背景技术

在全球极端低温冰雪灾害频繁发生的背景下，积雪导致的建筑物、构筑物倒塌事故也随之不断增加，建筑结构的抗雪形势十分严峻。大跨空间结构具有屋面结构轻，屋面面积大，雪荷载占总荷载比例大的特点，其设计往往由雪荷载控制，属于对雪荷载敏感的结构。另一方面，大跨空间结构多应用于体育场馆、机场航站楼和火车站站房等人员十分密集、影响十分重大的公共建筑，因此，大跨空间结构的雪致工程灾害后果往往十分严重，正确掌握其屋面雪荷载的设计方法意义尤为重大。

20世纪60年代起，国外学者率先开展了对建筑雪荷载的研究并渐成体系，逐步形成现场实测、数值模拟与试验研究三种相辅相成的研究技术手段。现场实测研究严重受地域、季节及自然条件的限制，且研究周期长，随机性大，变量不可控，很难用于揭示屋面积雪的多要素全过程演变机理；数值模拟缺少可靠的标准试验用于对数值模拟的模型和结果进行验证，使其应用与推广受到极大限制；基于现场实测与数值模拟方法的上述局限性，借助人工设备，按照一定相似比例关系在实验室里完成的试验研究成为国内外学者努力发展的对象。试验研究不受自然条件、地域或季节的限制，可根据需要控制各项参数、实现参数分析，还原降雪或积雪的过程，并且可方便的重复试验，成为揭示屋面积雪堆积机理和变化规律的最有效手段。

依据试验对象及设备种类的不同，目前的试验研究方法可划分为3类：基于传统风洞与模拟颗粒的试验方法、基于水槽与模拟颗粒的试验方法、基于低温风洞与自然雪或人造雪的风雪联合试验方法。基于传统风洞与模拟颗粒的试验方法，是通过寻求雪颗粒替代品在传统风洞里开展的风致雪漂移试验研究，一般采用小苏打、细硅砂、工业盐等作为模拟颗粒；基于水槽与模拟颗粒的试验方法，是一种在水槽中利用砂水混合物模拟风致雪漂移的试验方法，因为砂-水的密度比与雪-气的密度比较为接近，因此其相似准则的建立更为便利，该试验方法因水槽设备复杂性较高、数量较少而使其普及度较低；基于低温风洞与自然雪或人造雪的风雪联合试验方法，是利用冬季寒区低温环境，通过振动筛降雪模拟装置将真实雪颗粒或人造雪颗粒播撒落入试验段，以实现稳定降雪的试验环境，还原真实的降雪过程。

屋面积雪的真实堆积和演变过程是一个非常复杂的物理过程，不仅受风致雪漂移现象的影响，也受雨雪联合作用与热力融雪作用等多种自然作用的影响；不仅受单次降雪的影响，更多情况下要受多次降雪的累积影响。然而，目前的国内外相关试验设备几乎还不能实现对这种复杂过程的准确模拟，大多只针对风致雪漂移现象以及单次降雪的影响进行研究。为正确揭示屋面积雪的堆积与演变机理，必须要考虑自然界中风、雨、热等环境因素的联合影响，对屋面积雪的堆积-消融-结晶-堆积演变全过程进行模拟。因此，必须要利用建筑工程大气边界层低温风洞与人造雪或自然雪进行试验。

目前，公开见于文献的功能类似的试验设施仅有法国南特的Jules Verne(JV)气象风洞(见图1a)以及日本新庄冰冻圈环境模拟实验室(CES)(见图1b)。

法国南特JV气象风洞由内外两个环流风洞组成，外环称之为动力环(dynamiccircuit)，具有三个试验段(多环境模拟、低风速与高风速试验段)。多环境模拟试验段主要用于对建筑在风、雨和沙尘暴环境下的响应进行研究，其最大风速可达到90km/h；而其余两个试验段均配置测力天平等，多用于测量建筑结构及交通设施的风振响应(升、阻力系数)与表面风压等，低风速段最大风速为160km/h，而高风速段最大风速可达280km/h。内环又称温控环(thermal circuit)，内部设有热交换设备，可控制其环境试验段温度在-32～55℃之间，可用来模拟雨、雪与太阳辐射等大气环境，试验段截面尺寸为10m×7m，长为25m，最大风速可达140km/h。

日本新庄CES实验室设有一座截面为1m×1m、试验段长度为14m的风洞，通过制冷器与风机对流，试验段可维持-10℃的低温环境。CES实验室可人工制造六棱树状雪颗粒与球形雪颗粒，并可通过振动播撒装置模拟降雪过程，同时可采用预铺颗粒法开展风致雪漂移的试验研究。该试验系统的温控方法与法国JV气象风洞类似，两者在预冷过程都是通过空调设备制造低温空气进行风洞试验段的预冷，没有直接利用外部的低温环境，成本过高。

本发明属于建筑雪荷载领域，直接应用于建筑工程大气边界层低温风洞的预冷过程。其目的是因地制宜，利用哈尔滨冬季室外低温环境对风洞整体进行整体预冷，达到人造雪或自然雪试验所需的低温环境，克服现有建筑工程大气边界层低温风洞温控成本过高的缺陷。