柔性支架風(fēng)洞試驗(yàn)是通過模擬真實(shí)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，研究柔性支架結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)、穩(wěn)定性及風(fēng)振特性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、抗風(fēng)性能評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)手段。

隨著光伏電站向漁塘、山地、高速公路邊坡等復(fù)雜地形延伸，傳統(tǒng)的剛性支架因立柱密集、成本高昂而受限；而柔性支架以其大跨度、少立柱、高凈空的優(yōu)勢(shì)成為新寵。然而，這種結(jié)構(gòu)“剛度低、阻尼小、質(zhì)量輕”，是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)——必須在風(fēng)洞中經(jīng)歷千百次“臺(tái)風(fēng)模擬”，才能證明自己扛得住大自然的狂暴。

柔性支架風(fēng)洞試驗(yàn)是一種用于評(píng)估柔性結(jié)構(gòu)（如光伏柔性支架、索膜結(jié)構(gòu)、輕型張拉體系等）在風(fēng)荷載作用下的氣動(dòng)性能、穩(wěn)定性及動(dòng)力響應(yīng)的重要實(shí)驗(yàn)手段。這類結(jié)構(gòu)因自重輕、剛度低、對(duì)風(fēng)敏感，常規(guī)靜力設(shè)計(jì)方法往往不適用，需通過風(fēng)洞試驗(yàn)獲取更精確的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。

什么是柔性支架？

柔性支架通常指

?光伏柔性支架系統(tǒng)：由鋼索（主索、穩(wěn)定索）、立柱、連接件組成，用于大跨度（30~80 m）光伏組件支撐；

?其他柔性結(jié)構(gòu)：如張拉膜、索網(wǎng)幕墻、懸索橋模型等。

其特點(diǎn)

?剛度低、易變形；

?存在幾何非線性（大位移、大轉(zhuǎn)角）；

?易發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)（如渦激振動(dòng)、馳振、顫振）；

?風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)變形強(qiáng)耦合（氣彈效應(yīng)顯著）。

為什么要做柔性支架風(fēng)洞試驗(yàn)？

PART.1

柔性支架：“魚與熊掌”的艱難平衡

柔性光伏支架以預(yù)應(yīng)力鋼絞線代替?zhèn)鹘y(tǒng)檁條，東西向采用兩根預(yù)應(yīng)力鋼絞線承重，南北向使用排間柔性穩(wěn)定抗風(fēng)系統(tǒng)，形成空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)顯而易見：

大跨度：跨度可達(dá)30-100米，立柱數(shù)量銳減，大幅降低基礎(chǔ)成本；

高凈空：下方可進(jìn)行漁業(yè)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植，實(shí)現(xiàn)“一地兩用”；

地形適應(yīng)性強(qiáng)：輕松跨越溝壑、坡地，無需大量土方平整。

但硬幣的另一面是：跨度越大，剛度越低；質(zhì)量越輕，風(fēng)致振動(dòng)越敏感。在臺(tái)風(fēng)環(huán)境下，柔性支架可能發(fā)生三類危險(xiǎn)：

- 渦激共振：風(fēng)在一定速度下引發(fā)周期性渦脫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)持續(xù)振動(dòng)

- 顫振失穩(wěn)：風(fēng)速超過臨界值時(shí)，振動(dòng)發(fā)散、振幅急劇增大

- 馳振：氣動(dòng)力負(fù)阻尼導(dǎo)致振幅不斷增加直至破壞

2. 風(fēng)洞試驗(yàn)：唯一可靠的“體檢”手段

PART.2

風(fēng)洞試驗(yàn)：唯一可靠的“體檢”手段

對(duì)于柔性支架這類大跨度柔性結(jié)構(gòu)，其風(fēng)致響應(yīng)可能涉及流固耦合（風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用），純數(shù)值模擬難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因此，風(fēng)洞試驗(yàn)是抗風(fēng)設(shè)計(jì)的核心驗(yàn)證手段。

試驗(yàn)?zāi)康?/strong>

1. 風(fēng)荷載特性研究：獲取柔性支架表面風(fēng)壓分布、風(fēng)振系數(shù)（風(fēng)荷載放大系數(shù)）等關(guān)鍵參數(shù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的風(fēng)荷載取值提供依據(jù)。

2. 動(dòng)力響應(yīng)分析：研究結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)速、風(fēng)向、地形條件下的振動(dòng)模態(tài)、位移、應(yīng)力等動(dòng)力響應(yīng)，評(píng)估結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性。

3. 干擾效應(yīng)與優(yōu)化：分析柔性支架陣列（如光伏支架）中組件間的氣動(dòng)干擾（如尾流效應(yīng)、顫振風(fēng)險(xiǎn)），優(yōu)化支架布置、索力配置及抑振措施。

4. 驗(yàn)證設(shè)計(jì)可靠性：通過風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，確保實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)路線

柔性支架風(fēng)洞試驗(yàn)主要有兩種模式，對(duì)應(yīng)不同的研究目的：

1剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)——摸清“風(fēng)怎么吹”

目的：測(cè)量風(fēng)壓分布，確定最不利風(fēng)向角，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供荷載依據(jù)。

方法：制作縮尺剛性模型，表面布置數(shù)百個(gè)測(cè)壓孔，在多風(fēng)向角下測(cè)量風(fēng)壓系數(shù)。

2氣彈模型試驗(yàn)——驗(yàn)證“結(jié)構(gòu)怎么抖”

目的：模擬結(jié)構(gòu)與風(fēng)的耦合振動(dòng)，驗(yàn)證抗風(fēng)穩(wěn)定性，這是柔性支架風(fēng)洞試驗(yàn)的核心技術(shù)環(huán)節(jié)。

原理：根據(jù)相似準(zhǔn)則制作縮尺氣彈模型——不僅要外形相似，還要模擬質(zhì)量分布、剛度、阻尼等動(dòng)力特性。模型在風(fēng)洞中承受模擬的真實(shí)風(fēng)場(chǎng)，通過高頻激光位移傳感器測(cè)量振動(dòng)位移，分析風(fēng)振系數(shù)、最大位移和臨界顫振風(fēng)速。

3節(jié)段/專題模型試驗(yàn)

針對(duì)局部構(gòu)件（如光伏板、單跨索）進(jìn)行的專項(xiàng)測(cè)試，用于研究顫振、渦激振動(dòng)等特定現(xiàn)象。

4光伏組件風(fēng)洞試驗(yàn)

依據(jù)T/CPIA 0079—2024等標(biāo)準(zhǔn)，在特定風(fēng)速和傾角的風(fēng)洞環(huán)境中，測(cè)試光伏組件本身的結(jié)構(gòu)完整性、電氣性能和功率衰減。

柔性支架風(fēng)洞試驗(yàn)所需設(shè)備01風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)

?測(cè)試段：封閉或開口式，尺寸需滿足模型比例與雷諾數(shù)相似性要求。

?收縮段、穩(wěn)定段、擴(kuò)散段：確保進(jìn)入測(cè)試段的氣流均勻、穩(wěn)定。

?低速風(fēng)洞：柔性光伏支架一般適用于低速風(fēng)（<50 m/s），因此常用低速直流或回流式風(fēng)洞。

02動(dòng)力系統(tǒng)

?風(fēng)扇或壓氣機(jī)：提供所需風(fēng)速（例如一道新能試驗(yàn)中達(dá)到46 m/s）。

?變頻控制系統(tǒng)：精確調(diào)節(jié)風(fēng)速以模擬不同工況。

03模型系統(tǒng)

?剛性模型：用于測(cè)量平均風(fēng)荷載（體型系數(shù)）。

?氣彈模型：用于研究風(fēng)致振動(dòng)、氣動(dòng)阻尼、臨界風(fēng)速等動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

?支撐與定位裝置：確保模型在測(cè)試段中的位置、傾角、間距比等參數(shù)可調(diào)且固定可靠。

04測(cè)力與傳感系統(tǒng)

?六分量天平：測(cè)量模型所受的氣動(dòng)力和力矩。

?應(yīng)變片/光纖傳感器：布置于拉索或結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，用于監(jiān)測(cè)索軸力變化。

?加速度計(jì)/位移傳感器：用于記錄結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。

?壓力傳感器陣列：獲取組件表面風(fēng)壓分布。

05數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

?高速數(shù)據(jù)采集卡：同步采集多通道傳感器信號(hào)。

?信號(hào)調(diào)理設(shè)備：濾波、放大等預(yù)處理。

?分析軟件：如 MATLAB、ANSYS、Dewesoft 等，用于時(shí)頻分析（如 EWT、VMD + RDT 方法識(shí)別氣動(dòng)阻尼）。

06校準(zhǔn)與輔助設(shè)備

?天平校準(zhǔn)系統(tǒng)：確保測(cè)力精度（如六分量天平靜校）。

?風(fēng)速校準(zhǔn)裝置：如皮托管、熱線風(fēng)速儀，用于標(biāo)定風(fēng)場(chǎng)均勻性和湍流度。

?溫濕度與大氣壓力監(jiān)測(cè)儀：用于修正空氣密度等參數(shù)。

柔性支架風(fēng)洞試驗(yàn)的具體步驟

一前期準(zhǔn)備01明確試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

?靜力目標(biāo)：獲取體型系數(shù)（風(fēng)荷載體型系數(shù)、局部風(fēng)壓分布。

?動(dòng)力目標(biāo)：識(shí)別風(fēng)致振動(dòng)特性（頻率、振型）、氣動(dòng)阻尼、臨界風(fēng)速、風(fēng)振系數(shù)等。

02確定原型參數(shù)

?支架幾何尺寸（跨度、高度、傾角、組件排布等）

?材料屬性（拉索剛度、組件質(zhì)量、連接方式）

?安裝環(huán)境（地面粗糙度類別、基本風(fēng)速）

03選擇風(fēng)洞類型與尺寸

?一般采用低速邊界層風(fēng)洞，測(cè)試段尺寸需滿足模型縮尺比（通常 1:20 ~ 1:50）和雷諾數(shù)相似性要求。

二模型設(shè)計(jì)與制作01剛性模型（用于靜力試驗(yàn)）

?按幾何相似比縮尺制作，材料常用有機(jī)玻璃、鋁合金等。

?表面布置測(cè)壓孔或粘貼壓力傳感器。

?安裝于六分量天平上，測(cè)量整體風(fēng)荷載。

02氣彈模型（用于動(dòng)力試驗(yàn)）

?同時(shí)滿足幾何、質(zhì)量、剛度三重相似。

?使用輕質(zhì)高強(qiáng)材料（如碳纖維桿、細(xì)鋼絲模擬拉索）。

?關(guān)鍵部位布置應(yīng)變片、加速度計(jì)、位移傳感器。

?可采用多自由度或全模態(tài)模擬。

注：因柔性支架以索結(jié)構(gòu)為主，氣彈模型制作難度較高，常需進(jìn)行相似律推導(dǎo)和參數(shù)等效。

三風(fēng)場(chǎng)模擬與校準(zhǔn)01模擬目標(biāo)地貌風(fēng)剖面

?根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009）設(shè)置不同地面粗糙度（A~D類）。

?通過尖劈、粗糙元、擋板等裝置生成符合標(biāo)準(zhǔn)的平均風(fēng)速剖面和湍流強(qiáng)度剖面。

02風(fēng)場(chǎng)校準(zhǔn)

?使用熱線風(fēng)速儀或超聲風(fēng)速儀測(cè)量測(cè)試段風(fēng)速、湍流度、積分尺度。

?確保風(fēng)場(chǎng)均勻區(qū)滿足模型尺寸要求（通常 ≥ 0.8 倍測(cè)試段截面）。

四模型安裝與調(diào)試

?將模型牢固安裝在轉(zhuǎn)盤或固定支架上，可調(diào)節(jié)風(fēng)向角（通常 0°~360°，步長(zhǎng) 15° 或 30°）。

?連接所有傳感器至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)和信號(hào)測(cè)試。

?檢查電纜、支撐干擾是否影響流場(chǎng)。

五試驗(yàn)執(zhí)行A靜力風(fēng)荷載試驗(yàn)（剛性模型）

1. 固定風(fēng)向角，逐步增加風(fēng)速（如 5 m/s、10 m/s、…、30 m/s）。

2. 記錄每個(gè)風(fēng)速下六分量天平輸出（阻力、升力、扭矩等）。

3. 計(jì)算體型系數(shù)。

B動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)（氣彈模型）

1. 在不同風(fēng)速下（從低到高，直至出現(xiàn)大幅振動(dòng)）記錄：

?加速度時(shí)程

?索力變化（通過應(yīng)變換算）

?位移響應(yīng)（激光位移計(jì)或高速攝像）

2. 識(shí)別模態(tài)參數(shù)（頻率、阻尼比）：

?采用隨機(jī)減量法（RDT）、頻譜分析、EWT/VMD 時(shí)頻分析等。

3. 判斷是否發(fā)生馳振、渦激共振、抖振等氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象。

4. 確定臨界風(fēng)速和風(fēng)振系數(shù)。

六數(shù)據(jù)處理與分析

?對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波、去噪、FFT 變換。

?繪制風(fēng)壓分布云圖、荷載-風(fēng)速曲線、頻譜圖、阻尼比-風(fēng)速關(guān)系圖。

?與規(guī)范值（如 GB 50009、IEC 61215）對(duì)比，評(píng)估安全性。

七報(bào)告編制與工程建議

?提供體型系數(shù)表、風(fēng)振系數(shù)建議值、極限抗風(fēng)能力（如“可抵御 46 m/s 風(fēng)速”）。

?提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議（如增加阻尼器、調(diào)整索預(yù)張力、改變組件間距）。

?為后續(xù)有限元風(fēng)荷載加載和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容與參數(shù)01風(fēng)振系數(shù)與氣動(dòng)阻尼

- 風(fēng)振系數(shù)（β）：表征風(fēng)荷載隨機(jī)性對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的放大作用，通過風(fēng)洞試驗(yàn)直接測(cè)量或基于功率譜密度計(jì)算。研究表明，柔性支架的氣動(dòng)阻尼不可忽略，且背風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)通常大于正風(fēng)向。

- 影響因素：風(fēng)速（負(fù)相關(guān)）、拉索索力（負(fù)相關(guān)）、地面粗糙度（正相關(guān)）。

02陣列干擾效應(yīng)

- 柔性支架陣列（如光伏支架）中，后排組件受前排尾流影響，易發(fā)生尾流致振（低風(fēng)速8~15m/s時(shí)，第2、3排組件風(fēng)險(xiǎn)較高）；高風(fēng)速下可能發(fā)生顫振，且顫振臨界風(fēng)速與風(fēng)向角相關(guān)（如0°、135°、180°風(fēng)向角下臨界風(fēng)速分別為18.0、22.5、16.2m/s）。

03抗風(fēng)性能評(píng)估

- 通過靜風(fēng)荷載測(cè)試（應(yīng)力應(yīng)變分布）和動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試（振動(dòng)模態(tài)、共振頻率），評(píng)估結(jié)構(gòu)在極端工況下的變形、破壞機(jī)制及安全系數(shù)。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與參考

?《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009 — 風(fēng)荷載基本規(guī)定

?《光伏發(fā)電站支架技術(shù)要求》NB/T 10167 — 明確柔性支架需風(fēng)洞試驗(yàn)

?《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 257

?ASCE 7、Eurocode EN 1991-1-4（國(guó)際參考）

產(chǎn)品試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

- T/CPIA 0079—2024：《柔性支架應(yīng)用場(chǎng)景下光伏組件測(cè)試方法》，明確了組件的測(cè)試序列，其中風(fēng)洞試驗(yàn)為可選但重要的一環(huán)。

- T/CPIA 0047、NB/T 10115：涉及柔性支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)估方法。

風(fēng)工程方法標(biāo)準(zhǔn)

- JGJ/T 338—2014：《建筑工程風(fēng)洞試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，是風(fēng)洞試驗(yàn)流場(chǎng)模擬和數(shù)據(jù)處理的重要依據(jù)。

柔性支架風(fēng)洞試驗(yàn)通過模擬真實(shí)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，量化結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性、動(dòng)力響應(yīng)及穩(wěn)定性，是優(yōu)化設(shè)計(jì)、保障工程安全的核心手段。隨著新能源（如光伏、風(fēng)電）對(duì)柔性支架需求的增長(zhǎng)，結(jié)合氣彈模型、多參數(shù)耦合測(cè)試及數(shù)值仿真（如有限元驗(yàn)證）的風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。