混凝土预制板拼装技术在大型气动声学风洞建设中的应用

郄方，黄文，刘睿，周焕红

（中航工程集成设备有限公司，北京 102206）

0 引言

风洞工程中风洞的洞体结构主要为钢结构洞体和混凝土洞体。设计气动声学风洞时，出于满足声学指标和提高隔声量方面的考虑，如果按普通的风洞设计方式采用钢结构设计洞体，还必须为钢制洞体额外增加隔声措施以保证隔声量，降低其噪声对环境的影响。因此，在世界范围内建设大型低速气动声学风洞时基本都采用混凝土洞体。

混凝土结构洞体按照混凝土结构施工方式可分为现场浇筑混凝土结构和预制装配式混凝土结构[1]。目前建成的混凝土结构风洞大多是采用现浇混凝土制成的。20世纪70年代，美国在设计建设混凝土洞体的大型低速风洞过程中，首先提出了预制块和钢骨架拼装的洞体设计方案。20世纪80年代，德国与荷兰共同建设的DNW-LLF气动声学风洞采用的风洞洞体施工方案是先预制混凝土板等结构构件，然后在现场拼装，取得了巨大的成功[2]。

预制装配式混凝土结构具有以下优点：1）洞体内表面平整度高、截面尺寸精度高、尺寸公差小；2）混凝土质量高，内表面质量稳定，壁面光滑、抗磨；3）混凝土板在工厂或现场预制，交叉作业少、施工速度快、工程建设周期短，有利于冬季施工。

世界范围内建成的大型预制装配式混凝土风洞的案例并不太多，主要典型代表为DNW-LLF气动声学风洞。国内在21世纪也建设了一批预制装配式混凝土风洞，如哈尔滨中国空气动力研究院的4 m量级动态风洞和8 m量级气动声学风洞，如图1所示。目前正在建设的有哈尔滨气动院2 m量级气动声学风洞和北京航空航天大学4 m量级气动声学风洞。

图1 4 m量级动态风洞和8 m量级气动声学风洞

尽管世界范围内已建成了数座预制装配式混凝土风洞，但是关于混凝土预制板装配技术在大型低速风洞建设中应用的相关文献和资料仍然较少。国外相关文献主要是德国的M. Seidel[3]的DNW-LLF风洞的设计建设报告，报告中描述了DNW-LLF风洞洞体结构的设计与建造过程。国内的操礼林等[4-5]研究了风洞洞体预制板拼装节点的力学特性，并给出了相关的力学试验结果，这一研究成果也在8 m量级气动声学风洞的结构设计中得到了直接的应用。曹江[6]研究了装配式混凝土风洞施工关键技术。

近年来随着已建成的预制装配式混凝土风洞逐渐投入使用并形成试验能力，大型低速风洞建设中的混凝土预制板拼装技术也有了长足的发展与进步。本文在国内外预制装配式混凝土结构设计和建设经验的基础上，对预制装配式混凝土风洞结构中的关键技术进行了总结与分析。

1 预制装配式混凝土结构风洞结构设计关键技术分析

1.1 预制装配式混凝土结构风洞洞体组成

预制装配式混凝土结构风洞洞体主要包括稳定段（蜂窝器和阻尼网）、第一扩散段、第一拐角段、第一过渡段（内含防护网）、第二拐角段、第二扩散段、换热段、第三拐角段、第二过渡段和第四拐角段等，如图2所示。

图2 预制装配式混凝土风洞洞体效果图

1.2 预制板的分块及设计

按照部段逐步划分混凝土板，混凝土板单板尺寸（长×宽）一般不大于6000 mm×3000 mm，如图3所示。

图3 洞体预制板分块图

每块混凝土板设置一个吊点，吊点距混凝土板端面1000～1500 mm（约1/4板长）。混凝土板吊点由于需要承载气动载荷、活载荷、风载及自重等载荷，因此在板两侧预埋400 mm×400 mm×20 mm的钢板，两块钢板间用9根直径16 mm的钢筋焊接，混凝土板的配筋在穿过吊点时不能截断，以保证板的受力。

1.3 预制板的结构性能检验

进行混凝土板安装前，需要对板进行结构性能检验。在对板进行检验前，可先通过理论或有限元计算分析出板承受的最大载荷，再进行结构性能检验（验证性试验）。试验加载按照GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》[7]的规定进行。结构性能检验加载形式按图4进行，图中L1为混凝土板的长度，长度不大于7 m；两支点间距不大于板的长度，且不超过6 m，支点距板端距离约为L1/3～L1/4。试验主要检测混凝土板试件的承载力、发生的位移和控制界面的应变分布能否满足设计要求。此外，试验过程中还应对试件裂缝的发展进行观测记录。

图4 预制板结构性能检验加载形式

1.4 预制板的安装

在设计预制板时，需要充分考虑现场的安装方式，一般采用吊装在钢环梁上的方式进行安装。预制板通过固定连接或滑动连接的形式与钢环梁连接。对于钢环梁的四边，每边的中心位置处需设置一个固定连接点，其余为滑动连接点，使混凝土板能沿钢环梁轴向滑移。

固定连接主要是通过固定转接座来实现的。为了避免螺栓承受过大的剪切力，在固定转接座底部焊接一段工字钢，并在安装时埋于混凝土板内。滑动连接主要是通过滑动转接座本身结构的设计来实现，转接座在钢环梁轴向方向留有滑动的裕量。转接座与混凝土板连接为螺栓连接，在调整好安装精度后，转接座与混凝土板间用混凝土二次浇筑固定，预留的浇筑缝为20～40 mm，一般可预留30 mm。图5为预制板与钢环梁间固定连接与滑动连接形式示意图。

图5 预制板与钢环梁连接方法

1.5 预制板的连接

预制板吊装在钢环梁上后需要进行对板连接，连接缝主要分为纵缝（沿风洞气流方向）和环缝（风洞洞体断面方向）。

在设计纵缝时，为了释放温差应力，纵缝为挠性连接设计。每块板设置两个纵缝连接点，接点采用焊接方式加固，即在预制板的侧边每隔一定的距离用混凝土浇固一块薄钢板，薄钢板通过钢条纵向焊接彼此连接起来。混凝土板纵缝宽度为20 mm，考虑相邻预制板必须能够进行铰接转动，且保证密封不漏气，内表面需选用专门研制的密封橡胶条方式进行密封，外表面涂抹专用的耐候胶。图6为混凝土纵向缝连接方式。

图6 混凝土纵向缝连接方式

由于洞体轴向为主承力方向，故环缝的设计按预制板等强度准则设计，即将预制好的混凝土板横向连接起来，并在孔中心处用混凝土浇固一根圆棒，采用图7所示的结构形式传递拉力和弯矩。

图7 混凝土环向缝连接方式

1.6 钢环梁与土建基础的连接

钢环梁与土建基础之间采用桥梁支座连接，桥梁支座分为单向滑移支座和多向（水平向）滑移支座。在洞体结构中，在稳定段和一扩段的钢环梁底部设置单向滑移桥梁支座，滑移方向为洞体轴向，以保证试验段能与风洞轴向对直。其余部位为多向滑移桥梁支座。图8为钢环梁与混凝土板及基础的连接示意图。

图8 钢环梁与混凝土板及基础的连接

1.7 混凝土洞体与钢结构洞体间的连接

混凝土结构洞体和钢结构洞体之间采用钢法兰螺栓连接方式。具体连接方式为：混凝土洞体侧每块预制板上预留槽钢，槽钢前端与法兰板之间进行焊接。为保证法兰连接可控，在两法兰间可预留调节缝，安装时根据现场实际的距离添加对应厚度的调节块，连接形式如图9所示。

图9 混凝土洞体部段与钢结构洞体部段连接示意图

钢结构洞体部段与混凝土墙体之间的连接方式为：在混凝土墙体靠近连接点的一侧预埋钢板，再用工字钢搭成直角三角支撑桁架，在支撑桁架前端焊接连接板。同时，在被连接的钢结构段上设置一圈环肋，并焊接连接座，连接座与三角支撑桁架通过螺栓连接，如图10所示。

图10 混凝土洞体与钢结构洞体连接示意图

2 预制装配式混凝土结构风洞的结构有限元计算分析

预制装配式混凝土结构风洞在初步结构设计完成后需要进行结构有限元分析，分析洞体受力和变形情况。以某大型气动声学风洞为例计算分析，洞体结构按抗震等级为8级进行强度设计，设计基本地震加速度为0.2g，地震设计分组为第一组，场地类别为Ⅱ级。环境温度为-20～40 ℃，结构安装时温度为20 ℃。雪载按百年一遇考虑，取0.45 kPa；风载按百年一遇考虑，取0.5 kPa。风洞运行最高速度为100 m/s。

2.1 模型处理

由于洞体尺寸较大，洞体主体结构采用壳体模型计算。约束边界：在洞体收缩段入口、第一扩散段入口、动力段前过渡段、动力段、动力段后过渡段等5处设置固定支座，其余钢结构部段为支腿式支座，混凝土部段为钢环梁支撑结构。图11 为混凝土洞体模型有限元网格。

图11 洞体模型有限元网格

洞体回流道主体材料为混凝土材料，收缩段、动力段、一扩前段为钢结构。主体材料属性如表1所示。

表1 材料属性设置

2.2 载荷条件

考虑风洞洞体在极端严寒气候下长时间工作，载荷条件为：自身结构载荷（重力荷载），风荷载，雪荷载，气动荷载，环境极限温度为-20 ℃，洞体极限温度为50 ℃。

2.3 计算结果

钢环梁在低温的情况下会产生收缩，而洞体内壁面在高温下会产生膨胀，高低温间会有热传递和热辐射。滑动支座使洞体可以在未约束自由度的方向释放温度应力，洞体自由变形。

洞体形变计算结果如图12～图15所示，从计算结果来看，洞体最大变形量为19.918 mm，混凝土板最大变形量为19.918 mm，处于二扩下底面位置，钢环梁最大变形量19.565 mm，处于三拐处。混凝土板第三四拐和二扩局部区域最大变形量稍大于0.1%跨度，但小于0.2%跨度，现场可采用预变形法进行安装，以保证混凝土型面尺寸精度。

图12 洞体最大变形量

图13 X方向洞体最大变形量

图14 Y方向洞体最大变形量

图15 Z方向最大变形量

除第三四拐角段、二扩局部区域之外，其余部段的变形量都相对较小，说明结构自身的刚度比较高，可以满足设计要求。

洞体Mises等效应力分析结果如图16～图19所示。从分析结果来看，洞体内壁高温膨胀、钢环梁低温收缩，由于固定支座为非对称分布，使洞体两侧的膨胀量出现差异，应变的不均衡导致温度应力产生。滑移支座可释放温度应力，因此该部分力主要集中于固定支座部分。

图16 洞体Mises等效应力

图17 换热段底面中间滑动支座位置Mises等效应力

图18 混凝土板Mises等效应力

图19 钢环梁Mises等效应力

洞体结构应力最大的部位是动力段后过渡段墙体固定支座结构处，最大应力约 为 474.98 MPa。该处结构为钢结构与混凝土墙连接位置，墙体采用了较为刚性的连接，在此处存在应力集中，应剔除应力集中处的值。同时第一拐角段钢环梁下部直角焊接处也存在应力集中，同样需要剔除。在剔除应力集中处的应力值后，钢结构最大应力为160 MPa，小于181 MPa，结构设计满足强度要求。

2.4 结果分析及改进措施

从分析计算结果来看，洞体最大变形主要位于第三四拐角段上表面和第二扩散段上下表面，变形量为支撑跨距的0.095%～0.180‰，不超过0.2%跨度。在剔除应力集中处的应力值后，钢结构最大应力为160 MPa，小于181 MPa，满足结构设计强度要求。

采取的改进措施有：1）为协调洞体变形，现场可采用预变性法进行安装，以保证混凝土型面的尺寸精度。通过分析，将变形较大位置增加一向上的15 mm预变形处理；2）洞体发生最大变形处需要增加钢环梁高度，洞体超出许用应力位置加筋板；3）换热器段外侧底板两个支座受力较大，应选用经过加强处理的支座。

3 结语

随着国内一大批先进风洞的设计与建设，预制装配式混凝土风洞结构设计方法取得了很大的进展。本文总结了预制装配式混凝土风洞设计与建设中采用的混凝土预制板拼装技术，分析了混凝土预制板拼装技术的设计要点和设计流程，并结合结构有限元分析方法对某大型低速风洞结构设计进行了验证分析，结果表明运用混凝土预制板拼装技术进行洞体结构设计完全能够满足洞体结构强度与变形的要求。

随着社会对环保要求的逐渐提高，军、民用飞行器在气动噪声方面的指标越来越严；另一方面，地面交通工具对噪声舒适性方面也有着巨大的需求。气动声学风洞作为气动噪声研究的主要试验平台，有着广泛的应用基础。混凝土预制板拼装技术作为先进的混凝土结构风洞建造方法必将在气动声学风洞的建设中有着更为广阔的应用前景。