大跨度空間結(jié)構(gòu)施工階段風(fēng)洞試驗大跨度空間結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代建筑工程的標(biāo)志性成果，以其獨特的美學(xué)價值和卓越的空間利用效率，在體育場館、會展中心、機場航站樓等大型公共建筑中得到廣泛應(yīng)用。然而，這類結(jié)構(gòu)在施工階段面臨著顯著的風(fēng)致安全風(fēng)險，其力學(xué)特性與完工狀態(tài)存在本質(zhì)差異。施工階段的結(jié)構(gòu)往往處于非完整體系，構(gòu)件連接尚未完全形成、臨時支撐尚未拆除、材料強度尚未達(dá)到設(shè)計值，導(dǎo)致其整體剛度較低、阻尼特性不穩(wěn)定，對風(fēng)荷載的敏感性遠(yuǎn)高于運營階段。因此，開展施工階段風(fēng)洞試驗研究，對于保障工程安全、優(yōu)化施工方案具有不可替代的重要意義。一、施工階段風(fēng)洞試驗的必要性與特殊性大跨度空間結(jié)構(gòu)在施工階段的風(fēng)致響應(yīng)問題，已成為工程界關(guān)注的焦點。其必要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：結(jié)構(gòu)體系的不完整性：施工過程是一個動態(tài)的、逐步成形的過程。在任何一個施工步，結(jié)構(gòu)都可能僅由部分主體構(gòu)件和大量臨時支撐組成，其整體剛度、質(zhì)量分布和動力特性與設(shè)計的最終狀態(tài)截然不同。例如，一個大型管桁架屋蓋在吊裝階段，可能僅安裝了部分桁架單元，通過臨時纜風(fēng)繩或支撐架維持穩(wěn)定，此時其抗風(fēng)能力極為脆弱。臨時支撐體系的復(fù)雜性：為保證施工安全，大跨度結(jié)構(gòu)通常依賴復(fù)雜的臨時支撐體系。這些支撐不僅承受結(jié)構(gòu)自重，還需抵御風(fēng)荷載的作用。支撐體系的布置方式、剛度分布、與主體結(jié)構(gòu)的連接方式等，都會顯著影響整個施工階段結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)。風(fēng)洞試驗可以有效評估不同支撐方案下的風(fēng)荷載效應(yīng)。風(fēng)致振動的敏感性：施工階段結(jié)構(gòu)的低剛度和低阻尼特性使其更容易發(fā)生風(fēng)致振動，如渦激振動、馳振、顫振等。特別是對于柔性較大的索膜結(jié)構(gòu)或長懸臂構(gòu)件，即使是中等強度的風(fēng)也可能引發(fā)過大的振動，導(dǎo)致構(gòu)件疲勞損傷、連接松動甚至整體失穩(wěn)。施工進(jìn)度與成本控制：風(fēng)洞試驗結(jié)果可以為施工方案的優(yōu)化提供依據(jù)。通過提前識別高風(fēng)險施工工況，工程人員可以合理安排施工順序、選擇合適的吊裝時機（避開大風(fēng)天氣）、優(yōu)化臨時支撐設(shè)計，從而有效避免因風(fēng)災(zāi)導(dǎo)致的工期延誤和經(jīng)濟損失。施工階段風(fēng)洞試驗與傳統(tǒng)的、針對完工狀態(tài)的風(fēng)洞試驗相比，具有顯著的特殊性：研究對象的動態(tài)性：試驗對象是“過程中的結(jié)構(gòu)”，需要針對不同的施工關(guān)鍵節(jié)點（如吊裝、合龍、支撐拆除等）分別建模和測試。邊界條件的復(fù)雜性：臨時支撐、施工機械（如塔吊、履帶吊）、甚至周圍尚未拆除的腳手架等，都會改變結(jié)構(gòu)周圍的流場，從而影響風(fēng)荷載的分布。響應(yīng)指標(biāo)的多樣性：除了關(guān)注結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力等傳統(tǒng)指標(biāo)外，還需特別關(guān)注臨時支撐的反力、構(gòu)件的振動加速度、連接節(jié)點的疲勞應(yīng)力等施工階段特有的風(fēng)險指標(biāo)。二、施工階段風(fēng)洞試驗的主要內(nèi)容與方法施工階段風(fēng)洞試驗是一個系統(tǒng)工程，其核心目標(biāo)是準(zhǔn)確獲取施工狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性和風(fēng)致響應(yīng)規(guī)律。主要內(nèi)容和方法包括：（一）試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與制作模型設(shè)計是風(fēng)洞試驗成功的基礎(chǔ)，其核心在于保證模型與原型結(jié)構(gòu)在幾何外形、動力特性（尤其是剛度和質(zhì)量分布）以及邊界條件上的相似性。幾何縮尺模型：縮尺比選擇：根據(jù)風(fēng)洞試驗段的尺寸和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇合適的縮尺比（通常在1:50到1:200之間）?？s尺比過小會導(dǎo)致模型細(xì)節(jié)難以精確制作，過大則可能超出風(fēng)洞的試驗?zāi)芰?。外形模擬：模型需精確復(fù)制原型結(jié)構(gòu)在特定施工階段的幾何外形，包括已安裝的主體構(gòu)件、臨時支撐、施工機械等。對于曲面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（如膜結(jié)構(gòu)），模型制作精度要求更高。材料選擇：模型材料需滿足強度、剛度和加工性能的要求。常用材料包括有機玻璃、ABS塑料、輕質(zhì)木材、碳纖維復(fù)合材料等。對于需要模擬質(zhì)量分布的模型，可能需要在內(nèi)部添加配重。氣動彈性模型（AeroelasticModel）：對于柔性較大、對風(fēng)致振動敏感的結(jié)構(gòu)，通常需要制作氣動彈性模型。這類模型不僅模擬幾何外形，還通過精心設(shè)計的彈性元件（如彈簧、橡膠桿）來模擬原型結(jié)構(gòu)的剛度分布和質(zhì)量分布，使其在風(fēng)洞中能夠產(chǎn)生與原型相似的動態(tài)響應(yīng)。氣動彈性模型的制作難度和成本較高，但能更真實地反映結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的振動行為，是研究施工階段風(fēng)致振動問題的關(guān)鍵手段。（二）風(fēng)場模擬準(zhǔn)確模擬自然風(fēng)場是風(fēng)洞試驗結(jié)果可靠的前提。根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的地理環(huán)境（如城市中心、開闊地帶、山區(qū)等），風(fēng)洞試驗需要模擬相應(yīng)的大氣邊界層風(fēng)場特性。平均風(fēng)速剖面：模擬大氣邊界層內(nèi)風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律，通常用冪指數(shù)律或?qū)?shù)律來描述。湍流強度剖面：模擬不同高度處的湍流強度分布，反映風(fēng)的脈動特性。湍流積分尺度：模擬湍流渦旋的大小，影響結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。風(fēng)攻角：考慮風(fēng)從不同方向（0°到360°）和不同垂直角度（攻角）作用于結(jié)構(gòu)的情況，以確定最不利的風(fēng)荷載方向。風(fēng)洞實驗室通常配備專門的被動模擬裝置（如尖劈、粗糙元、擋板）或主動控制裝置來生成符合要求的大氣邊界層風(fēng)場。（三）風(fēng)荷載測量風(fēng)荷載測量是風(fēng)洞試驗的核心環(huán)節(jié)，旨在獲取作用于模型上的氣動力。高頻底座天平（HFFB）技術(shù)：將整個模型固定在一個高精度的六分量（三個力和三個力矩）天平上。天平能夠?qū)崟r測量模型在風(fēng)作用下受到的總氣動力和力矩。該方法適用于評估結(jié)構(gòu)的整體風(fēng)荷載效應(yīng)，如基底剪力、傾覆力矩等，常用于方案階段的快速評估。局限性：無法直接測量結(jié)構(gòu)表面的局部風(fēng)壓分布，對于復(fù)雜體型或需要詳細(xì)了解局部風(fēng)荷載的情況，需結(jié)合其他方法。同步測壓技術(shù)（SPM）：在模型表面布置大量的測壓孔，通過壓力掃描閥同步測量每個測壓孔處的風(fēng)壓時程。該方法能夠獲得結(jié)構(gòu)表面詳細(xì)的風(fēng)壓分布數(shù)據(jù)，包括平均風(fēng)壓系數(shù)、脈動風(fēng)壓系數(shù)、峰值風(fēng)壓系數(shù)等。結(jié)合模型的幾何信息，可以積分得到作用于結(jié)構(gòu)不同部位的氣動力，為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部設(shè)計和強度驗算提供直接依據(jù)。氣動彈性模型測振技術(shù)：對于氣動彈性模型，通過在模型關(guān)鍵部位布置加速度傳感器或位移傳感器，測量其在風(fēng)作用下的振動響應(yīng)時程。分析這些響應(yīng)數(shù)據(jù)，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型以及風(fēng)致振動的位移、加速度幅值等關(guān)鍵參數(shù)，評估其振動舒適度和安全性。（四）試驗工況設(shè)計為全面評估施工階段的風(fēng)致風(fēng)險，試驗需要設(shè)計多種工況進(jìn)行測試：不同施工階段工況：針對結(jié)構(gòu)從開始施工到最終完工的幾個關(guān)鍵狀態(tài)（如：初始吊裝單元、部分合攏、支撐拆除前、支撐拆除后等）分別建模測試。不同風(fēng)向角工況：通常選取0°、45°、90°、135°等多個典型風(fēng)向角進(jìn)行測試，以找出對結(jié)構(gòu)最不利的來流方向。不同風(fēng)攻角工況：對于具有復(fù)雜曲面或傾斜屋面的結(jié)構(gòu)，需要考慮風(fēng)從不同垂直角度（如0°、+5°、-5°）入射的情況。有無臨時支撐對比工況：通過對比有無臨時支撐時的風(fēng)致響應(yīng)，可以評估臨時支撐的有效性和必要性。有無施工機械干擾工況：評估塔吊、施工電梯等大型機械對主體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響。三、試驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析風(fēng)洞試驗獲得的原始數(shù)據(jù)（如壓力時程、加速度時程）需要經(jīng)過專業(yè)的處理和分析，才能轉(zhuǎn)化為對工程設(shè)計和施工有指導(dǎo)意義的信息。（一）數(shù)據(jù)預(yù)處理濾波與去噪：原始信號中可能包含高頻噪聲，需要通過數(shù)字濾波技術(shù)去除，以獲得真實的風(fēng)壓或振動信號。零點校正與漂移修正：對傳感器的零點漂移進(jìn)行校正，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同步性檢查：對于多通道同步測量的數(shù)據(jù)，需檢查各通道間的時間同步性。（二）風(fēng)荷載特性分析平均風(fēng)荷載分析：計算模型表面各測壓點的平均風(fēng)壓系數(shù)，繪制平均風(fēng)壓系數(shù)分布圖。分析平均風(fēng)荷載的分布規(guī)律，識別風(fēng)吸力或風(fēng)壓力較大的區(qū)域，如屋蓋邊緣、角部、懸挑部分等。脈動風(fēng)荷載分析：計算脈動風(fēng)壓系數(shù)及其均方根，分析風(fēng)荷載的脈動強度和頻率特性。通過功率譜密度（PSD）分析，研究脈動風(fēng)的能量分布，識別對結(jié)構(gòu)振動有顯著貢獻(xiàn)的頻率成分。計算風(fēng)壓系數(shù)的相干函數(shù)，分析不同位置處風(fēng)壓脈動的相關(guān)性，這對于結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動響應(yīng)分析至關(guān)重要。峰值風(fēng)荷載分析：采用概率統(tǒng)計方法（如峰值因子法、超越概率法）從脈動風(fēng)壓時程中提取峰值風(fēng)壓系數(shù)。峰值風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度設(shè)計的關(guān)鍵依據(jù)，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全儲備。（三）風(fēng)致響應(yīng)分析靜態(tài)響應(yīng)分析：將測量得到的平均風(fēng)荷載施加到結(jié)構(gòu)有限元模型上，計算結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力（軸力、彎矩、剪力）分布。評估結(jié)構(gòu)在平均風(fēng)作用下的變形是否在允許范圍內(nèi)，構(gòu)件強度是否滿足要求。動態(tài)響應(yīng)分析：頻域分析：結(jié)合結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)（固有頻率、振型、阻尼比）和脈動風(fēng)荷載的功率譜密度，采用隨機振動理論（如CQC法）計算結(jié)構(gòu)的均方根響應(yīng)（位移、加速度）。時域分析：將測量得到的風(fēng)壓時程或氣動力時程作為荷載輸入，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動力時程分析，得到結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的動態(tài)響應(yīng)過程。動態(tài)響應(yīng)分析的重點是評估結(jié)構(gòu)的振動加速度是否超過舒適度限值，以及是否存在發(fā)生共振或其他有害振動的可能性。臨時支撐體系分析：單獨提取作用于臨時支撐上的風(fēng)荷載，分析支撐的內(nèi)力分布和穩(wěn)定性。評估支撐體系在最不利風(fēng)荷載作用下的安全系數(shù)，確保其能夠可靠地傳遞荷載。（四）試驗結(jié)果的工程應(yīng)用風(fēng)洞試驗的最終目的是服務(wù)于工程實踐。試驗結(jié)果主要用于：優(yōu)化施工方案：根據(jù)不同施工階段的風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)分析結(jié)果，確定最安全的施工順序和吊裝時機。指導(dǎo)臨時支撐設(shè)計：為臨時支撐的布置、截面選擇和連接設(shè)計提供依據(jù)，確保支撐體系的強度和剛度滿足抗風(fēng)要求。結(jié)構(gòu)安全驗算：將試驗獲得的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)輸入到結(jié)構(gòu)有限元分析模型中，進(jìn)行詳細(xì)的施工階段結(jié)構(gòu)安全驗算。制定應(yīng)急預(yù)案：根據(jù)試驗識別出的高風(fēng)險工況，制定相應(yīng)的防風(fēng)應(yīng)急預(yù)案，如大風(fēng)天氣下的停工措施、臨時加固方案等。四、施工階段風(fēng)洞試驗的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢盡管施工階段風(fēng)洞試驗技術(shù)已日趨成熟，但在工程實踐中仍面臨一些關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)：多施工階段模型的快速切換：對于大型復(fù)雜工程，可能需要數(shù)十個甚至上百個施工階段模型，如何高效、經(jīng)濟地制作和更換模型是一個挑戰(zhàn)。模塊化、參數(shù)化的模型設(shè)計與快速成型技術(shù)（如3D打印）是未來的發(fā)展方向。施工機械與臨時設(shè)施的風(fēng)干擾效應(yīng)：施工現(xiàn)場的塔吊、施工電梯、腳手架等設(shè)施會顯著改變結(jié)構(gòu)周圍的流場，但其幾何形狀復(fù)雜，精確模擬難度大。如何簡化這些干擾物的模型，同時保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要深入研究。非定常風(fēng)荷載的準(zhǔn)確模擬：對于某些特殊風(fēng)環(huán)境（如峽谷風(fēng)、臺風(fēng)）或結(jié)構(gòu)（如旋轉(zhuǎn)施工的結(jié)構(gòu)），風(fēng)荷載具有明顯的非定常特性，傳統(tǒng)的定常風(fēng)洞試驗方法可能難以準(zhǔn)確模擬。發(fā)展非定常風(fēng)場模擬技術(shù)和相應(yīng)的測試方法是重要的研究課題。風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬的深度融合：計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展迅速，但其精度和可靠性仍需風(fēng)洞試驗驗證。未來的趨勢是將風(fēng)洞試驗與CFD模擬相結(jié)合，優(yōu)勢互補。例如，利用風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)驗證CFD模型，再利用驗證后的CFD模型進(jìn)行更廣泛的參數(shù)化分析和優(yōu)化設(shè)計。人工智能（AI）技術(shù)的應(yīng)用：AI技術(shù)在數(shù)據(jù)處理、模型預(yù)測、風(fēng)險評估等方面展現(xiàn)出巨大潛力。未來可能利用機器學(xué)習(xí)算法對海量的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，建立風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的智能預(yù)測模型，或開發(fā)基于AI的實時風(fēng)致響應(yīng)預(yù)警系統(tǒng)。五、典型工程案例分析以某大型國際機場航站樓為例，其屋蓋采用了大跨度鋼結(jié)構(gòu)，造型獨特，施工難度極大。在施工階段，工程團(tuán)隊針對關(guān)鍵施工節(jié)點開展了風(fēng)洞試驗研究：試驗階段：重點對屋蓋鋼結(jié)構(gòu)在“分段吊裝”、“整體合龍”、“支撐塔架拆除前”、“支撐塔架拆除后”四個關(guān)鍵施工階段進(jìn)行了模型設(shè)計和測試。試驗發(fā)現(xiàn)：在“支撐塔架拆除前”工況下，由于部分區(qū)域已形成較大的懸挑，在特定風(fēng)向角下，屋蓋邊緣出現(xiàn)了較大的負(fù)風(fēng)壓（吸力），導(dǎo)致懸挑端產(chǎn)生較大的上拔力，對臨時支撐的抗拔性能提出了很高要求。同時，在“支撐塔架拆除后”工況下，結(jié)構(gòu)的整體剛度顯著降低，其第一階固有頻率接近了脈動風(fēng)的主要能量區(qū)，存在發(fā)生共振的風(fēng)險。工程應(yīng)對措施：針對懸挑端的上拔力問題，優(yōu)化了臨時支撐的錨固設(shè)計，增加了抗拔樁的數(shù)量和深度。針對潛在的共振風(fēng)險，在屋蓋關(guān)鍵部位增設(shè)了**TMD（調(diào)諧質(zhì)量阻尼器）**等被動減振裝置，以提高結(jié)構(gòu)阻尼，抑制振動響應(yīng)。根據(jù)風(fēng)洞試驗確定的最不利風(fēng)向角，調(diào)整了鋼結(jié)構(gòu)合龍的施工順序，并制定了嚴(yán)格的大風(fēng)天氣應(yīng)急預(yù)案。通過這些基于風(fēng)洞試驗結(jié)果的針對性措施，該航站樓工程順利度過了風(fēng)風(fēng)險最高的施工階段，確保了工程的安全與進(jìn)度。六、結(jié)論與展望施工階段風(fēng)洞試驗是保障大跨度空間結(jié)構(gòu)施工安全的關(guān)鍵技術(shù)手段。它能夠科學(xué)、準(zhǔn)確地評估施工過程中結(jié)構(gòu)的風(fēng)致風(fēng)險，為優(yōu)