巨型天文望遠(yuǎn)鏡反射面支撐索網(wǎng)建造關(guān)鍵技術(shù)

黃穎 朱萬旭，2 姜鵬 韋福堂 雷歡 張琳

1 柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司 柳州 545006；2 桂林理工大學(xué) 桂林 541004

3 中國科學(xué)院國家天文臺(tái) 北京 100012；4 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100045

巨型天文望遠(yuǎn)鏡反射面支撐索網(wǎng)建造關(guān)鍵技術(shù)

黃穎1朱萬旭1，2姜鵬3韋福堂1雷歡1張琳4

1 柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司 柳州 545006；2 桂林理工大學(xué) 桂林 541004

3 中國科學(xué)院國家天文臺(tái) 北京 100012；4 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100045

FAST工程的單一口徑大、索網(wǎng)精度高、疲勞應(yīng)力幅大、地貌復(fù)雜施工難度大。為了提高索網(wǎng)的安全性和耐久性,確保FAST工程的順利建成,開展了多項(xiàng)創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)研究：500MPa應(yīng)力幅索網(wǎng)主索技術(shù)研究、空間索網(wǎng)用盤式節(jié)點(diǎn)的研發(fā)、反射面單元自適應(yīng)連接機(jī)構(gòu)、超大型索網(wǎng)施工工藝研究。

500MPa疲勞應(yīng)力幅盤式節(jié)點(diǎn)反射面單元自適應(yīng)連接機(jī)構(gòu)超大型索網(wǎng)施工

1 工程概況

500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(簡(jiǎn)稱FAST工程),隸屬于國家“十一五”重大科學(xué)工程項(xiàng)目,是目前正在建設(shè)中最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡, 與原世界最大的美國300m口徑Arecibo望遠(yuǎn)鏡相比,FAST靈敏度高2.25倍。該望遠(yuǎn)鏡口徑500 m,相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)大小,可實(shí)現(xiàn)5項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)研究：巡視宇宙中的中性氫、觀測(cè)脈沖星,研究極端裝態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律、主導(dǎo)國際甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量網(wǎng)、探測(cè)星際分子——研究恒星形成與演化及探索太空生命起源、搜索星際通訊信號(hào)——尋找地外文明1,對(duì)人類進(jìn)行太空探測(cè)具有重大意義。目前現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)整體情況如圖1所示。

主動(dòng)反射面系統(tǒng)作為FAST 工程的三大自主創(chuàng)新之一,其核心是指反射面的主動(dòng)變位功能,即反射面支撐結(jié)構(gòu)須能實(shí)現(xiàn)由球面到拋物面的頻繁變位工作。FAST的主動(dòng)反射面是一個(gè)口徑500m的球冠,球冠張角110-120。,觀測(cè)時(shí)反射面通過主動(dòng)變位形成有效照明口徑300m、焦比0.4665的旋轉(zhuǎn)拋物面,拋物面的表面均方差為5mm,主動(dòng)變形時(shí)表面沿徑向最大變形位移約為±47cm,表面沿徑向最大變形速度1.2mm/s。該望遠(yuǎn)鏡采用柔性索網(wǎng)作為主要支撐結(jié)構(gòu),由此造就了一個(gè)超大跨度、超高精度、主動(dòng)變位工作模式的索網(wǎng)工程。反射面單元安裝完成后的FAST工程整體見圖1。

圖1 FAS下工程整體圖(反射面單元安裝完成)

2 技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn)

“應(yīng)用主動(dòng)反射面技術(shù)在地面改正球差”的核心技術(shù)是指反射面主動(dòng)變位功能,其關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)有反射面板主動(dòng)變位過程中索網(wǎng)長(zhǎng)期承受超高疲勞應(yīng)力幅、索網(wǎng)超高加工精度技術(shù)以及反射面板變位過程中的面型保持技術(shù)。

索網(wǎng)結(jié)構(gòu)由主索網(wǎng)、下拉索、促動(dòng)器及周邊支承結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成,是整個(gè)體系的支承和角度調(diào)整機(jī)構(gòu),是整個(gè)項(xiàng)目的“生命線”2。整個(gè)索網(wǎng)共6670根主索、2225個(gè)主索節(jié)點(diǎn)?？傊丶s為1600t,主索截面一共有16種規(guī)格,截面積介于280mm2～1319mm2之間。主索網(wǎng)四周連接于周邊支承圈梁結(jié)構(gòu)上,每個(gè)主索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接下拉索使其作為控制索。下拉索下端再與促動(dòng)器連接,通過控制促動(dòng)器在反射面局部區(qū)域形成300m直徑的拋物面,以匯聚電磁波對(duì)天體觀測(cè)。索網(wǎng)主索在工作階段一直處于變幅、不等應(yīng)力水平的往復(fù)荷載作用下,其應(yīng)力松弛、變形,疲勞都會(huì)對(duì)整個(gè)FAST結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。其外在反映最突出的影響就是,拉索索力重新分配并導(dǎo)致反射面形態(tài)發(fā)生變化,影響FAST整體性能穩(wěn)定；望遠(yuǎn)鏡在未來30年可能發(fā)生228,715次觀測(cè)的情況下,索網(wǎng)將會(huì)承受400～455MPa應(yīng)力幅近3萬次,承受300～400MPa應(yīng)力幅5萬余次,承受200～300MPa應(yīng)力幅近3萬次3、4、5。

利用貴州喀斯特洼地,建造FAST索網(wǎng),要將覆蓋在30個(gè)足球場(chǎng)的信號(hào)聚集在饋源倉里,否則就無法監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號(hào),因此500m口徑的索網(wǎng)結(jié)構(gòu),其每一根主索的加工精度都必須控制在±1mm以內(nèi),最終500m口徑的控制精度是±5mm。

3 關(guān)鍵技術(shù)

FAST索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和建造中采用了以下關(guān)鍵技術(shù)

(1)500MPa應(yīng)力幅索網(wǎng)主索技術(shù)研究；

(2)空間索網(wǎng)用盤式節(jié)點(diǎn)的研發(fā)；

(3)反射面單元自適應(yīng)連接機(jī)構(gòu)；

(4)超大型索網(wǎng)施工藝藝研究。

3.1 500MPa應(yīng)力幅索網(wǎng)主索技術(shù)研究

3.1.1 500MPa應(yīng)力幅耐疲勞高精度索網(wǎng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

FAST反射面在球面基準(zhǔn)態(tài)時(shí),主索網(wǎng)應(yīng)力水平為500MPa,創(chuàng)新性地開展了500MPa應(yīng)力幅耐疲勞高精度索網(wǎng)用主索的研究與應(yīng)用,主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)研發(fā)了冷鑄擠壓復(fù)合錨固技術(shù)。采取等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法和擠壓工藝,使拉索鋼絲在錨固段的最大剪應(yīng)力趨同并消除了微動(dòng)磨損,實(shí)現(xiàn)拉索500MPa高疲勞應(yīng)力幅的技術(shù)指標(biāo),解決了FAST索網(wǎng)變位過程中索疲勞破斷的難題。該項(xiàng)技術(shù)成果突破了國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中250MPa疲勞應(yīng)力幅的最高限值,攻克了FAST索網(wǎng)建造的技術(shù)瓶頸。

(2)研發(fā)了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲與鋼絞線組合制索技術(shù)。各鋼絲和鋼絞線間隔離防腐,提高了拉索的耐久性；同時(shí),減少了索規(guī)格間的截面積差,實(shí)現(xiàn)拉索設(shè)計(jì)索力精確匹配,提升索網(wǎng)的柔性,優(yōu)化索網(wǎng)疲勞應(yīng)力幅的分布,對(duì)索網(wǎng)的變位控制起到關(guān)鍵作用。

(3)研發(fā)了大型工程拉索索長(zhǎng)的高精度控制技術(shù)。創(chuàng)造性地集成了恒溫調(diào)索、數(shù)控張拉和激光跟蹤檢測(cè)等技術(shù),首次提出工程結(jié)構(gòu)拉索“毫米級(jí)精度”索長(zhǎng)調(diào)節(jié)方法,成功實(shí)現(xiàn)了索長(zhǎng)精度±1mm,相對(duì)誤差為萬分之一的高精度要求,保證了索網(wǎng)的精確成型。該技術(shù)成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了制索標(biāo)準(zhǔn)中索長(zhǎng)控制±20mm的要求。

3.1.2 500MPa應(yīng)力幅耐疲勞高精度索網(wǎng)用主索的優(yōu)點(diǎn)

500MPa應(yīng)力幅耐疲勞高精度索網(wǎng)用主索的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)冷鑄擠壓復(fù)合錨固技術(shù)制成的拉索,其疲勞應(yīng)力幅與國內(nèi)外拉索進(jìn)行對(duì)比提高了近2倍。

(2)預(yù)應(yīng)力鋼絲與鋼絞線組合制索技術(shù)屬于預(yù)應(yīng)力行業(yè)內(nèi)的首次嘗試,不同規(guī)格拉索之間截面積差值小,豐富了拉索規(guī)格,有效避免材料浪費(fèi),索體內(nèi)部采用隔離防腐,防腐性參更加優(yōu)越。

(3)建立了系統(tǒng)的高精度索長(zhǎng)調(diào)節(jié)方案,集成數(shù)控張拉、激光跟蹤檢測(cè)等技術(shù)手段,簡(jiǎn)單、快捷的實(shí)現(xiàn)了索長(zhǎng)±1mm的調(diào)節(jié)要求索長(zhǎng)精度得到控制,極大的增加了索網(wǎng)工程的位型精度,有利于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)更好的運(yùn)行,同時(shí)也極大提高了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的安全性能。

(4)項(xiàng)目涉及產(chǎn)品具有要求高,數(shù)量大,規(guī)格多,不同規(guī)格之間區(qū)別小的特點(diǎn),信息化管理系統(tǒng)包含了從產(chǎn)品生產(chǎn)到物流運(yùn)輸、到工程現(xiàn)場(chǎng)使用的全過程,能夠更好的從整個(gè)工程的角度對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行管理。

3.2 空間索網(wǎng)用盤式節(jié)點(diǎn)的研發(fā)

3.2.1 空間索網(wǎng)用盤式節(jié)點(diǎn)創(chuàng)新點(diǎn)

采用圓盤式節(jié)點(diǎn)與向心關(guān)節(jié)軸承組合,并根據(jù)索網(wǎng)構(gòu)造需要,在節(jié)點(diǎn)表面設(shè)置相應(yīng)數(shù)量銷孔的方案,解決了索網(wǎng)高空高精度組網(wǎng)的難題。該結(jié)構(gòu)具有精度高、安裝簡(jiǎn)便、重量輕、且能夠滿足索網(wǎng)相對(duì)于節(jié)點(diǎn)一定角度偏擺要求的特點(diǎn),避免了索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接為焊接件而存在的安全隱患與重量超重間題6,實(shí)現(xiàn)了索網(wǎng)便捷快速的安裝。創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)采用圓盤式節(jié)點(diǎn)與向心關(guān)節(jié)軸承相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了空間索網(wǎng)的連接要求,由于其節(jié)點(diǎn)與軸承均在工廠加工并組裝,可以極大的提高該結(jié)構(gòu)的精度要求,從而提高索網(wǎng)系統(tǒng)的安裝精度,有利于提高索網(wǎng)系統(tǒng)的匹配性與適應(yīng)性；

(2)使用圓盤式節(jié)點(diǎn)與向心關(guān)節(jié)軸承相結(jié)合的方式,可以根據(jù)索網(wǎng)需求,實(shí)現(xiàn)拉索相對(duì)于空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)圓筒形節(jié)點(diǎn)任一方向一定幅度的轉(zhuǎn)動(dòng),極大的增加了索網(wǎng)系統(tǒng)的自適應(yīng)性與安全性；

(3)圓盤式節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)對(duì)應(yīng)位置與之配合使用的拉索的極限拉力設(shè)計(jì)成厚度不均的扇形面,能夠有效的降低索網(wǎng)的自重,從而優(yōu)化索網(wǎng)的受力。

3.2.2 空間索網(wǎng)用盤式節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有索網(wǎng)或拉桿連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式相比,本項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)具有安裝容易,質(zhì)量輕,安裝精度高,性能穩(wěn)定,自適應(yīng)性強(qiáng),安全系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn),具體體現(xiàn)在：

(1)拉索通過向心關(guān)節(jié)軸承連接在節(jié)點(diǎn)盤上,可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng),且不同方向拉索或拉桿的角度可以自由控制。

(2)構(gòu)造體系受力合理,有效降低整體重量,并使得安全系數(shù)得到提升。

(3)節(jié)點(diǎn)上軸承孔的加工精度容易保證,能夠達(dá)到較高的精度要求。

可見,節(jié)點(diǎn)盤除了能夠滿足FAST功能需求外,也為空間索網(wǎng)的連接提出了新穎的結(jié)構(gòu)形式,為其它空間索網(wǎng)工程提供了更優(yōu)的選擇,且明顯優(yōu)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

圖2 圓盤式節(jié)點(diǎn)

圖3 節(jié)點(diǎn)及500MPa應(yīng)力幅主索應(yīng)用工程現(xiàn)場(chǎng)

3.3 反射面單元自適應(yīng)連接機(jī)構(gòu)

FAST反射面變位控制過程中,索網(wǎng)呈柔性,各節(jié)點(diǎn)之間有相對(duì)位移。而面板單元?jiǎng)t呈剛性,三個(gè)節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定。這就需要在面板和索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)計(jì)自適應(yīng)連接機(jī)構(gòu),使變位過程中面板單元可以自適應(yīng)于索網(wǎng)運(yùn)動(dòng),避免面板因受附加應(yīng)力而影響面型精度。

每塊反射面單元的三個(gè)支點(diǎn)分別采用0節(jié)點(diǎn)、1節(jié)點(diǎn)和2節(jié)點(diǎn)支撐連接。0節(jié)點(diǎn)的連接桿和關(guān)節(jié)軸承固定連接來約束三個(gè)平動(dòng)自由度；l節(jié)點(diǎn)的連接桿上設(shè)置有直線運(yùn)動(dòng)段,該直線運(yùn)動(dòng)段能夠沿其軸向在關(guān)節(jié)軸承內(nèi)運(yùn)動(dòng),以約束兩個(gè)平動(dòng)自由度, 2節(jié)點(diǎn)約束一個(gè)平動(dòng)自由度。其優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)反射面單元通過3 種節(jié)點(diǎn)的匹配連接能夠在設(shè)定尺度范圍內(nèi)自適應(yīng)于索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),以減少反射面單元和拉索承受的載荷,保證了反射面的位形精度。

(2)考慮反射面單元連接運(yùn)動(dòng)參數(shù)切向擺角±6。,切向位移±50mm,最大速度0.2mm/s,受最大0.5t重力載荷作用,滑動(dòng)摩擦付和關(guān)節(jié)軸承均采用摩擦系數(shù)小的TPFE材料,保證節(jié)點(diǎn)與反射面單元接口平順、無爬行現(xiàn)象。

(3)節(jié)點(diǎn)盤上6組上層連接結(jié)構(gòu)的夾角種類總計(jì)117種,按實(shí)際夾角進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造,實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方便性及靈活性。

自適應(yīng)機(jī)構(gòu)方案示意見圖4,圖5為FAST工程現(xiàn)場(chǎng)自適應(yīng)機(jī)械應(yīng)用,其上已安裝了4塊反射面板。

圖4 自適應(yīng)機(jī)構(gòu)方案示意圖

圖5 自適應(yīng)連接機(jī)構(gòu)安裝現(xiàn)場(chǎng)

3.4 超大型索網(wǎng)施工藝研究

FAST項(xiàng)目選址在貴州,利用獨(dú)一無二的貴州天然喀斯特洼地作為望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址,臺(tái)址原貌見圖4,經(jīng)整形后見圖5。整個(gè)FAST反射面支撐索網(wǎng)安裝跨度500m,高度達(dá)134m,面索索網(wǎng)體量大、分布廣,同時(shí)受地形制約,無法進(jìn)行地面組裝或搭設(shè)滿堂架平臺(tái),為此根據(jù)索網(wǎng)對(duì)稱性,研究出將索網(wǎng)結(jié)構(gòu)劃分出5個(gè)區(qū)域同時(shí)施工,在每個(gè)區(qū)域相同位置安裝徑向施工通道以及隨安裝進(jìn)度不斷轉(zhuǎn)移的懸空施工索道,在空中完成索網(wǎng)拼裝的施工工藝7、8、9。

圖4 臺(tái)址原貌

圖5 施工整形

索網(wǎng)安裝的總體原則是：面索網(wǎng)嚴(yán)格按照無應(yīng)力長(zhǎng)度組裝,分區(qū)施工、地面支架散拼,高空索道輔助吊裝、牽引滑移吊裝,下拉索采用促動(dòng)器和施工千斤頂進(jìn)行張拉。根據(jù)面索網(wǎng)的對(duì)稱性,索網(wǎng)結(jié)構(gòu)劃分為5+1個(gè)區(qū)域施工,其中5個(gè)區(qū)分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)和E區(qū)。五個(gè)區(qū)成72。旋轉(zhuǎn)對(duì)稱,在索網(wǎng)施工時(shí)需要對(duì)稱同步施工。+1區(qū)為F區(qū),即靠近饋源倉附近直徑80m范圍,施工時(shí)采用支架散拼,如圖6所示。在Φ80m的圓周上對(duì)稱為五個(gè)區(qū)設(shè)置獨(dú)立塔架,并在圈梁上設(shè)置可移動(dòng)式臺(tái)車、龍門吊、貓道和施工索道等。五個(gè)區(qū)面索、下拉索采用塔式吊機(jī)垂直運(yùn)輸?shù)饺α喉敳康倪\(yùn)索小車,由其沿圈梁運(yùn)輸?shù)轿鍏^(qū)對(duì)稱軸位置的貓道索上方,通過設(shè)在圈梁頂部的龍門吊,單件下放到貓道上方的溜索索道,由其溜滑到下端。通過尾部接長(zhǎng)工藝和牽引工藝安裝面索和下拉索。首先安裝對(duì)稱軸位置的拉索,然后對(duì)稱向兩側(cè)擴(kuò)展施工,安裝示意見圖7,最后安裝F區(qū)的面索和下拉索,所有面索和下拉索安裝完成后,促動(dòng)器預(yù)緊張拉下拉索。采用此施工工藝的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)面索在掛索施工過程中,為無應(yīng)力狀態(tài)安裝,全部面索安裝完成后,僅在圈梁的150根索進(jìn)行張拉調(diào)索,極大簡(jiǎn)化張拉施工,有利于索網(wǎng)形位精準(zhǔn)度。

(2)500m范圍的面索安裝,全部在空中完成,無需架設(shè)滿堂架施工,節(jié)約大量人、物、財(cái)力,施工周期合理。

(3)安裝時(shí)五部分對(duì)稱安裝,可防止圈梁變形過大,最終索

網(wǎng)位型精度達(dá)到±5mm。

工程完工后的實(shí)際索網(wǎng)精度為3mm,圓滿完成施工任務(wù)。

圖6 索網(wǎng)施工區(qū)域劃分示意圖

圖7 安裝面索順序示意圖

5 結(jié)論

FAST工程的單一口徑大、索網(wǎng)精度高、疲勞應(yīng)力幅大、地貌復(fù)雜施工難度大,500m口徑索網(wǎng)建成后成為世界上最大索網(wǎng)支撐系統(tǒng)。為了提高索網(wǎng)的安全性和耐久性,確保FAST工程的順利建成,開展了多項(xiàng)創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)研究：500MPa應(yīng)力幅索網(wǎng)主索技術(shù)研究、空間索網(wǎng)用盤式節(jié)點(diǎn)的研發(fā)、反射面單元自適應(yīng)連接機(jī)構(gòu)、超大型索網(wǎng)施工工藝研究。這一系列創(chuàng)新技術(shù),將對(duì)其他超大型建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工具有較好的指導(dǎo)作用。

1 南仁東,500m球反射面射電望遠(yuǎn)鏡FAST.中國科學(xué)G輯.2005,35 (5)：449~466

2 金曉飛,錢宏亮,范峰,等. FAST30米模型整體索網(wǎng)張拉方案的研究［J］. 空間結(jié)構(gòu),2007(2)：22-25.

3 范峰,金曉飛,錢宏亮.長(zhǎng)期主動(dòng)變位下FAST索網(wǎng)支承結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析［J］. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2010(12)：17-23

4 姜鵬,朱萬旭,劉飛,等.FAST索網(wǎng)疲勞評(píng)估及高疲勞性能鋼索研制［J］.工程力學(xué),2014,32(9)243-249

5 孔旭,姜鵬,王啟明. FAST索網(wǎng)高應(yīng)力幅變位疲勞間題的優(yōu)化分析［J］. 工程力學(xué),2013(S1)：169-174

6 楊帆,朱萬旭,黃穎,等. 空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)用節(jié)點(diǎn)盤及方便換索的空間索網(wǎng)：中國,CN201320138023.X［P］. 2013-09-18

7 郭正興、許曙東,劉志仁. 預(yù)應(yīng)力鞍形索網(wǎng)屋蓋工程施工工藝研究［J］.施工技術(shù),1999,28(12)：9-11.

8 喬光宇. 單層索網(wǎng)點(diǎn)支承玻璃幕墻安裝工藝［J］. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì), 2013(2)：107-108.

9 韋福堂,朱萬旭,田蕾蕾.國家天文臺(tái)FAST工程索網(wǎng)安裝施工技術(shù)［J］.施工技術(shù),2014,43(2)18-20.

TU741.1

B

1672-9323(2016)05-0033-04

2016-09-14)

本文得到2016年廣西壯族自治區(qū)培養(yǎng)新世紀(jì)學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人專項(xiàng)資金資助