1 工程概况

　　 北京大兴国际机场航站楼呈五指廊的放射构型 (见图1) ，采用双层金属板屋面，核心区工程屋面面积约18万m²，屋面最高点50.5m，最低点25m，屋面面层落差约25m，为确定航站楼屋盖局部最不利位置的风荷载及受力情况，进行风洞试验。

　　 风洞试验模型采用局部屋面原型，分为2类: (1) 装饰层屋面表面无天沟模型主体尺寸为5.4m (长) ×4.9m (宽) ，最上层为6块装饰板，各板之间有约10cm空隙; (2) 屋面表面有天沟模型主体尺寸为4.5m (长) ×4.9m (宽) ，最上层为4块装饰板，天沟前后板间距为50cm。2类模型均为前高 (1.2m) 后低 (0.85m) 整体倾斜结构。在模型表面中轴线附近布置测压点，测试屋盖表面风压沿顺风向变化情况;同时测量装饰板典型测点变形、典型连接件和次檩条内力。其他试验完成后，做破坏性试验，风速缓慢加大，直至模型出现局部损毁，得出风揭破坏临界风速。现场试验模型如图2所示。

　　 1) 风洞1均匀流下的试验拟在中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所FL-13风洞中进行。该风洞有2个试验段:第1试验段尺寸为12m (宽) ×16m (高) ×25m (长) ，风速为2.5～20m/s;第2试验段尺寸为8m (宽) ×6m (高) ×15m (长) ，风速为20～85m/s。为获得尽可能高的风速，本次试验拟在第2试验段中进行。

　　 2) 风洞2紊流下的试验拟在西南交通大学风工程试验研究中心XNJD-3工业风洞中进行。该风洞试验段尺寸为22.5m (宽) ×4.5m (高) ×36m (长) ，风速为1.0～6.5m/s，主要技术指标均已达到世界先进水平。

　　 1) 压力测量仪器美国Scanvalve电子扫描阀。

　　 2) 风速测量Cobra眼镜蛇风速仪。

　　 3) 变形测量非接触式位移仪。

　　 4) 内力测量电阻应变仪。

　　 均匀流试验无需风场模拟。紊流试验中，由于试验采用局部模型，试验重点为屋盖高度处的风荷载情况，因此试验将保证屋盖高度处的来流紊流度与实际屋盖在该高度处的紊流度一致，其他位置可适当放松。

　　 试验内容包括表面测压、表面装饰板变形响应测量、内部连接件应变测量及抗风强度校核。试验名义风速20～50m/s，风向角0°，10°，170°，180°，试验内容如表1所示。

　　 利用“拍式”压力传感片结合电子压力扫描阀测量模型装饰板、屋面板和天沟等处的表面风压。模型A1风压测点均位于装饰板，由于装饰板与下一层屋面板间有一定空间，因此在中部2块装饰板上表面及下表面，沿中轴线及前后缘各有24个上、下对应测点，共计48个。模型B1测点位置类似于A1，左侧2块装饰板上、下表面沿中线 (即1/4轴线) 及前后缘各有18个对应测点，共36个。而模型B2测点全部位于屋面板表面天沟附近 (屋面板为装饰板下层，两者空间间隙约10cm) 和天沟内壁，共8个。各点风压时间历程数据采样频率均为312.5Hz，样本长度为12 000。各模型风压测点位置如图3所示。

　　 试验挑选连接件和次檩条3～4个测点测量应变，获得典型测点内力。

　　 A1模型有效测点共3个，檩条5根: (1) 测点1中部檩条C梁下部的上面位置 (应变片主方向为垂直来流的横向，测弯曲应变) ; (2) 测点2前部 (风向角0°时，迎风侧) 檩条上面位置 (应变片主方向为横向，测弯曲应变) ; (3) 测点3屋面板正中上表面 (应变片主方向为顺风纵向，测弯曲应变) 。

　　 B1模型上有效测点共4个，檩条4根: (1) 测点1前部檩条C梁下部正面位置 (应变片主方向为横向，测弯曲应变) ; (2) 测点2中部骨架梁的前后表面位置 (应变片主方向为横向，测弯曲应变) ; (3) 测点3前部檩条C梁上部反面位置 (应变片主方向为横向，测弯曲应变) ; (4) 测点4中部骨架梁的下表面位置 (应变片主方向为横向，测弯曲应变) 。

　　 B2模型上有效测点共3个: (1) 测点1装饰板支座 (俯视，风向角0°时为靠路一侧) 单臂正反面位置 (应变片主方向竖向，测弯曲应变) ; (2) 测点2屋面板 (迎风，0°风向角) 正中上表面1 (应变片主方向为顺风向，测弯曲应变) ; (3) 测点3屋面板 (迎风，0°风向角) 正中上表面2 (应变片主方向为横向，测弯曲应变) 。

　　 各模型应变测点位置如图4所示，各点由2片或4片应变片组成半桥与全桥，采样时间为32s，采集频率为2 000Hz，取算术平均。

　　 装饰板变形风致响应测量使用加拿大NDI公司Optotrak系统。Optotrak系统主要由摄像头、控制单元、标记点、标记点接口盒、各类线缆、计算机及软件包等构成。Optotrak系统3个线阵CCD摄像头按两两正交的方式构成2个独立的平面直角坐标系，由此构成三维直角坐标系。3个CCD摄像头交汇视场为系统的有效测量区域，黏附在模型表面的标记点发出特定频率的近红外光，通过CCD摄像头捕捉近红外光，并将数据传送至S-type系统控制单元，SCU单元对原始数据进行计算处理，得出标记点的空间三维坐标。Optotrak系统可实时精确测量被测模型标记点的三维坐标时间历程数据。测量精度0.1mm，单目标点采样频率>1 500Hz。

　　 拟在模型装饰板表面布置4个或6个控制点，测试装饰板表面变形，控制点布置如图5所示。

　　 将风洞试验中所获得的各测压点压力值由计算机进行处理，获得各测压点风压系数C_Pi:

　　 式中:p_∞为参考静压;p₀为参考总压;为模型各测压点处压力。

　　 根据式 (1) 可得模型表面每个测压点平均风压系数。由于风压系数无量纲，故可将其直接用于计算结构表面平均风压。由于本次在FL-13风洞中所完成的风洞试验阻塞率较大，其中无天沟模型试验和有天沟模型试验的阻塞率约为9.4%。根据流量守恒原理，来流速度修正公式为:

　　 式中:A为试验段横截面面积;S为各模型迎风面最大正投影面积，A1模型为3.912m², B1模型和B2模型均为4.205 4m²;V_m为名义风速;V_H为试验阶段模型区等效实际风速，即风压系数计算时采用的参考风速。得到各响应测点的三维位移时间历程数据后，用统计分析方法计算风致响应合位移平均值、均方差、极大值、极小值。

　　 测得弯曲应变ε_M后，根据胡克定律，弯曲应力σ可根据设计单位需要进一步计算得到:

　　 式中:E为弹性模量。

　　 图6给出不同风速和风向角下，不带天沟模型A1屋面中部两块装饰板上、下表面沿中轴线的平均风压系数和极值风压系数分布曲线。

　　 1) 当风向角为0°和10°时，上表面中轴线的平均风压系数均为负值，说明屋面上表面均处于气流在前缘 (屋檐) 分离形成的负压区中;靠近前缘气流分离点位置的负压绝对值最大，而距离前缘越远，风压绝对值总体呈减小趋势。上表面峰值风压系数变化规律类似于平均风压系数。中轴线下表面平均风压系数仍均为负值。多数测点平均风压系数绝对值小于上表面对应点;第2块装饰板下表面后缘风压系数的绝对值则略大于上表面。下表面平均风压系数分布沿中轴线的变化率相对于上表面较小。若综合考虑上、下表面中轴线风压系数分布，装饰板整体结构的净风压系数并不大。

　　 2) 当来流相对模型A1为背风，即风向角为170°和180°时，上表面平均风压系数同样均为负值。此时20号测点为迎风前缘靠近气流分离点，负压绝对值最大;其后测点平均风压系数绝对值沿轴线方向迅速减小，大部分测点风压系数为-0.3～-0.2。上表面脉动风压系数均<0.1，迎风前缘的19, 20号测点脉动风压系数相对稍大。同样，峰值风压系数变化规律类似于平均风压系数，最小负压相比于风向角0°，10°时更低，约为-1.6。下表面平均风压系数绝对值小于上表面，其中迎风前缘测点平均风压系数绝对值远小于上表面对应点。下表面脉动风压系数很小，均<0.03。此风向角下，装饰板整体净风压系数在迎风前缘区域绝对值较大，最小负压可达-1.4左右，其他区域仍较小。

　　 图7给出不同风速和风向角下，有天沟模型B1屋面一侧2块装饰板上、下表面沿1/4轴线的平均和极值风压系数分布曲线。

　　 1) 风向角为0°和10°时，模型B1上表面沿1/4轴线的平均风压系数同样均为负值。第1块装饰板沿1/4轴线测点平均风压系数绝对值呈缓慢增加趋势;第2块装饰板测点距离前缘越远，风压系数绝对值总体呈减小趋势。上表面最小负压点出现在天沟边缘7号测点。B1上表面脉动风压系数值基本<0.1;上表面峰值风压系数变化规律类似于平均风压系数，最小峰值负压约为-1.3。B1下表面平均风压系数同样均为负值，风压系数沿中轴线的变化率相比于上表面略小。第2块装饰板下表面后缘的平均风压系数绝对值略大于上表面，其余区域均小于上表面。下表面个别测点脉动风压系数值>0.1。类似于A1, B1装饰板整体结构的净风压系数也不大。

　　 2) 风向角为170°和180°时，上表面平均风压系数同样均为负值，但个别测点已接近正压。此时14号测点为迎风前缘，负压绝对值为最大值0.9，其后测点的负压绝对值沿轴线方向迅速减小直至接近正压，然后又增加。特别是天沟另一侧7号测点的负压绝对值突然增大，对比1～7号测点及8～14号测点，两组测点风压系数分布规律较类似，可见由于较宽天沟的存在，前、后2块装饰板风压分布体现出一定程度的独立性。上表面测点脉动风压系数基本<0.03，只有天沟侧7号测点脉动风压系数较大，达到或接近0.1。上表面峰值风压系数变化规律类似于平均风压系数，最小峰值负压约为-1.2。下表面迎风前缘测点的平均负压绝对值也为最大值，约为0.9。下表面平均风压系数沿1/4轴线的分布规律、值大小与上表面的区别为: (1) 有测点已增大至正压0.1; (2) 天沟影响不明显。净风压系数天沟边缘区域绝对值相对较大，最小峰值负压系数可达-0.8左右，其他区域则较小。

　　 图8给出不同风速和风向角下，带天沟模型B2屋面板和天沟上表面沿1/4轴线的平均与、脉动与极值风压系数分布曲线。

　　 由图8可知，风向角为0°和10°时，模型B2各测点平均风压系数均为负值，且沿1/4轴线的变化较小，最小负值出现在天沟底部5号测点，约为-0.75。脉动风压系数值均<0.05，最小峰值负压约为-0.87。风向角为170°和180°时，各测点平均风压系数相比于0°和10°时有明显增大，个别测点已接近或达到正压，但绝对值则明显减小。由于模型B1和模型B2外形相同，B2屋面板各测点与对应的模型B1下表面天沟附近测点风压系数分布规律接近。

　　 总之，除个别位于迎风前缘的测点，绝大部分测点平均风压系数和极值风压系数随风速的变化均相对较小，表明在试验风速范围内，均匀流下，雷诺数影响较小。

　　 1) 利用Optotrak系统得到模型A1, B1装饰板上表面各测点的位移时程数据后，进一步计算得到风致响应合位移的最大值、最小值、平均值、均方差等数据。

　　 2) 装饰板上各测点风致响应值随风速增加而增大，但由于装饰板内部为钢制蜂窝型结构，刚度较大，因此响应值总体均较小。试验最高名义风速为50m/s时，模型A1响应最大值的极值为6.5mm (测点6号，风向角0°) ，平均值的极值为5.8mm (测点6号，风向角0°) ;模型B1响应最大值的极值为7.0mm (测点1号，风向角0°) ，平均值的极值为5.5mm (测点1号，风向角0°) 。各风速下，均方差值均较小，模型A1≤0.3mm，模型B1≤0.5mm。两模型在风向角为0°和10°时的风致响应值略大于风向角为170°和180°时的值。

　　 3) 各测点应变均随风速增大而增大;风向角为0°和10°时的应变值均大于风向角为170°和180°时的值。模型A1和模型B1总体应变值不大，模型A1 2, 3号测点应变相对于其1号测点略大，风速为50m/s时，应变最大值为84με。模型B1有效数据中1, 4号测点应变相对略大，风速为50m/s时，应变最大值为66με。模型B2试验风速范围内2号或3号测点远大于自身1号测点以及其他模型，风速为50m/s时，横向弯曲应变最大值达677με，这主要是因为2号或3号测点位于屋面板，而模型B2屋面板为薄壁波纹板结构，刚度相对小，且安装固定方式与模型A1有一定区别，从而导致风致应变值很大。

　　 在整个抗风强度校核试验中，通过数据监测和现场观察，试验采用的3个屋盖局部实物样品A1, B1, B2各部件均未发现任何断裂、破坏、明显塑性变形等现象，短时 (10min) 极端强风下，整体结构安全可靠。

　　 通过对北京大兴国际机场屋盖局部实物模型进行风洞试验，获得各测点风压分布、风致响应及应变，结论如下。

　　 1) 在试验风速和风向角下，屋面装饰板上表面沿轴线测点平均风压系数均为负压，且距离前缘越远，风压绝对值呈减小趋势。装饰板下表面平均风压系数除个别情况外基本也为负压，多数测点平均风压系数绝对值小于上表面对应点;下表面平均系数分布沿轴线的变化率相对于上表面也较小。下层屋面板各测点的风压系数规律与相对应的下表面测点分布规律相似。

　　 2) 靠近迎风前缘及天沟一侧气流分离点位置测点的平均负压绝对值最大。较宽天沟的存在使特定风向角下，前、后2块装饰板风压分布体现出一定程度的独立性。各测点脉动风压系数均较小，绝大部分测点脉动风压系数<0.05。各测点峰值风压系数变化规律类似于平均风压系数，最小峰值负压约为-1.6。综合考虑上、下表面中轴线风压系数分布，装饰板整体结构净风压系数不大。

　　 3) 试验风速范围内，雷诺数对表面压力系数分布的影响较小。

　　 4) 各测点风致响应值和应变值均随风速增加而增大;风向角为0°和10°时的风致响应值和应变值均大于风向角为170°和180°时的值。模型A1响应最大值的极值为6.5mm，模型B1为7.0mm;而响应均方差值都较小，均<0.5mm。模型B2屋面板应变值较大。

　　 5) 短时极端强风下 (10min，风速50m/s) ，试验用局部实物样品整体结构安全可靠。