减振控制新技术：柔性薄膜助大桥“抗风”
近期，湖南大学及合作团队学者徐浩瑜等人在《Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics》（风工程与工业空气动力学）期刊上发表了一项重要研究，题为《Design and aerodynamic mechanism of flexible membranes for mitigating vortex-induced vibration of a long-span bridge》（用于抑制大跨度桥梁涡激振动的柔性薄膜设计与气动机理研究）。该研究提出并验证了一种新型、低成本、可快速部署的桥梁涡激振动紧急抑制方案——柔性薄膜，并深入揭示了其背后的气流控制机制。
涡激振动是一种常见于大跨度桥梁的风致振动现象，虽不直接导致结构倒塌，但持续的振动会引发构件疲劳、影响行车舒适与安全，并造成重大社会经济损失。传统减振措施如安装导流板、阻尼器等，往往设计施工周期长，难以应对桥梁突发振动后的快速处置需求。为此，研究团队聚焦于一种灵感来源于“风中旗帜”的解决方案——柔性薄膜。相比传统刚性气动措施，柔性薄膜具有成本低廉、安装便捷、可快速部署的巨大优势，非常适合作为桥梁突发涡激振动时的紧急临时抑制措施。
该研究以一座近期发生过显著涡激振动的460米主跨斜拉桥为工程背景。团队首先通过1:25节段模型风洞试验，复现了大桥在实际低阻尼条件下的涡激振动。随后，系统探究了柔性薄膜的安装位置、几何宽度、材料类型和展向间距四大设计参数对其减振性能的影响。经过优化，确定的最佳方案为：将分段式柔性薄膜安装在桥梁风嘴下方（流分离点附近），宽度取为梁高的0.83倍，采用聚四氟乙烯材料，并以0.24倍模型长度的间距沿展向间隔布置。此配置在“无车”和“交通拥堵”两种极端工况下，均能完全抑制桥梁主梁的大幅值涡激振动，表现出优异的鲁棒性。
为了深入探究柔性薄膜抑制振动的气动机理，研究团队采用了流动可视化技术。在这一关键环节，航华SW02型流场可视化仪发挥了至关重要的作用。该设备通过在特定位置生成清晰的烟流迹线，并结合摄像记录，使研究人员能够直观捕捉到气流流经桥梁模型及柔性薄膜时的精细结构。对比试验发现：
原始主梁在特定风速下，尾流中会出现周期性交替脱落的大尺度旋涡，其频率与主梁固有频率相关，是触发涡激振动的关键。
加装柔性薄膜后，薄膜自身的拍打运动改变了底部流动分离点，并在尾流中注入了不稳定性。航华可视化系统清晰地显示，原本稳定的周期性涡脱落被打破，尾流呈现为湍流态与非稳态涡脱落的交替模式，同时薄膜的展向分段布置增强了三维尾流不稳定性。这两种机制共同作用，有效抑制了涡激共振的发生。
该研究证实，优化设计的柔性薄膜作为一种快速、经济的应急方案，在大跨度桥梁涡激振动抑制方面具有巨大潜力。它不仅为桥梁抗风应急提供了新思路，其揭示的“尾流失稳”与“三维涡干扰”机理也为后续气动措施设计提供了理论参考。该文作者徐浩瑜获航华奖学金。
论文信息：Haoyu Xu, Chaoqun Wang, Kun Yan, Libo Meng, Xugang Hua, Zhengqing Chen. Design and aerodynamic mechanism of flexible membranes for mitigating vortex-induced vibration of a long-span bridge. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 269 (2026) 106316. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2025.106316