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AWE论文推荐 | 石家庄铁道大学刘庆宽教授等:斜拉索气动力、风致振动特性及控制措施综述

2026-05-02 02:59:37

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01 引言

文章题目：

Review of aerodynamic forces, wind-induced vibration characteristics, and control measures for stay cables

出版信息：

Adv. Wind Eng. 3(2026)100120

文章作者：

刘庆宽、陈振华、孙一飞*、王园园、韩原、谷浩田、张金贺

DOI：

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https://doi.org/10.1016/j.awe.2026.100120

Funding:

国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目（U25A20354）、河北省自然科学基金创新研究群体项目（E2022210078）

Cite this article as:

Liu, Q.K., Chen, Z.H., Sun, Y.F., Wang, Y.Y., Han, Y., Gu, H.T., Zhang, J.H., 2026. Review of aerodynamic forces, wind-induced vibration characteristics, and control measures for stay cables. Advances in Wind Engineering 3, 100120.

https://doi.org/10.1016/j.awe.2026.100120

01 引言

大跨度斜拉桥是现代交通基础设施体系中的关键结构形式。斜拉索所受的风致作用力，在桥梁整体风荷载中占据重要比例。同时，斜拉索自身具有低阻尼、低质量、高柔性的结构特点，在风荷载作用下极易发生各类风致振动，对桥梁的结构安全与长期耐久性构成显著威胁。本文系统梳理了斜拉索气动力特性、风致振动响应及相关振动控制措施的研究现状，对该领域未来的研究方向进行了展望。

02 文章概述

2.1 研究方法

针对斜拉索气动特性及风致振动特性，相关研究主要采用现场实测、风洞试验和数值模拟三种方法。现场实测在实际工程环境中获取风场与结构响应数据，是认识振动特征和验证模型的重要依据；风洞试验通过缩尺模型分析气动力及振动响应，是研究振动机理和评估控制措施的主要试验手段；数值模拟则用于分析复杂流场结构及流固耦合过程，能够直观展示流场特征，以进一步揭示涡激振动等现象的产生机理及发展规律。三种方法相互补充，共同支撑了斜拉索气动特性和风致振动问题的研究。

2.2 气动特性

斜拉索的气动力特性是风致振动的内在根源，其核心规律与雷诺数、表面状态紧密相关。光滑斜拉索的气动力呈现极强的雷诺数依赖性（图1），在亚临界、临界、超临界雷诺数区间，流场状态发生剧变，阻力系数骤降、升力系数剧烈波动，成为结构大幅振动的核心诱因。同时，斜拉索长期服役中因污染、老化、损伤导致的表面粗糙度变化，以及制造安装带来的微椭圆截面缺陷，都会显著改变气动力特性，进一步加剧风致振动风险。

图 1 斜拉索的平均及脉动气动力系数

根据作用机理的不同，斜拉索的风致振动主要可分为风雨激振、涡激振动、干索驰振及尾流驰振，文中对这四类振动形式均展开了详细论述。

2.3 控制措施

气动措施作为振动控制措施中的一种，主要通过改变斜拉索的气动外形来实现减阻抑振。由于其制作和维护成本低，有较高的经济效益而被广泛应用。缠绕螺旋线能够有效破坏水线的形成并削弱旋涡脱落的展向相关性，是抑制雨风激振和涡激振动的有效手段，但参数配置不当可能会有诱发干索驰振的风险。受仙人掌外形启发，在拉索表面设置合适参数的凹槽，能在低雷诺数区间显著降低气动阻力并实现对斜拉索风致振动的有效控制（图3）。纵向肋条可抑制水线和水膜的形成来抑制风雨激振，也可改变来流分离点，使边界层转捩提前，从而抑制涡振；相比于通长安装方式，采用间断交错安装的纵向肋条，能更有效的降低涡振振幅，缩小风速的锁定区间。受海豹胡须启发设计的波浪形表面以及扭曲椭圆截面外形，可重塑尾流的三维结构，有效抑制卡门涡周期性脱落，大幅降低脉动升力，有效抑制涡振。在拉索上加装套环一方面可以阻断水线抑制风雨激振，也能在尾流中诱导三维V型分离泡，延长涡旋形成区，在实现减阻的同时破坏涡脱的规律性，实现对涡振的有效抑制。另外，行波壁、平行板、流线型网罩、多孔介质涂层、主被动吹吸气装置、涡发生器等措施，同样可以对斜拉索涡激振动和尾流致振动等实现有效控制。

图 2 斜拉索振动控制的部分气动措施

图 3 凹槽斜拉索的流场特性

结构措施（辅助索）通过横向索构件将多根斜拉索连接形成索网体系，减振效果优异且已广泛应用于多国桥梁工程（如美国弗雷德・哈特曼大桥，图4）；早期研究聚焦于揭示其减振机理、构建分析模型，从依赖工程经验到引入复模态分析方法形成完整分析框架并向精细化发展，后续学者通过模型试验与参数化分析明确了辅助索刚度、布设位置等核心参数的影响，研发新型材料辅助索并区分了刚性与柔性辅助索体系的差异，为工程设计提供依据；目前辅助索与阻尼器结合的混合控制策略成为研究热点（图5），相关研究验证了其可行性并完善了动力特性分析。

图 4 弗雷德·哈特曼大桥典型索网体系布置图

图 5 索网-阻尼器系统模型

现阶段阻尼减振技术已在国内外大量斜拉桥工程中落地应用，代表性实桥案例包含杨浦大桥、洞庭湖大桥等，均通过批量加装阻尼装置实现了振动病害的有效缓解。图6汇总展示了当前工程常用减振阻尼器的现场布设形式、实物构造、对应的力学分析理论模型以及应用效果。围绕阻尼器布设高度优化、参数匹配设计、多阻尼协同增效、新型高耗能阻尼材料研发等方向，已开展大量风洞试验、数值仿真与实桥监测研究，持续完善阻尼减振的理论与应用。

图 6 常用阻尼器、理论模型及应用效果

03 结论

本文系统回顾和总结了大跨斜拉桥斜拉索的气动性能及其振动控制措施的研究进展。主要内容如下：

（1）对斜拉索气动性能的研究方法进行了系统描述，包括现场测量、风洞试验和数值模拟。分析了每种方法的特点、适用性以及最新发展；

（2）对斜拉索的气动特性（特别是光滑拉索体的雷诺数效应）以及表面状况对气动特性的影响机制和效果进行了全面综述；

（3）综述了主要风致振的作用机制和特征，以及三种抑制技术的作用原理和应用效果。基于对现有研究成果的全面吸收和整合，斜拉索的抗风设计和抑制技术已形成了一个相对系统的框架，并已在众多工程实践中得到成功应用。

持续的研究使斜拉索抗风成为一个富有成果且活跃的领域，但它们仍面临诸多挑战。未来的研究工作应特别关注：

（1）研究斜拉索在全尺寸雷诺数范围内的气动力特性、风致振动响应和振动控制性能，涵盖亚临界、临界、超临界和更高雷诺数区域。

（2）探索利用气动和机械措施的联合振动控制，并优化联合控制方案以提高振动控制效果。

（3）研究斜拉索在三维复杂风场下的气动力特性，并评估各种控制措施的实际控制效果。

（4）考虑到在整个使用周期内斜拉索表面状况的不断变化，基于对气动力和风致振动特性的评估，制定了有效的控制措施。

（5）引入人工智能技术，以实现斜拉索振动控制策略的智能决策、精确调节和高效运行。

·文章作者介绍·

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刘庆宽，工学博士，教授，博导，石家庄铁道大学土木学院风工程研究中心主任，河北省风工程和风能利用工程技术创新中心主任。现任河北省政协常委、省科协常委，先后荣获国家“百千万人才工程”国家级人选、有突出贡献中青年专家、国务院政府特殊津贴专家、教育部“新世纪优秀人才”，全国五一劳动奖章等荣誉称号。

刘庆宽教授长期从事风工程研究，方向涵盖大跨度桥梁的风致振动和控制、建筑结构的风荷载、风致振动和优化，新能源结构（光伏/风电）抗风，大跨度空间结构和道路的风吹雪和防护、运动空气动力学等。主持国家自然科学基金等省部级以上项目17项，带领团队完成350余项重大工程抗风专项研究，包括北京冬奥会防风网等标志性项目。获河北省科技进步一等奖3项（主持2项，参与1项）、二等奖2项（参与）。发表SCI/EI论文212篇，授权发明专利53件；在国内外学术会议作特邀报告46次；担任Advances in Wind Engineering、《振动与冲击》等期刊编委。

他潜心科研、深耕教学，坚守立德树人使命，培育大批专业人才，已指导毕业博士6名、硕士59名，多人获省/校级优秀学位论文；毕业生广泛进入上海交大、同济、浙大等高校深造或赴央企就业，成长为行业骨干。