郄方，黃文，劉睿，周煥紅

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京 102206）

0 引言

風(fēng)洞工程中風(fēng)洞的洞體結(jié)構(gòu)主要為鋼結(jié)構(gòu)洞體和混凝土洞體。設(shè)計氣動聲學(xué)風(fēng)洞時，出于滿足聲學(xué)指標(biāo)和提高隔聲量方面的考慮，如果按普通的風(fēng)洞設(shè)計方式采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計洞體，還必須為鋼制洞體額外增加隔聲措施以保證隔聲量，降低其噪聲對環(huán)境的影響。因此，在世界范圍內(nèi)建設(shè)大型低速氣動聲學(xué)風(fēng)洞時基本都采用混凝土洞體。

混凝土結(jié)構(gòu)洞體按照混凝土結(jié)構(gòu)施工方式可分為現(xiàn)場澆筑混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)[1]。目前建成的混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)洞大多是采用現(xiàn)澆混凝土制成的。20世紀(jì)70年代，美國在設(shè)計建設(shè)混凝土洞體的大型低速風(fēng)洞過程中，首先提出了預(yù)制塊和鋼骨架拼裝的洞體設(shè)計方案。20世紀(jì)80年代，德國與荷蘭共同建設(shè)的DNW-LLF氣動聲學(xué)風(fēng)洞采用的風(fēng)洞洞體施工方案是先預(yù)制混凝土板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，然后在現(xiàn)場拼裝，取得了巨大的成功[2]。

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：1）洞體內(nèi)表面平整度高、截面尺寸精度高、尺寸公差小；2）混凝土質(zhì)量高，內(nèi)表面質(zhì)量穩(wěn)定，壁面光滑、抗磨；3）混凝土板在工廠或現(xiàn)場預(yù)制，交叉作業(yè)少、施工速度快、工程建設(shè)周期短，有利于冬季施工。

世界范圍內(nèi)建成的大型預(yù)制裝配式混凝土風(fēng)洞的案例并不太多，主要典型代表為DNW-LLF氣動聲學(xué)風(fēng)洞。國內(nèi)在21世紀(jì)也建設(shè)了一批預(yù)制裝配式混凝土風(fēng)洞，如哈爾濱中國空氣動力研究院的4 m量級動態(tài)風(fēng)洞和8 m量級氣動聲學(xué)風(fēng)洞，如圖1所示。目前正在建設(shè)的有哈爾濱氣動院2 m量級氣動聲學(xué)風(fēng)洞和北京航空航天大學(xué)4 m量級氣動聲學(xué)風(fēng)洞。

圖1 4 m量級動態(tài)風(fēng)洞和8 m量級氣動聲學(xué)風(fēng)洞

盡管世界范圍內(nèi)已建成了數(shù)座預(yù)制裝配式混凝土風(fēng)洞，但是關(guān)于混凝土預(yù)制板裝配技術(shù)在大型低速風(fēng)洞建設(shè)中應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)和資料仍然較少。國外相關(guān)文獻(xiàn)主要是德國的M. Seidel[3]的DNW-LLF風(fēng)洞的設(shè)計建設(shè)報告，報告中描述了DNW-LLF風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與建造過程。國內(nèi)的操禮林等[4-5]研究了風(fēng)洞洞體預(yù)制板拼裝節(jié)點的力學(xué)特性，并給出了相關(guān)的力學(xué)試驗結(jié)果，這一研究成果也在8 m量級氣動聲學(xué)風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了直接的應(yīng)用。曹江[6]研究了裝配式混凝土風(fēng)洞施工關(guān)鍵技術(shù)。

近年來隨著已建成的預(yù)制裝配式混凝土風(fēng)洞逐漸投入使用并形成試驗?zāi)芰?，大型低速風(fēng)洞建設(shè)中的混凝土預(yù)制板拼裝技術(shù)也有了長足的發(fā)展與進(jìn)步。本文在國內(nèi)外預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對預(yù)制裝配式混凝土風(fēng)洞結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與分析。

1 預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)洞洞體組成

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)洞洞體主要包括穩(wěn)定段（蜂窩器和阻尼網(wǎng)）、第一擴(kuò)散段、第一拐角段、第一過渡段（內(nèi)含防護(hù)網(wǎng)）、第二拐角段、第二擴(kuò)散段、換熱段、第三拐角段、第二過渡段和第四拐角段等，如圖2所示。

圖2 預(yù)制裝配式混凝土風(fēng)洞洞體效果圖

1.2 預(yù)制板的分塊及設(shè)計

按照部段逐步劃分混凝土板，混凝土板單板尺寸（長×寬）一般不大于6000 mm×3000 mm，如圖3所示。

圖3 洞體預(yù)制板分塊圖

每塊混凝土板設(shè)置一個吊點，吊點距混凝土板端面1000～1500 mm（約1/4板長）?；炷涟宓觞c由于需要承載氣動載荷、活載荷、風(fēng)載及自重等載荷，因此在板兩側(cè)預(yù)埋400 mm×400 mm×20 mm的鋼板，兩塊鋼板間用9根直徑16 mm的鋼筋焊接，混凝土板的配筋在穿過吊點時不能截斷，以保證板的受力。

1.3 預(yù)制板的結(jié)構(gòu)性能檢驗

進(jìn)行混凝土板安裝前，需要對板進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能檢驗。在對板進(jìn)行檢驗前，可先通過理論或有限元計算分析出板承受的最大載荷，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能檢驗（驗證性試驗）。試驗加載按照GB/T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]的規(guī)定進(jìn)行。結(jié)構(gòu)性能檢驗加載形式按圖4進(jìn)行，圖中L1為混凝土板的長度，長度不大于7 m；兩支點間距不大于板的長度，且不超過6 m，支點距板端距離約為L1/3～L1/4。試驗主要檢測混凝土板試件的承載力、發(fā)生的位移和控制界面的應(yīng)變分布能否滿足設(shè)計要求。此外，試驗過程中還應(yīng)對試件裂縫的發(fā)展進(jìn)行觀測記錄。

圖4 預(yù)制板結(jié)構(gòu)性能檢驗加載形式

1.4 預(yù)制板的安裝

在設(shè)計預(yù)制板時，需要充分考慮現(xiàn)場的安裝方式，一般采用吊裝在鋼環(huán)梁上的方式進(jìn)行安裝。預(yù)制板通過固定連接或滑動連接的形式與鋼環(huán)梁連接。對于鋼環(huán)梁的四邊，每邊的中心位置處需設(shè)置一個固定連接點，其余為滑動連接點，使混凝土板能沿鋼環(huán)梁軸向滑移。

固定連接主要是通過固定轉(zhuǎn)接座來實現(xiàn)的。為了避免螺栓承受過大的剪切力，在固定轉(zhuǎn)接座底部焊接一段工字鋼，并在安裝時埋于混凝土板內(nèi)?；瑒舆B接主要是通過滑動轉(zhuǎn)接座本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)接座在鋼環(huán)梁軸向方向留有滑動的裕量。轉(zhuǎn)接座與混凝土板連接為螺栓連接，在調(diào)整好安裝精度后，轉(zhuǎn)接座與混凝土板間用混凝土二次澆筑固定，預(yù)留的澆筑縫為20～40 mm，一般可預(yù)留30 mm。圖5為預(yù)制板與鋼環(huán)梁間固定連接與滑動連接形式示意圖。

圖5 預(yù)制板與鋼環(huán)梁連接方法

1.5 預(yù)制板的連接

預(yù)制板吊裝在鋼環(huán)梁上后需要進(jìn)行對板連接，連接縫主要分為縱縫（沿風(fēng)洞氣流方向）和環(huán)縫（風(fēng)洞洞體斷面方向）。

在設(shè)計縱縫時，為了釋放溫差應(yīng)力，縱縫為撓性連接設(shè)計。每塊板設(shè)置兩個縱縫連接點，接點采用焊接方式加固，即在預(yù)制板的側(cè)邊每隔一定的距離用混凝土澆固一塊薄鋼板，薄鋼板通過鋼條縱向焊接彼此連接起來。混凝土板縱縫寬度為20 mm，考慮相鄰預(yù)制板必須能夠進(jìn)行鉸接轉(zhuǎn)動，且保證密封不漏氣，內(nèi)表面需選用專門研制的密封橡膠條方式進(jìn)行密封，外表面涂抹專用的耐候膠。圖6為混凝土縱向縫連接方式。

圖6 混凝土縱向縫連接方式

由于洞體軸向為主承力方向，故環(huán)縫的設(shè)計按預(yù)制板等強度準(zhǔn)則設(shè)計，即將預(yù)制好的混凝土板橫向連接起來，并在孔中心處用混凝土澆固一根圓棒，采用圖7所示的結(jié)構(gòu)形式傳遞拉力和彎矩。

圖7 混凝土環(huán)向縫連接方式

1.6 鋼環(huán)梁與土建基礎(chǔ)的連接

鋼環(huán)梁與土建基礎(chǔ)之間采用橋梁支座連接，橋梁支座分為單向滑移支座和多向（水平向）滑移支座。在洞體結(jié)構(gòu)中，在穩(wěn)定段和一擴(kuò)段的鋼環(huán)梁底部設(shè)置單向滑移橋梁支座，滑移方向為洞體軸向，以保證試驗段能與風(fēng)洞軸向?qū)χ?。其余部位為多向滑移橋梁支座。圖8為鋼環(huán)梁與混凝土板及基礎(chǔ)的連接示意圖。

圖8 鋼環(huán)梁與混凝土板及基礎(chǔ)的連接

1.7 混凝土洞體與鋼結(jié)構(gòu)洞體間的連接

混凝土結(jié)構(gòu)洞體和鋼結(jié)構(gòu)洞體之間采用鋼法蘭螺栓連接方式。具體連接方式為：混凝土洞體側(cè)每塊預(yù)制板上預(yù)留槽鋼，槽鋼前端與法蘭板之間進(jìn)行焊接。為保證法蘭連接可控，在兩法蘭間可預(yù)留調(diào)節(jié)縫，安裝時根據(jù)現(xiàn)場實際的距離添加對應(yīng)厚度的調(diào)節(jié)塊，連接形式如圖9所示。

圖9 混凝土洞體部段與鋼結(jié)構(gòu)洞體部段連接示意圖

鋼結(jié)構(gòu)洞體部段與混凝土墻體之間的連接方式為：在混凝土墻體靠近連接點的一側(cè)預(yù)埋鋼板，再用工字鋼搭成直角三角支撐桁架，在支撐桁架前端焊接連接板。同時，在被連接的鋼結(jié)構(gòu)段上設(shè)置一圈環(huán)肋，并焊接連接座，連接座與三角支撐桁架通過螺栓連接，如圖10所示。

圖10 混凝土洞體與鋼結(jié)構(gòu)洞體連接示意圖

2 預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)有限元計算分析

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)洞在初步結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，分析洞體受力和變形情況。以某大型氣動聲學(xué)風(fēng)洞為例計算分析，洞體結(jié)構(gòu)按抗震等級為8級進(jìn)行強度設(shè)計，設(shè)計基本地震加速度為0.2g，地震設(shè)計分組為第一組，場地類別為Ⅱ級。環(huán)境溫度為-20～40 ℃，結(jié)構(gòu)安裝時溫度為20 ℃。雪載按百年一遇考慮，取0.45 kPa；風(fēng)載按百年一遇考慮，取0.5 kPa。風(fēng)洞運行最高速度為100 m/s。

2.1 模型處理

由于洞體尺寸較大，洞體主體結(jié)構(gòu)采用殼體模型計算。約束邊界：在洞體收縮段入口、第一擴(kuò)散段入口、動力段前過渡段、動力段、動力段后過渡段等5處設(shè)置固定支座，其余鋼結(jié)構(gòu)部段為支腿式支座，混凝土部段為鋼環(huán)梁支撐結(jié)構(gòu)。圖11 為混凝土洞體模型有限元網(wǎng)格。

圖11 洞體模型有限元網(wǎng)格

洞體回流道主體材料為混凝土材料，收縮段、動力段、一擴(kuò)前段為鋼結(jié)構(gòu)。主體材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性設(shè)置

2.2 載荷條件

考慮風(fēng)洞洞體在極端嚴(yán)寒氣候下長時間工作，載荷條件為：自身結(jié)構(gòu)載荷（重力荷載），風(fēng)荷載，雪荷載，氣動荷載，環(huán)境極限溫度為-20 ℃，洞體極限溫度為50 ℃。

2.3 計算結(jié)果

鋼環(huán)梁在低溫的情況下會產(chǎn)生收縮，而洞體內(nèi)壁面在高溫下會產(chǎn)生膨脹，高低溫間會有熱傳遞和熱輻射?；瑒又ё苟大w可以在未約束自由度的方向釋放溫度應(yīng)力，洞體自由變形。

洞體形變計算結(jié)果如圖12～圖15所示，從計算結(jié)果來看，洞體最大變形量為19.918 mm，混凝土板最大變形量為19.918 mm，處于二擴(kuò)下底面位置，鋼環(huán)梁最大變形量19.565 mm，處于三拐處?；炷涟宓谌墓蘸投U(kuò)局部區(qū)域最大變形量稍大于0.1%跨度，但小于0.2%跨度，現(xiàn)場可采用預(yù)變形法進(jìn)行安裝，以保證混凝土型面尺寸精度。

圖12 洞體最大變形量

圖13 X方向洞體最大變形量

圖14 Y方向洞體最大變形量

圖15 Z方向最大變形量

除第三四拐角段、二擴(kuò)局部區(qū)域之外，其余部段的變形量都相對較小，說明結(jié)構(gòu)自身的剛度比較高，可以滿足設(shè)計要求。

洞體Mises等效應(yīng)力分析結(jié)果如圖16～圖19所示。從分析結(jié)果來看，洞體內(nèi)壁高溫膨脹、鋼環(huán)梁低溫收縮，由于固定支座為非對稱分布，使洞體兩側(cè)的膨脹量出現(xiàn)差異，應(yīng)變的不均衡導(dǎo)致溫度應(yīng)力產(chǎn)生?；浦ё舍尫艤囟葢?yīng)力，因此該部分力主要集中于固定支座部分。

圖16 洞體Mises等效應(yīng)力

圖17 換熱段底面中間滑動支座位置Mises等效應(yīng)力

圖18 混凝土板Mises等效應(yīng)力

圖19 鋼環(huán)梁Mises等效應(yīng)力

洞體結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大的部位是動力段后過渡段墻體固定支座結(jié)構(gòu)處，最大應(yīng)力約 為 474.98 MPa。該處結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)與混凝土墻連接位置，墻體采用了較為剛性的連接，在此處存在應(yīng)力集中，應(yīng)剔除應(yīng)力集中處的值。同時第一拐角段鋼環(huán)梁下部直角焊接處也存在應(yīng)力集中，同樣需要剔除。在剔除應(yīng)力集中處的應(yīng)力值后，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為160 MPa，小于181 MPa，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強度要求。

2.4 結(jié)果分析及改進(jìn)措施

從分析計算結(jié)果來看，洞體最大變形主要位于第三四拐角段上表面和第二擴(kuò)散段上下表面，變形量為支撐跨距的0.095%～0.180‰，不超過0.2%跨度。在剔除應(yīng)力集中處的應(yīng)力值后，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為160 MPa，小于181 MPa，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計強度要求。

采取的改進(jìn)措施有：1）為協(xié)調(diào)洞體變形，現(xiàn)場可采用預(yù)變性法進(jìn)行安裝，以保證混凝土型面的尺寸精度。通過分析，將變形較大位置增加一向上的15 mm預(yù)變形處理；2）洞體發(fā)生最大變形處需要增加鋼環(huán)梁高度，洞體超出許用應(yīng)力位置加筋板；3）換熱器段外側(cè)底板兩個支座受力較大，應(yīng)選用經(jīng)過加強處理的支座。

3 結(jié)語

隨著國內(nèi)一大批先進(jìn)風(fēng)洞的設(shè)計與建設(shè)，預(yù)制裝配式混凝土風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計方法取得了很大的進(jìn)展。本文總結(jié)了預(yù)制裝配式混凝土風(fēng)洞設(shè)計與建設(shè)中采用的混凝土預(yù)制板拼裝技術(shù)，分析了混凝土預(yù)制板拼裝技術(shù)的設(shè)計要點和設(shè)計流程，并結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析方法對某大型低速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了驗證分析，結(jié)果表明運用混凝土預(yù)制板拼裝技術(shù)進(jìn)行洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計完全能夠滿足洞體結(jié)構(gòu)強度與變形的要求。

隨著社會對環(huán)保要求的逐漸提高，軍、民用飛行器在氣動噪聲方面的指標(biāo)越來越嚴(yán)；另一方面，地面交通工具對噪聲舒適性方面也有著巨大的需求。氣動聲學(xué)風(fēng)洞作為氣動噪聲研究的主要試驗平臺，有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。混凝土預(yù)制板拼裝技術(shù)作為先進(jìn)的混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)洞建造方法必將在氣動聲學(xué)風(fēng)洞的建設(shè)中有著更為廣闊的應(yīng)用前景。