巨型天文望遠鏡反射面支撐索網建造關鍵技術

黃穎 朱萬旭，2 姜鵬 韋福堂 雷歡 張琳

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

3 中國科學院國家天文臺 北京 100012；4 北京市建筑設計研究院有限公司 北京 100045

巨型天文望遠鏡反射面支撐索網建造關鍵技術

黃穎1朱萬旭1，2姜鵬3韋福堂1雷歡1張琳4

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

3 中國科學院國家天文臺 北京 100012；4 北京市建筑設計研究院有限公司 北京 100045

FAST工程的單一口徑大、索網精度高、疲勞應力幅大、地貌復雜施工難度大。為了提高索網的安全性和耐久性,確保FAST工程的順利建成,開展了多項創新性關鍵技術研究：500MPa應力幅索網主索技術研究、空間索網用盤式節點的研發、反射面單元自適應連接機構、超大型索網施工工藝研究。

500MPa疲勞應力幅盤式節點反射面單元自適應連接機構超大型索網施工

1 工程概況

500m口徑球面射電望遠鏡(簡稱FAST工程),隸屬于國家“十一五”重大科學工程項目,是目前正在建設中最大的單口徑射電望遠鏡, 與原世界最大的美國300m口徑Arecibo望遠鏡相比,FAST靈敏度高2.25倍。該望遠鏡口徑500 m,相當于30個足球場大小,可實現5項基礎科學研究：巡視宇宙中的中性氫、觀測脈沖星,研究極端裝態下的物質結構與物理規律、主導國際甚長基線干涉測量網、探測星際分子——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——尋找地外文明1,對人類進行太空探測具有重大意義。目前現場建設整體情況如圖1所示。

主動反射面系統作為FAST 工程的三大自主創新之一,其核心是指反射面的主動變位功能,即反射面支撐結構須能實現由球面到拋物面的頻繁變位工作。FAST的主動反射面是一個口徑500m的球冠,球冠張角110-120。,觀測時反射面通過主動變位形成有效照明口徑300m、焦比0.4665的旋轉拋物面,拋物面的表面均方差為5mm,主動變形時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。該望遠鏡采用柔性索網作為主要支撐結構,由此造就了一個超大跨度、超高精度、主動變位工作模式的索網工程。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 技術特點及難點

“應用主動反射面技術在地面改正球差”的核心技術是指反射面主動變位功能,其關鍵技術難點有反射面板主動變位過程中索網長期承受超高疲勞應力幅、索網超高加工精度技術以及反射面板變位過程中的面型保持技術。

索網結構由主索網、下拉索、促動器及周邊支承結構共同構成,是整個體系的支承和角度調整機構,是整個項目的“生命線”2。整個索網共6670根主索、2225個主索節點?？傊丶s為1600t,主索截面一共有16種規格,截面積介于280mm2～1319mm2之間。主索網四周連接于周邊支承圈梁結構上,每個主索網節點連接下拉索使其作為控制索。下拉索下端再與促動器連接,通過控制促動器在反射面局部區域形成300m直徑的拋物面,以匯聚電磁波對天體觀測。索網主索在工作階段一直處于變幅、不等應力水平的往復荷載作用下,其應力松弛、變形,疲勞都會對整個FAST結構產生影響。其外在反映最突出的影響就是,拉索索力重新分配并導致反射面形態發生變化,影響FAST整體性能穩定；望遠鏡在未來30年可能發生228,715次觀測的情況下,索網將會承受400～455MPa應力幅近3萬次,承受300～400MPa應力幅5萬余次,承受200～300MPa應力幅近3萬次3、4、5。

利用貴州喀斯特洼地,建造FAST索網,要將覆蓋在30個足球場的信號聚集在饋源倉里,否則就無法監聽到宇宙中微弱的射電信號,因此500m口徑的索網結構,其每一根主索的加工精度都必須控制在±1mm以內,最終500m口徑的控制精度是±5mm。

3 關鍵技術

FAST索網結構在設計和建造中采用了以下關鍵技術

(1)500MPa應力幅索網主索技術研究；

(2)空間索網用盤式節點的研發；

(3)反射面單元自適應連接機構；

(4)超大型索網施工藝藝研究。

3.1 500MPa應力幅索網主索技術研究

3.1.1 500MPa應力幅耐疲勞高精度索網的主要創新點

FAST反射面在球面基準態時,主索網應力水平為500MPa,創新性地開展了500MPa應力幅耐疲勞高精度索網用主索的研究與應用,主要創新點如下：

(1)研發了冷鑄擠壓復合錨固技術。采取等強度設計方法和擠壓工藝,使拉索鋼絲在錨固段的最大剪應力趨同并消除了微動磨損,實現拉索500MPa高疲勞應力幅的技術指標,解決了FAST索網變位過程中索疲勞破斷的難題。該項技術成果突破了國內外相關標準中250MPa疲勞應力幅的最高限值,攻克了FAST索網建造的技術瓶頸。

(2)研發了高強預應力鋼絲與鋼絞線組合制索技術。各鋼絲和鋼絞線間隔離防腐,提高了拉索的耐久性；同時,減少了索規格間的截面積差,實現拉索設計索力精確匹配,提升索網的柔性,優化索網疲勞應力幅的分布,對索網的變位控制起到關鍵作用。

(3)研發了大型工程拉索索長的高精度控制技術。創造性地集成了恒溫調索、數控張拉和激光跟蹤檢測等技術,首次提出工程結構拉索“毫米級精度”索長調節方法,成功實現了索長精度±1mm,相對誤差為萬分之一的高精度要求,保證了索網的精確成型。該技術成果遠遠超出了制索標準中索長控制±20mm的要求。

3.1.2 500MPa應力幅耐疲勞高精度索網用主索的優點

500MPa應力幅耐疲勞高精度索網用主索的優點如下：

(1)冷鑄擠壓復合錨固技術制成的拉索,其疲勞應力幅與國內外拉索進行對比提高了近2倍。

(2)預應力鋼絲與鋼絞線組合制索技術屬于預應力行業內的首次嘗試,不同規格拉索之間截面積差值小,豐富了拉索規格,有效避免材料浪費,索體內部采用隔離防腐,防腐性參更加優越。

(3)建立了系統的高精度索長調節方案,集成數控張拉、激光跟蹤檢測等技術手段,簡單、快捷的實現了索長±1mm的調節要求索長精度得到控制,極大的增加了索網工程的位型精度,有利于索網結構更好的運行,同時也極大提高了索網結構的安全性能。

(4)項目涉及產品具有要求高,數量大,規格多,不同規格之間區別小的特點,信息化管理系統包含了從產品生產到物流運輸、到工程現場使用的全過程,能夠更好的從整個工程的角度對項目進行管理。

3.2 空間索網用盤式節點的研發

3.2.1 空間索網用盤式節點創新點

采用圓盤式節點與向心關節軸承組合,并根據索網構造需要,在節點表面設置相應數量銷孔的方案,解決了索網高空高精度組網的難題。該結構具有精度高、安裝簡便、重量輕、且能夠滿足索網相對于節點一定角度偏擺要求的特點,避免了索網節點連接為焊接件而存在的安全隱患與重量超重間題6,實現了索網便捷快速的安裝。創新點如下：

(1)采用圓盤式節點與向心關節軸承相結合的方式實現了空間索網的連接要求,由于其節點與軸承均在工廠加工并組裝,可以極大的提高該結構的精度要求,從而提高索網系統的安裝精度,有利于提高索網系統的匹配性與適應性；

(2)使用圓盤式節點與向心關節軸承相結合的方式,可以根據索網需求,實現拉索相對于空間索網結構圓筒形節點任一方向一定幅度的轉動,極大的增加了索網系統的自適應性與安全性；

(3)圓盤式節點可以根據對應位置與之配合使用的拉索的極限拉力設計成厚度不均的扇形面,能夠有效的降低索網的自重,從而優化索網的受力。

3.2.2 空間索網用盤式節點的優點

與現有索網或拉桿連接節點結構形式相比,本項目創新設計的節點具有安裝容易,質量輕,安裝精度高,性能穩定,自適應性強,安全系數高的優點,具體體現在：

(1)拉索通過向心關節軸承連接在節點盤上,可以實現各個方向的轉動,且不同方向拉索或拉桿的角度可以自由控制。

(2)構造體系受力合理,有效降低整體重量,并使得安全系數得到提升。

(3)節點上軸承孔的加工精度容易保證,能夠達到較高的精度要求。

可見,節點盤除了能夠滿足FAST功能需求外,也為空間索網的連接提出了新穎的結構形式,為其它空間索網工程提供了更優的選擇,且明顯優于現有結構。

圖2 圓盤式節點

圖3 節點及500MPa應力幅主索應用工程現場

3.3 反射面單元自適應連接機構

FAST反射面變位控制過程中,索網呈柔性,各節點之間有相對位移。而面板單元則呈剛性,三個節點位置相對固定。這就需要在面板和索網節點之間設計自適應連接機構,使變位過程中面板單元可以自適應于索網運動,避免面板因受附加應力而影響面型精度。

每塊反射面單元的三個支點分別采用0節點、1節點和2節點支撐連接。0節點的連接桿和關節軸承固定連接來約束三個平動自由度；l節點的連接桿上設置有直線運動段,該直線運動段能夠沿其軸向在關節軸承內運動,以約束兩個平動自由度, 2節點約束一個平動自由度。其優點在于：

(1)反射面單元通過3 種節點的匹配連接能夠在設定尺度范圍內自適應于索網節點的運動,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動參數切向擺角±6。,切向位移±50mm,最大速度0.2mm/s,受最大0.5t重力載荷作用,滑動摩擦付和關節軸承均采用摩擦系數小的TPFE材料,保證節點與反射面單元接口平順、無爬行現象。

(3)節點盤上6組上層連接結構的夾角種類總計117種,按實際夾角進行結構設計、制造,實現節點運動的方便性及靈活性。

自適應機構方案示意見圖4,圖5為FAST工程現場自適應機械應用,其上已安裝了4塊反射面板。

圖4 自適應機構方案示意圖

圖5 自適應連接機構安裝現場

3.4 超大型索網施工藝研究

FAST項目選址在貴州,利用獨一無二的貴州天然喀斯特洼地作為望遠鏡臺址,臺址原貌見圖4,經整形后見圖5。整個FAST反射面支撐索網安裝跨度500m,高度達134m,面索索網體量大、分布廣,同時受地形制約,無法進行地面組裝或搭設滿堂架平臺,為此根據索網對稱性,研究出將索網結構劃分出5個區域同時施工,在每個區域相同位置安裝徑向施工通道以及隨安裝進度不斷轉移的懸空施工索道,在空中完成索網拼裝的施工工藝7、8、9。

圖4 臺址原貌

圖5 施工整形

索網安裝的總體原則是：面索網嚴格按照無應力長度組裝,分區施工、地面支架散拼,高空索道輔助吊裝、牽引滑移吊裝,下拉索采用促動器和施工千斤頂進行張拉。根據面索網的對稱性,索網結構劃分為5+1個區域施工,其中5個區分別為A區、B區、C區、D區和E區。五個區成72。旋轉對稱,在索網施工時需要對稱同步施工。+1區為F區,即靠近饋源倉附近直徑80m范圍,施工時采用支架散拼,如圖6所示。在Φ80m的圓周上對稱為五個區設置獨立塔架,并在圈梁上設置可移動式臺車、龍門吊、貓道和施工索道等。五個區面索、下拉索采用塔式吊機垂直運輸到圈梁頂部的運索小車,由其沿圈梁運輸到五區對稱軸位置的貓道索上方,通過設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。通過尾部接長工藝和牽引工藝安裝面索和下拉索。首先安裝對稱軸位置的拉索,然后對稱向兩側擴展施工,安裝示意見圖7,最后安裝F區的面索和下拉索,所有面索和下拉索安裝完成后,促動器預緊張拉下拉索。采用此施工工藝的優點在于：

(1)面索在掛索施工過程中,為無應力狀態安裝,全部面索安裝完成后,僅在圈梁的150根索進行張拉調索,極大簡化張拉施工,有利于索網形位精準度。

(2)500m范圍的面索安裝,全部在空中完成,無需架設滿堂架施工,節約大量人、物、財力,施工周期合理。

(3)安裝時五部分對稱安裝,可防止圈梁變形過大,最終索

網位型精度達到±5mm。

工程完工后的實際索網精度為3mm,圓滿完成施工任務。

圖6 索網施工區域劃分示意圖

圖7 安裝面索順序示意圖

5 結論

FAST工程的單一口徑大、索網精度高、疲勞應力幅大、地貌復雜施工難度大,500m口徑索網建成后成為世界上最大索網支撐系統。為了提高索網的安全性和耐久性,確保FAST工程的順利建成,開展了多項創新性關鍵技術研究：500MPa應力幅索網主索技術研究、空間索網用盤式節點的研發、反射面單元自適應連接機構、超大型索網施工工藝研究。這一系列創新技術,將對其他超大型建筑結構的設計、施工具有較好的指導作用。

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

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

3 范峰,金曉飛,錢宏亮.長期主動變位下FAST索網支承結構疲勞壽命分析［J］. 建筑結構學報,2010(12)：17-23

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

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

6 楊帆,朱萬旭,黃穎,等. 空間索網結構用節點盤及方便換索的空間索網：中國,CN201320138023.X［P］. 2013-09-18

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

8 喬光宇. 單層索網點支承玻璃幕墻安裝工藝［J］. 內蒙古科技與經濟, 2013(2)：107-108.

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

TU741.1

B

1672-9323(2016)05-0033-04

2016-09-14)

本文得到2016年廣西壯族自治區培養新世紀學術和技術帶頭人專項資金資助