大跨度空间结构施工阶段风洞试验

大跨度空间结构施工阶段风洞试验大跨度空间结构作为现代建筑工程的标志性成果，以其独特的美学价值和卓越的空间利用效率，在体育场馆、会展中心、机场航站楼等大型公共建筑中得到广泛应用。然而，这类结构在施工阶段面临着显著的风致安全风险，其力学特性与完工状态存在本质差异。施工阶段的结构往往处于非完整体系，构件连接尚未完全形成、临时支撑尚未拆除、材料强度尚未达到设计值，导致其整体刚度较低、阻尼特性不稳定，对风荷载的敏感性远高于运营阶段。因此，开展施工阶段风洞试验研究，对于保障工程安全、优化施工方案具有不可替代的重要意义。一、施工阶段风洞试验的必要性与特殊性大跨度空间结构在施工阶段的风致响应问题，已成为工程界关注的焦点。其必要性主要体现在以下几个方面：结构体系的不完整性：施工过程是一个动态的、逐步成形的过程。在任何一个施工步，结构都可能仅由部分主体构件和大量临时支撑组成，其整体刚度、质量分布和动力特性与设计的最终状态截然不同。例如，一个大型管桁架屋盖在吊装阶段，可能仅安装了部分桁架单元，通过临时缆风绳或支撑架维持稳定，此时其抗风能力极为脆弱。临时支撑体系的复杂性：为保证施工安全，大跨度结构通常依赖复杂的临时支撑体系。这些支撑不仅承受结构自重，还需抵御风荷载的作用。支撑体系的布置方式、刚度分布、与主体结构的连接方式等，都会显著影响整个施工阶段结构的风致响应。风洞试验可以有效评估不同支撑方案下的风荷载效应。风致振动的敏感性：施工阶段结构的低刚度和低阻尼特性使其更容易发生风致振动，如涡激振动、驰振、颤振等。特别是对于柔性较大的索膜结构或长悬臂构件，即使是中等强度的风也可能引发过大的振动，导致构件疲劳损伤、连接松动甚至整体失稳。施工进度与成本控制：风洞试验结果可以为施工方案的优化提供依据。通过提前识别高风险施工工况，工程人员可以合理安排施工顺序、选择合适的吊装时机（避开大风天气）、优化临时支撑设计，从而有效避免因风灾导致的工期延误和经济损失。施工阶段风洞试验与传统的、针对完工状态的风洞试验相比，具有显著的特殊性：研究对象的动态性：试验对象是“过程中的结构”，需要针对不同的施工关键节点（如吊装、合龙、支撑拆除等）分别建模和测试。边界条件的复杂性：临时支撑、施工机械（如塔吊、履带吊）、甚至周围尚未拆除的脚手架等，都会改变结构周围的流场，从而影响风荷载的分布。响应指标的多样性：除了关注结构的位移、内力等传统指标外，还需特别关注临时支撑的反力、构件的振动加速度、连接节点的疲劳应力等施工阶段特有的风险指标。二、施工阶段风洞试验的主要内容与方法施工阶段风洞试验是一个系统工程，其核心目标是准确获取施工状态下结构的风荷载特性和风致响应规律。主要内容和方法包括：（一）试验模型设计与制作模型设计是风洞试验成功的基础，其核心在于保证模型与原型结构在几何外形、动力特性（尤其是刚度和质量分布）以及边界条件上的相似性。几何缩尺模型：缩尺比选择：根据风洞试验段的尺寸和结构的复杂程度，选择合适的缩尺比（通常在1:50到1:200之间）。缩尺比过小会导致模型细节难以精确制作，过大则可能超出风洞的试验能力。外形模拟：模型需精确复制原型结构在特定施工阶段的几何外形，包括已安装的主体构件、临时支撑、施工机械等。对于曲面复杂的结构（如膜结构），模型制作精度要求更高。材料选择：模型材料需满足强度、刚度和加工性能的要求。常用材料包括有机玻璃、ABS塑料、轻质木材、碳纤维复合材料等。对于需要模拟质量分布的模型，可能需要在内部添加配重。气动弹性模型（AeroelasticModel）：对于柔性较大、对风致振动敏感的结构，通常需要制作气动弹性模型。这类模型不仅模拟几何外形，还通过精心设计的弹性元件（如弹簧、橡胶杆）来模拟原型结构的刚度分布和质量分布，使其在风洞中能够产生与原型相似的动态响应。气动弹性模型的制作难度和成本较高，但能更真实地反映结构在风作用下的振动行为，是研究施工阶段风致振动问题的关键手段。（二）风场模拟准确模拟自然风场是风洞试验结果可靠的前提。根据结构所处的地理环境（如城市中心、开阔地带、山区等），风洞试验需要模拟相应的大气边界层风场特性。平均风速剖面：模拟大气边界层内风速随高度变化的规律，通常用幂指数律或对数律来描述。湍流强度剖面：模拟不同高度处的湍流强度分布，反映风的脉动特性。湍流积分尺度：模拟湍流涡旋的大小，影响结构的动力响应。风攻角：考虑风从不同方向（0°到360°）和不同垂直角度（攻角）作用于结构的情况，以确定最不利的风荷载方向。风洞实验室通常配备专门的被动模拟装置（如尖劈、粗糙元、挡板）或主动控制装置来生成符合要求的大气边界层风场。（三）风荷载测量风荷载测量是风洞试验的核心环节，旨在获取作用于模型上的气动力。高频底座天平（HFFB）技术：将整个模型固定在一个高精度的六分量（三个力和三个力矩）天平上。天平能够实时测量模型在风作用下受到的总气动力和力矩。该方法适用于评估结构的整体风荷载效应，如基底剪力、倾覆力矩等，常用于方案阶段的快速评估。局限性：无法直接测量结构表面的局部风压分布，对于复杂体型或需要详细了解局部风荷载的情况，需结合其他方法。同步测压技术（SPM）：在模型表面布置大量的测压孔，通过压力扫描阀同步测量每个测压孔处的风压时程。该方法能够获得结构表面详细的风压分布数据，包括平均风压系数、脉动风压系数、峰值风压系数等。结合模型的几何信息，可以积分得到作用于结构不同部位的气动力，为结构构件的局部设计和强度验算提供直接依据。气动弹性模型测振技术：对于气动弹性模型，通过在模型关键部位布置加速度传感器或位移传感器，测量其在风作用下的振动响应时程。分析这些响应数据，可以得到结构的固有频率、阻尼比、振型以及风致振动的位移、加速度幅值等关键参数，评估其振动舒适度和安全性。（四）试验工况设计为全面评估施工阶段的风致风险，试验需要设计多种工况进行测试：不同施工阶段工况：针对结构从开始施工到最终完工的几个关键状态（如：初始吊装单元、部分合拢、支撑拆除前、支撑拆除后等）分别建模测试。不同风向角工况：通常选取0°、45°、90°、135°等多个典型风向角进行测试，以找出对结构最不利的来流方向。不同风攻角工况：对于具有复杂曲面或倾斜屋面的结构，需要考虑风从不同垂直角度（如0°、+5°、-5°）入射的情况。有无临时支撑对比工况：通过对比有无临时支撑时的风致响应，可以评估临时支撑的有效性和必要性。有无施工机械干扰工况：评估塔吊、施工电梯等大型机械对主体结构风荷载的影响。三、试验数据处理与结果分析风洞试验获得的原始数据（如压力时程、加速度时程）需要经过专业的处理和分析，才能转化为对工程设计和施工有指导意义的信息。（一）数据预处理滤波与去噪：原始信号中可能包含高频噪声，需要通过数字滤波技术去除，以获得真实的风压或振动信号。零点校正与漂移修正：对传感器的零点漂移进行校正，确保测量数据的准确性。同步性检查：对于多通道同步测量的数据，需检查各通道间的时间同步性。（二）风荷载特性分析平均风荷载分析：计算模型表面各测压点的平均风压系数，绘制平均风压系数分布图。分析平均风荷载的分布规律，识别风吸力或风压力较大的区域，如屋盖边缘、角部、悬挑部分等。脉动风荷载分析：计算脉动风压系数及其均方根，分析风荷载的脉动强度和频率特性。通过功率谱密度（PSD）分析，研究脉动风的能量分布，识别对结构振动有显著贡献的频率成分。计算风压系数的相干函数，分析不同位置处风压脉动的相关性，这对于结构的风致振动响应分析至关重要。峰值风荷载分析：采用概率统计方法（如峰值因子法、超越概率法）从脉动风压时程中提取峰值风压系数。峰值风荷载是结构构件强度设计的关键依据，直接关系到结构的安全储备。（三）风致响应分析静态响应分析：将测量得到的平均风荷载施加到结构有限元模型上，计算结构的位移、内力（轴力、弯矩、剪力）分布。评估结构在平均风作用下的变形是否在允许范围内，构件强度是否满足要求。动态响应分析：频域分析：结合结构的模态参数（固有频率、振型、阻尼比）和脉动风荷载的功率谱密度，采用随机振动理论（如CQC法）计算结构的均方根响应（位移、加速度）。时域分析：将测量得到的风压时程或气动力时程作为荷载输入，进行结构的瞬态动力时程分析，得到结构在风作用下的动态响应过程。动态响应分析的重点是评估结构的振动加速度是否超过舒适度限值，以及是否存在发生共振或其他有害振动的可能性。临时支撑体系分析：单独提取作用于临时支撑上的风荷载，分析支撑的内力分布和稳定性。评估支撑体系在最不利风荷载作用下的安全系数，确保其能够可靠地传递荷载。（四）试验结果的工程应用风洞试验的最终目的是服务于工程实践。试验结果主要用于：优化施工方案：根据不同施工阶段的风荷载和风致响应分析结果，确定最安全的施工顺序和吊装时机。指导临时支撑设计：为临时支撑的布置、截面选择和连接设计提供依据，确保支撑体系的强度和刚度满足抗风要求。结构安全验算：将试验获得的风荷载数据输入到结构有限元分析模型中，进行详细的施工阶段结构安全验算。制定应急预案：根据试验识别出的高风险工况，制定相应的防风应急预案，如大风天气下的停工措施、临时加固方案等。四、施工阶段风洞试验的关键技术挑战与发展趋势尽管施工阶段风洞试验技术已日趋成熟，但在工程实践中仍面临一些关键技术挑战：多施工阶段模型的快速切换：对于大型复杂工程，可能需要数十个甚至上百个施工阶段模型，如何高效、经济地制作和更换模型是一个挑战。模块化、参数化的模型设计与快速成型技术（如3D打印）是未来的发展方向。施工机械与临时设施的风干扰效应：施工现场的塔吊、施工电梯、脚手架等设施会显著改变结构周围的流场，但其几何形状复杂，精确模拟难度大。如何简化这些干扰物的模型，同时保证试验结果的准确性，需要深入研究。非定常风荷载的准确模拟：对于某些特殊风环境（如峡谷风、台风）或结构（如旋转施工的结构），风荷载具有明显的非定常特性，传统的定常风洞试验方法可能难以准确模拟。发展非定常风场模拟技术和相应的测试方法是重要的研究课题。风洞试验与数值模拟的深度融合：计算流体动力学（CFD）数值模拟技术发展迅速，但其精度和可靠性仍需风洞试验验证。未来的趋势是将风洞试验与CFD模拟相结合，优势互补。例如，利用风洞试验数据验证CFD模型，再利用验证后的CFD模型进行更广泛的参数化分析和优化设计。人工智能（AI）技术的应用：AI技术在数据处理、模型预测、风险评估等方面展现出巨大潜力。未来可能利用机器学习算法对海量的风洞试验数据进行挖掘，建立风荷载与结构参数之间的智能预测模型，或开发基于AI的实时风致响应预警系统。五、典型工程案例分析以某大型国际机场航站楼为例，其屋盖采用了大跨度钢结构，造型独特，施工难度极大。在施工阶段，工程团队针对关键施工节点开展了风洞试验研究：试验阶段：重点对屋盖钢结构在“分段吊装”、“整体合龙”、“支撑塔架拆除前”、“支撑塔架拆除后”四个关键施工阶段进行了模型设计和测试。试验发现：在“支撑塔架拆除前”工况下，由于部分区域已形成较大的悬挑，在特定风向角下，屋盖边缘出现了较大的负风压（吸力），导致悬挑端产生较大的上拔力，对临时支撑的抗拔性能提出了很高要求。同时，在“支撑塔架拆除后”工况下，结构的整体刚度显著降低，其第一阶固有频率接近了脉动风的主要能量区，存在发生共振的风险。工程应对措施：针对悬挑端的上拔力问题，优化了临时支撑的锚固设计，增加了抗拔桩的数量和深度。针对潜在的共振风险，在屋盖关键部位增设了**TMD（调谐质量阻尼器）**等被动减振装置，以提高结构阻尼，抑制振动响应。根据风洞试验确定的最不利风向角，调整了钢结构合龙的施工顺序，并制定了严格的大风天气应急预案。通过这些基于风洞试验结果的针对性措施，该航站楼工程顺利度过了风风险最高的施工阶段，确保了工程的安全与进度。六、结论与展望施工阶段风洞试验是保障大跨度空间结构施工安全的关键技术手段。它能够科学、准确地评估施工过程中结构的风致风险，为优