他為“中國天眼”織就世界最大索網

李國君+鄧卉+方亮

“我國500米口徑球面射電望遠鏡工程索網制造和安裝工程近日順利完成，這意味著該工程在關鍵技術難點上實現了突破。”這是2015年2月新華社權威報道。

位于貴州省黔南州平塘縣的500米口徑球面射電望遠鏡（簡稱FAST工程，譽為“中國天眼”）是目前世界最大單口徑射電望遠鏡，2011年開始建設，定于2016年建成，建成后成為世界級射電天文研究中心。索網制造與安裝工程是“中國天眼”工程的主要技術難點之一，既是目前世界上跨度最大、精度最高的索網結構，也是世界上第一個采用變位工作方式的索網體系，工程的關鍵指標遠遠高于國內外相關領域的規范要求，在世界范圍內沒有可借鑒的經驗或資料。同時，索網總重量約1300噸，由于場地條件限制，全部索結構須在高空中進行拼裝。“中國天眼”工程建造單位國家天文臺面向全國尋求能完成這項“國字號”工程的能工巧匠，廣西柳州歐維姆機械股份有限公司接住“索網繡球”，并由一位廣西工程師憑著超人的想象力、敢創一流的毅力，帶領技術團隊成功完成了這個“不可能的任務”。他，就是歐維姆機械股份有限公司原副總工程師、現桂林理工大學土木工程與建筑學院教授級高級工程師朱萬旭。

中國人有信心建造“中國天眼”

1931年，美國無線電工程師央斯基在研究長途電訊干擾時偶然發現存在來自銀河中心方向的宇宙無線電波，由此開創了射電天文學。

“射電”是比紅外線頻率還要低的電磁波段，射電望遠鏡與接收衛星信號的天線鍋一樣，通過鍋的反射聚焦把幾平方米至幾千平方米的信號聚攏到一個點，天文學家就能接收到射電電波。為了提高射電望遠鏡的精度，天文學家利用多個天線鍋對準同一目標，通過比對信號算出更精確的信號位置，但是想接收到更微弱的射電電波，就必須把天線鍋造得更大。

1993年東京召開的國際無線電科學聯盟大會上，包括中國在內的十國天文學家提出建造新一代射電“大望遠鏡”，中國建造500米口徑球面射電望遠鏡工程“中國天眼”的動機肇始于此。

“中國天眼”之前，世界上有兩個超大射電天線鍋，一個是德國100米直徑的“埃菲爾斯伯格”望遠鏡，一個是美國300米直徑的“阿雷西博”望遠鏡。中國科學院國家天文臺射電部首席科學家李菂說，在“中國天眼”項目建成之前，美國的“阿雷西博”是世界最大望遠鏡。“中國天眼”項目的出發點就是要比“阿雷西博”更加靈敏，500米半徑球面由4400多面主動反射單元構成，因此，“中國天眼”的靈敏度可達“阿雷西博”的2倍，巡天速度是“阿雷西博”的10倍。中國科學院國家天文臺“中國天眼”工程首席科學家、總工程師南仁東說，宇宙空間混雜各種輻射，遙遠的信號像雷聲中的蟬鳴，沒有超級靈敏的耳朵就分辨不出來。

1994年底，原北京天文臺（現中國科學院國家天文臺）牽頭國內20所院校提出“喀斯特工程”，擬從中國西南無數個喀斯特地貌的凹坑中，選出一個來建大望遠鏡。最終，貴州省黔南州平塘縣克度鎮金科村的一個圓形洼地——大窩凼被選中。“中國天眼”工程2007年底正式立項，2011年3月正式開工，建設周期5年半，2016年9月初步投入使用。

“中國天眼”的設計目標，是把覆蓋30個足球場的信號聚集在藥片大小的空間里，才有可能監聽到宇宙中微弱的射電信號。500米的結構，要實現毫米級精度，是天文學家從未做過的。比起目前領先的“埃菲爾斯伯格”望遠鏡，“中國天眼”的靈敏度將提高10倍。這意味著，遠在百億光年外的射電信號，“中國天眼”也有可能聽到。南仁東說：“月亮上打手機，‘中國天眼也能聽得一清二楚。”

在工程設計方案中，“中國天眼”的框架、索網、接收器等每一部分的位移都要控制在毫米級，“中國天眼”才能正常工作。其中的關鍵一環，就是索網——“中國天眼”的天線鍋，這個鍋在工作時會不斷變形，聯系著邊框以及2000多個天坑地表面上的小電機，整個變形過程，由激光定位系統校準。

“中國天眼”的鋼索網很重，拉扯十分頻繁，因此需要超高的耐疲勞強度。我國大型工程包括斜拉橋上的鋼索，其強度都是200兆帕、200萬次彎曲的，但“中國天眼”對索網要求更高、建設難度極大，國內多個知名研究院所、工廠幾經試驗，均不能達到國家天文臺的設計要求。

2年前，國家天文臺副總工程師在南寧參加會議期間偶遇廣西柳州歐維姆機械股份有限公司（以下簡稱“歐維姆公司”）總工程師龍躍，雙方談起此事，歐維姆公司樂意一試，先由一批技術骨干研發，但進展不大，公司分管技術研發的副總工程師朱萬旭，這位從清華大學取得碩士學位后，直接回桂參加工作的廣西玉林人得知情況毅然扛起這“燙手重擔”，他的理由是：“中國人有信心建造‘中國天眼。”

朱萬旭長期從事錨固結構研究工作，潛心研究錨固機理，并采取理論分析、有限元計算與試驗相結合方法對錨具進行計算和優化，改進和完善了我國預應力錨固體系，解決了國產錨具錨固效率系數不穩定的難題，為核電站和超低溫儲罐工程應用國產化錨具打下基礎；研究拉索錨固單元的耐疲勞設計，使得鋼絞線拉索系統的疲勞性能滿足國際標準。2011年，他主持完成“GJ鋼絞線整束擠壓拉索體系”，獲廣西科技進步二等獎（排名第二）；2014年，參與完成“現代預應力混凝土結構關鍵技術創新與應用”獲國家科技進步一等獎（排名第七）。憑著自己掌握的尖端技術基礎，讓朱萬旭敢于挑起“中國天眼”索網重擔，帶著新組建的科研團隊與國家天文臺密切協作，強力攻關。

“中國天眼”索網是世界上跨度最大、精度最高的索網結構，也是世界上第一個采用變位工作方式的索網體系，其反射面面積約30個足球場大，技術難度不言而喻，需要攻克的技術難題貫穿索網的設計、制造及安裝全過程，其關鍵技術問題主要包括：超大跨度索網安裝方案設計、超高疲勞性能鋼索結構研制、超高精度索結構制造工藝等。如，主索索段控制精度必須達到1毫米以內，主索節點的位置精度須達到5毫米。整個索網共6670根主索、2225個主索節點及相同數量的下拉索。僅以高應力幅鋼索研制為例，“中國天眼”工程對拉索疲勞性能的要求相當于規范規定值的2倍，國內外均沒有可借鑒的經驗或資料作為參考。索網的研制工作經歷了“失敗—認識—修改—完善”過程，前后歷時一年半時間，最終，歐維姆公司完成技術攻關，實現索疲勞問題的系統解決方案、主索網精度控制工藝及方法、剛性與柔性自適應配合問題等三大自主創新，發明了冷鑄擠壓復合錨固技術、高強預應力鋼絲與鋼絞線組合制索技術等高新技術，研發出符合要求的新的鋼索材料、包裹材料和制造工藝，凸顯四個特點：世界跨度最大、精度最高；工程用拉索可承受應力幅比國內外標準高2倍；首創反射面自適應連接機構；在同行業率先創建索類制品信息化管理系統。endprint

索網項目的成功研發，使“中國天眼”工程避免采用造價高達6億多元的日本碳纖維拉索，為國家節約至少4.8億元成本，使得歐維姆公司獲得“中國天眼”工程索網制造與安裝的合同，成為廣西唯一參與“中國天眼”這個國家重大科學工程的單位，并最終獲得中國科學院國家天文臺（業主）及北京市建筑工程研究院有限公司（駐場監造）的高度肯定。

索網項目成功解決了FAST建造的關鍵技術難題，使得我國射電天文研究領域具有了世界領先的觀測設備；形成12項自主創新性的專利成果，其中發明專利7項，取得成果已在國際專家評審會上得到國外專家組的認可，除成功應用于“中國天眼”工程，這些成果對我國索結構工程領域的研發及制造能力起到了巨大的提升作用，也將應用到國民經濟的其他領域，已先后在開原市濱水新城2號橋、新疆伊犁皮里青河橋、印度STAR BAZZR斜拉橋等工程上得到應用，經濟效益顯著。同時，經過一定的結構簡化或變更，索網工藝可以廣泛應用于公路、鐵路和市政等索類工程。

“中國天眼”的主要目標是探測宇宙中的遙遠信號和物質，實現對宇宙物質成分和演化歷史最基本的理解，也可被用于探測地外文明和生物。李菂說，“中國天眼”是中國很難得的具有世界領先技術指標、又有自主知識產權的科學大設備。

朱萬旭回憶“中國天眼”索網研制和建設過程，感慨地說：“有志者事竟成，我們團隊歷盡艱辛終于建成500米索網，我心里松了一口氣，也對這個大家伙充滿期待，希望它能早日有重大發現，那時候就真正驕傲了。”

朱萬旭參與“500m口徑球面射電望遠鏡超大空間結構工程創新與實踐”項目的設計和施工研究，攻克“中國天眼”500MPa超高疲勞應力幅拉索系統難題，獲得2015年中國鋼結構協會科學技術特等獎（排名第三）、2016年北京市科學技術一等獎（排名第三），2016年獲廣西技術發明一等獎（排名第一）。朱萬旭對預應力錨具和拉索工程實踐認識更加深刻，先后獲30項相關發明專利授權，并積極參與我國相關規范制訂，主編了JT/T 850-2013《擠壓錨固鋼絞線拉索》。

廣西技術“托起”世界最長跨海大橋——港珠澳大橋

“它就是現代世界七大奇跡之一。”這是英國《衛報》對一橋飛架三地的港珠澳大橋的最高致敬。而在這座橋的建設過程中，朱萬旭帶領他的團隊再度施展了超級技術——

港珠澳大橋是連接香港、珠海和澳門三地的特大型橋梁隧道結合工程，橫跨珠江口伶仃洋海域，全長55公里，大橋集橋、島、隧道于一體，不僅是世界上最長的跨海大橋工程，也是中國建設史上里程最長、投資最多、施工難度最大的跨海橋梁項目。

港珠澳大橋項目研究始于2004年，2005年基本確定工程方案，西岸著陸點為珠海拱北和澳門明珠，東岸著陸點為香港大嶼山西北的散石灣。大橋的海中橋梁線路長，工程量浩大，水域臺風頻發，涌浪大，施工環境惡劣，安全風險及環保壓力極大；橋區的航線多、船行密度大，建設條件復雜，需穿越環境敏感區（中華白海豚保護區），環保要求高；海洋環境腐蝕性強，橋梁耐久性要求高，設計使用壽命為120年。為縮短海上作業時間，減少對環境影響，提高作業工效，確保工程質量和結構耐久性，大橋的建設選擇“大型化、工廠化、標準化、裝配化”施工方案。

橋梁墩臺是大橋承受上部結構傳來的豎向荷載及水平荷載的主要結構構件。

根據港珠澳大橋施工方案，港珠澳大橋非通航孔橋梁墩臺采用預制承臺及墩身節段拼裝工藝，必須使用大直徑預應力高強螺紋鋼筋生產及其連接錨固體系，而國內尚不具備軋制大直徑的預應力高強螺紋鋼筋工藝技術和裝備。

“我們要讓廣西技術‘托起世界最長跨海大橋——港珠澳大橋。”朱萬旭向歐維姆公司立下錚錚誓言，他帶領研發團隊歷經兩年的艱苦攻關，終于研制成功大直徑預應力高強螺紋鋼筋及其生產方法，非通航孔橋深水區下部結構的墩身利用75毫米大直徑預應力高強螺紋鋼筋錨固體系+剪力鍵將預制橋墩各節段連接為整體，這是目前國際上所使用的直徑最大的預應力高強螺紋鋼筋連接錨固體系，螺紋鋼筋設計抗拉強度達到1030兆帕以上，2012年根據國家工程質量監督檢驗中心的檢驗結果，高強螺紋鋼筋主要性能參數各指標均優于國內同類產品，達到國外同類產品要求。

產品研發成功后，歐維姆公司配合中國交通二航局等施工單位，在海上完成橋墩1∶1預制承臺現場工藝試驗，進行了高強度螺紋鋼筋錨固體系在承臺預埋、承臺吊裝、墩身節段拼裝、鋼筋張拉、孔道灌漿等工序工藝試驗，并最終獲得港珠澳大橋主體工程橋梁工程合同，這是該體系在國內的首次運用，打破了國外大直徑預應力高強螺紋鋼筋及其錨固體系的壟斷，也填補了國內大直徑預應力高強螺紋鋼筋及其錨固體系的空白。

由此，歐維姆公司負責完成港珠澳大橋主體工程中CB04和CB03兩個標段44座橋墩共105個節段墩身預應力高強螺紋鋼筋的對接、張拉及壓漿施工。

“港珠澳大橋的橋墩，每座有幾十米高，分成3截，而歐維姆公司研發的高強大尺寸預應力螺紋鋼棒穿插其中，把3截橋墩像糖葫蘆連一起。”歐維姆公司總工程師龍躍說，實際上，這根“糖葫蘆竹簽”并不簡單，港珠澳大橋的壽命要求為120年，跨海大橋的橋墩不僅要面對海風海浪的沖擊，當車輛駛過橋面時，也會將力傳遞給橋梁、橋墩。而超強預應力鋼棒就是要承受沖擊、維護橋梁結構的穩定，就像“定海神針”穩穩地將橋墩拼接起來。這項在全國首創的技術，滿足了港珠澳大橋工程要求的120年壽命。

歷時7年多的建設，2016年9月港珠澳大橋主體工程中的橋梁工程全線貫通，2017年7月7日，港珠澳大橋海底隧道正式貫通，這也意味著全球最長的跨海大橋——港珠澳大橋實現了主體工程全線貫通，今年年底將具備通車條件。

在產學研結合中攀登新的科學高峰

2015年，朱萬旭來到桂林理工大學土木工程與建筑學院執教，他想在“象牙塔”中靜心思考，為研發新的工程設計與施工方式找到創新的突破口，并實現產學研的深度融合。

朱萬旭說：“從清華到歐維姆，我在施工工地奔忙了20年，如今想回到學校，一邊傳道授業，一邊總結多年的工作經驗，思考新的科研方向。”

2017年6月，在桂林理工大學的大力支持下，朱萬旭帶領科研團隊創立漢西鳴科技有限責任公司，主攻拉索預應力錨具智能監控方向，這是一項前景廣闊的新技術，就是要在拉索、索網上安裝“神經系統”，感知結構的受力壽命，更有效地管養大型索網設備。

目前，朱萬旭帶領的科研團隊參加第六屆中國創新創業大賽廣西賽區暨2017年廣西創新創業大賽，以初賽組第一名的成績獲得該組別唯一的一等獎。他指導本科生、研究生組隊參加“全國大學生科技創新大賽”獲得廣西金獎，將代表廣西參加全國決賽。

近年來，廣西大力實施創新驅動發展戰略，采取一系列政策措施，推動科技改革發展。朱萬旭說：“廣西人社廳、科技廳出臺各種配套政策，使各類人才創業有機會、干事有平臺、發展有希望，我們科技人員更有信心為廣西的經濟提速貢獻智慧和力量。”endprint