方面的研究大多处于初期阶段,缺乏系统性和完整性,从而制约了跨海桥梁的安全建设。本文主要基于时空有限元方法对两相流-结构相互作用问题展开研究:(1)简要介绍了流体力学控制方程,详细介绍了时空有限元方法中采用流线迎风Petrov-Galerkin方法解决流体场计算中数值振荡问题的机理,结合针对湍流问题的变分多尺度方法,详细推导了流体控制方程的时空有限元变分公式,并为二维流体力学问题编写了高效并行迭代求解程序,通过方腔顶盖驱动流和溃坝模拟验证了求解的有效性和准确性。(2)传统的桥梁设计和桥梁结构有限元分析之间的鸿沟会造成设计与分析过程的复杂化,为实现跨海桥梁中的计算机辅助设计和结构有限元分析的一体化,构造了以NURBS为基函数的等几何分析框架,为复杂结构的设计和分析提供了精确而又简便的构建和分析方法。(3)在跨海桥梁波浪荷载问题中,波浪的模拟涉及到空气和水两种不同相态的流体,文中首次提出并推导了采用时空有限元方法求解流体控制方程与Level Set方程的耦合公式来实现两相流界面捕捉的方法,创新性地为耦合方程的求解提出了多种稳定系数和处理界面间断的数值求解方法,并结合多个经典算例验证了该方法的界面捕捉精度。(4)采用试验和数值模拟结合的方法对实际跨海桥梁工程中的流固相互作用问题进行了研究讨论,并用试验数据对文中提出的两相流的界面捕捉方法进行了检验,对箱型截面的跨海桥梁所受极端波浪力进行了试验测量和数值模拟,结果表明:采用时空有限元算法和Level Set方法能够对波浪的生成、传播和破碎进行精确地模拟,并能准确计算出了桥梁所受波浪荷载;在跨海桥梁上部结构高于水平面时,所受的冲击波浪力不能忽视,在水平方向,波浪荷载总力可以达到准静力的两倍;箱型上部结构桥梁所受波浪力与以往研究较多的T型梁有一定区别,研究箱梁截面形式的受力对我国跨海大桥的建设有较大意义;本文基于试验和数值结果提出的箱型上部结构桥梁所受波浪荷载的估算公式能为跨海桥梁的设计提供一定的参考。