柔性支架風(fēng)洞試驗是通過模擬真實風(fēng)場環(huán)境，研究柔性支架結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動力響應(yīng)、穩(wěn)定性及風(fēng)振特性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、抗風(fēng)性能評估提供科學(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)洞試驗是一種用于評估柔性結(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)荷載作用下的氣動性能、穩(wěn)定性及動力響應(yīng)的重要實驗手段。這類結(jié)構(gòu)因自重輕、剛度低、對風(fēng)敏感，常規(guī)靜力設(shè)計方法往往不適用，需通過風(fēng)洞試驗獲取更的風(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（如渦激振動、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？

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)計的優(yōu)勢顯而易見：

? 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)致振動越敏感。在臺風(fēng)環(huán)境下，柔性支架可能發(fā)生三類危險：

- 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

- 顫振失穩(wěn)：風(fēng)速過臨界值時，振動發(fā)散、振幅急劇增大

- 馳振：氣動力負(fù)阻尼導(dǎo)致振幅不斷增加直至破壞

2. 風(fēng)洞試驗：*可靠的“體檢”手段

對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。因此，風(fēng)洞試驗是抗風(fēng)設(shè)計的核心驗證手段。

試驗?zāi)康?/span>

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)計中的風(fēng)荷載取值提供依據(jù)。

2. 動力響應(yīng)分析：研究結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)速、風(fēng)向、地形條件下的振動模態(tài)、位移、應(yīng)力等動力響應(yīng)，評估結(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）中組件間的氣動干擾（如尾流效應(yīng)、顫振風(fēng)險），優(yōu)化支架布置、索力配置及抑振措施。

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

風(fēng)洞試驗的技術(shù)路線

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

1. 剛性模型測壓試驗——摸清“風(fēng)怎么吹”

? 目的：測量風(fēng)壓分布，確定*不利風(fēng)向角，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供荷載依據(jù)。

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

2. 氣彈模型試驗——驗證“結(jié)構(gòu)怎么抖”

? 目的：模擬結(jié)構(gòu)與風(fēng)的耦合振動，驗證抗風(fēng)穩(wěn)定性，這是柔性支架風(fēng)洞試驗的核心技術(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、阻尼等動力特性。模型在風(fēng)洞中承受模擬的真實風(fēng)場，通過高頻激光位移傳感器測量振動位移，分析風(fēng)振系數(shù)、*位移和臨界顫振風(fēng)速。

3. 節(jié)段/專題模型試驗

? 針對局部構(gòu)件（如光伏板、單跨索）進(jìn)行的專項測試，用于研究顫振、渦激振動等特定現(xiàn)象。

4. 光伏組件風(fēng)洞試驗

? 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)洞試驗所需設(shè)備

1. 風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)

?測試段：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。

2. 動力系統(tǒng)

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

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

3. 模型系統(tǒng)

?剛性模型：用于測量平均風(fēng)荷載（體型系數(shù)）。

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

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

4. 測力與傳感系統(tǒng)

?六分量天平：測量模型所受的氣動力和力矩。

?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)測索軸力變化。

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

?壓力傳感器陣列：獲取組件表面風(fēng)壓分布。

5. 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。

?信號調(diào)理設(shè)備：濾波、放大等預(yù)處理。

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

6. 校準(zhǔn)與輔助設(shè)備

?天平校準(zhǔn)系統(tǒng)：確保測力精度（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，用于風(fēng)場均勻性和湍流度。

?溫濕度與大氣壓力監(jiān)測儀：用于修正空氣密度等參數(shù)。

柔性支架風(fēng)洞試驗的具體步驟

一、前期準(zhǔn)備

1. 明確試驗?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。

?動力目標(biāo)：識別風(fēng)致振動特性（頻率、振型）、氣動阻尼、臨界風(fēng)速、風(fēng)振系數(shù)等。

2. 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）

3. 選擇風(fēng)洞類型與尺寸

?一般采用低速邊界層風(fēng)洞，測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)計與制作

1. 剛性模型（用于靜力試驗）

?按幾何相似比縮尺制作，材料常用有機(jī)玻璃、鋁合金等。

?表面布置測壓孔或粘貼壓力傳感器。

?安裝于六分量天平上，測量整體風(fēng)荷載。

2. 氣彈模型（用于動力試驗）

?同時滿足幾何、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、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)場模擬與校準(zhǔn)

1. 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。

2. 風(fēng)場校準(zhǔn)

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

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

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 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)和信號測試。

?檢查電纜、支撐干擾是否影響流場。

五、試驗執(zhí)行

A. 靜力風(fēng)荷載試驗（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. 記錄每個風(fēng)速下六分量天平輸出（阻力、升力、扭矩等）。

3. 計算體型系數(shù)。

B. 動力響應(yīng)試驗（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）記錄：

?加速度時程

?索力變化（通過應(yīng)變換算）

?位移響應(yīng)（激光位移計或高速攝像）

2. 識別模態(tài)參數(shù)（頻率、阻尼比）：

?采用隨機(jī)減量法（RDT）、頻譜分析、EWT/VMD 時頻分析等。

3. 判斷是否發(fā)生馳振、渦激共振、抖振等氣動失穩(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

?對原始信號進(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）對比，評估安全性。

七、報告編制與工程建議

?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)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵研究內(nèi)容與參數(shù)

1. 風(fēng)振系數(shù)與氣動阻尼

- 風(fēng)振系數(shù)（β）：表征風(fēng)荷載隨機(jī)性對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的放大作用，通過風(fēng)洞試驗直接測量或基于功率譜密度計算。研究表明，柔性支架的氣動阻尼不可忽略，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)）。

2. 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，第2、3排組件風(fēng)險較高）；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）。

3. 抗風(fēng)性能評估

- 通過靜風(fēng)荷載測試（應(yīng)力應(yīng)變分布）和動態(tài)響應(yīng)測試（振動模態(tài)、共振頻率），評估結(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

?《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 257

?ASCE 7、Eurocode EN 1991-1-4（國際參考）

產(chǎn)品與試驗標(biāo)準(zhǔn)

- T/CPIA 0079—2024：《柔性支架應(yīng)用場景下光伏組件測試方法》，明確了組件的測試序列，其中風(fēng)洞試驗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)計與評估方法。

風(fēng)工程方法標(biāo)準(zhǔn)

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

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

享檢測可以根據(jù)用戶需求提供柔性支架風(fēng)洞試驗，該試驗是評估其在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抗風(fēng)性能的關(guān)鍵手段，通過模擬真實風(fēng)場環(huán)境，驗證設(shè)計可靠性并優(yōu)化系統(tǒng)安全性，試驗?zāi)芰σ迅采w靜態(tài)荷載、動態(tài)響應(yīng)及風(fēng)雨雪耦合工況?。