考虑共振现象的悬索桥近壁面异形截面绕流特性研究及工程应用

本研究针对悬索桥在风致振动中易发生共振导致结构失效的问题，通过数值模拟研究了圆形、方形、L形和倒T形四种截面障碍物在不同壁面间距(G/D)下的绕流特性。研究发现L形和倒T形截面在G/D<0.7时能有效抑制涡脱落和力系数振荡，避免与结构固有频率耦合；而方形截面在80米跨径钢筋混凝土桥中最易发生共振。研究创新性地将CFD模拟与有限元结构动力学分析结合，为桥梁抗风设计提供了重要理论依据。

　　

当风拂过悬索桥的瞬间，那些看似静止的钢索和桥面正经历着肉眼不可见的激烈"对话"。1940年塔科马海峡大桥的戏剧性坍塌，向世人展示了当风的"语言频率"与桥梁"固有频率"达成一致时，共振现象如何引发灾难。这种风与结构的"致命共舞"——涡激振动(VIV)，至今仍是工程界亟待解决的难题。

在《Results in Engineering》发表的最新研究中，Ali Heydari团队将计算流体力学(CFD)与结构动力学有机结合，系统研究了四种典型截面（圆形、方形、L形和倒T形）在不同壁面间距(G/D=0.25-4)下的绕流特性。研究采用k-ω湍流模型模拟雷诺数Re=18,000的流动，通过网格独立性验证后，分析了涡脱落模式与气动力系数(C_L, C_D)的振荡特性，并将CFD结果导入COMSOL Multiphysics进行结构响应分析。

关键方法学：研究采用Gambit软件建立二维模型，通过Ansys-Fluent进行非定常流动模拟，使用QUICK格式离散控制方程和SIMPLE算法耦合压力-速度场。结构分析采用SolidWorks Simulation和COMSOL Multiphysics计算固有频率和动态响应，重点关注第一、二阶模态(0.2-6.4Hz)与气动力振荡频率(0.2-2.04Hz)的匹配关系。

方形截面：在G/D=0.25时仅出现微弱阻力系数(C_D)波动，当G/D≥0.5时升力系数(C_L)开始显著振荡(0.49-0.518Hz)。80米跨径钢筋混凝土桥的第二阶固有频率(0.4917Hz)与G/D=4时的C_L振荡频率(0.49Hz)完全吻合，显示极高共振风险。

圆形截面：即使G/D=0.25也出现C_L波动(0.526Hz)，且振荡频率随间距增大而升高(G/D=4时达1.01Hz)。动态响应分析显示其位移幅值仅次于方形截面。

L形截面：在G/D<0.7时完全抑制了涡脱落，仅在G/D=1时出现0.6Hz的C_L振荡。结构分析发现其响应频率(0.2Hz)显著偏离激励频率，最大von Mises应力仅8×10⁴ N/m²，表现出优异的抗共振特性。

倒T形截面：与L形类似，但G/D=1时出现强共振响应(0.64Hz)，应力峰值达7×10⁶ N/m²。值得注意的是，其气动力振荡频率(0.295-0.629Hz)与多数结构固有频率错位。

这项研究通过系统的参数化分析，首次揭示了非对称截面(L形/倒T形)在近壁面流动中的独特优势：当G/D<0.7时，侧壁射流的形成能有效抑制涡脱落；而传统方形截面在特定工况下(80米跨径，G/D=4)存在明确的共振风险。研究创新性地建立了"气动力频率-结构模态"的定量匹配关系，为悬索桥抗风设计提供了重要准则：对于必须采用方形截面的情况，应控制跨径≤50米并减小离地高度；而L形截面因其固有的频率偏移特性，特别适用于长跨径桥梁设计。

这些发现不仅丰富了钝体绕流的基础理论，更通过CFD-FSI(流体-结构相互作用)的跨学科方法，为工程实践提供了可直接应用的设计依据。未来研究可进一步拓展到三维模型、多雷诺数工况及实际桥面截面的优化设计，推动抗风工程领域的创新发展。