航天發射塔架結構變形檢測方法研究

馬超，蓋泳伶，高云鵬，焦貴軍，何昀曉

（1.中國人民解放軍63602部隊，酒泉 732750；2.中國人民解放軍63637部隊，酒泉 732750）

引言

航天發射塔架是發射場的重要組成設備，主要由塔體結構、電纜井道、活動工作平臺、塔吊、電纜擺桿、電梯、逃逸救生滑道及工藝房間等部分組成。近年來，隨著我國航天任務高密度常態化發展，任務準備周期越來越短，對發射塔架的運行狀態及可靠性的要求越來越高。

航天發射塔架投入使用十多年來，已完成了多次航天任務發射，經歷了大風、極寒、高溫、地震、火箭尾焰炙烤等多種環境因素影響，塔架的一些部位發生了銹蝕、開裂、脫焊，塔架部分基礎也出現了沉降裂縫，這些狀態的變化，是否產生了航天發射塔架結構變形，是否會影響航天任務發射，需要對其技術狀態進行檢測[1]。

根據航天任務的檢修計劃，每年要對塔架進行檢測，或者在大風、地震等環境因素影響后，為及時掌握發射塔架技術狀態，需要對塔架進行結構變形進行檢測。航天發射塔架是一個大型的鋼結構，由許多結構件通過焊接和螺栓固定，如何對航天發射塔架進行結構變形進行檢測，成為當前的主要問題。本文結合大型鋼結構的檢測方法，考慮的檢測效率，研究采用軟件仿真與實踐相結合的方法進行。通過綜合考慮，本文在塔架受力分析的基礎上，根據分析結果合理選擇檢測測點，依據所測得的數據對發射塔架的結構變形進行了檢測，為塔架的健康檢測提供了方法，為研究塔架結構變形影響因素提供依據[2]。

1 發射塔架受力分析

發射塔架平臺結構包括四組活動平臺、13層升降平臺、1層固定的底層平臺和相應的液壓、電控設備，發射塔架的固定塔為鋼筋混凝土結構，活動平臺部分為鋼結構。通過建立有限元模型，分析發射塔架的受力分布，確定發射塔架扭曲和彎曲部位較大的部位，為檢測點的選擇提供依據[3]。

1.1 模型建立

1）幾何模型

航天發射塔架工作平臺由活動平臺結構、升降工作平臺、小封閉和保溫封閉及液壓動力系統組成，其主要功能是為產品的吊裝對接、測試、加注等工作提供操作面。在建立好機械設備的三維圖形元件庫后，按實際機械結構原理，將庫中的元件取出，組織裝配三維可視化航天發射塔架。航天發射塔架結構包括塔體結構，升降活動平臺、電纜擺桿和塔吊四大部分，為方便建模，對塔架各平臺的圍欄、供氣、供電線管路等非重量件進行了省略[4]。

2）網格劃分

在對發射塔架進行仿真分析時，選擇發射塔架活動平臺第4層進行分析，活動平臺為桁架結構，由鋼管、檁條通過焊接和螺栓連接，受力主要是自重和風載，為便于研究，將其簡化為梁單元進行受力分析。采用有限元進行受力分析時綜合考慮運算效率和運算精度，對活動平臺的部分結構進行簡化，對應力集中的地方進行較密網格劃分，具體第4層活動平臺有限元模型如圖1所示[5]。

圖1 第4層活動平臺有限元模型

3）定義邊界條件

在進行有限元分析時，通過現場分析發射塔架第4層活動平臺的鋼結構為Q235普通碳素結構鋼，通過查閱標準后在有限元軟件中將其密度設定為7.85 k/cm3，彈性模量設定為2.06×105 Mpa，泊松比設定為0.3 V，第4層活動平臺主要運動軌跡為圍繞回轉軸的轉動，將圍繞回轉軸具有回轉自由度的約束作為便捷條件[6]。

1.2 計算結果

在建立了第四組活動平臺結構有限元模型的基礎上，調入MSC.NASTRAN求解器進行計算，匯總結果，一、二、三、四階固有頻率及振型結果如表1所示。第4層活動平臺封閉后的前一、二、三、四階振型如圖2所示[7]。

表1 第4層活動平臺一、二、三、四階固有頻率、周期及振型

圖2 第4層活動平臺一、二、三、四階振型圖

1.3 仿真分析

1）由于第4層活動平臺回轉封閉，其自由度為1，故其一階振型頻率為0；由表和圖可見，二、三、四階的結構振型分別為扭曲振型、彎曲振型和封閉版局部振型。

2）根據《建筑結構荷載規范》中明確的當結構的自振頻率是激振頻率的0.85~1.1倍范圍以內時，結構在動特性上是不安全的。自然風荷載的激振頻率一般是0.5 Hz左右，通過表1可知，第4層活動平臺封閉狀態下自振頻率在風的激振頻率0.85~1.1倍范圍以外，則可以看出第4層活動平臺封閉后在結構動特性上是安全的。

3）從模態分析的角度，該尺寸的塔架性能是可靠的，分析極限載荷情況下塔架的性能將在靜態分析中予以研究。

4）根據圖2可見，第一組活動平臺和第四組活動平臺扭曲和彎曲部位較大的地方均在塔架前端，這為塔架進行結構變形監測的測點選擇提供了理論依據。

2 鋼結構變形常用測量方法分析

航天發射塔架是一個整體的大型鋼結構，包含了鋼梁、吊車梁、檁條、桁架等結構件，對塔架結構變形檢測時主要檢測上述結構在平面內的垂直形變、平面外的側向形變、表面的凹凸局部形變，塔架整個結構傾斜和基礎不均勻沉降。目前可用來測量塔架形變的常用一起包括水準儀、經緯儀和全站儀。

2.1 水準儀檢測結構件跨中撓度的方法

水準儀在測量鋼結構跨中撓度時可獲取較為精確地數據，測量結構件時，首先將水準儀固定在鋼結構一側，其次通過旋轉水準儀云臺可同時獲取位于結構件兩端和跨中所垂直立的標尺的標度，用f0,f1,f2表示結構件跨中和兩端水準儀的讀數，最后在采用式（1）進行計算：

計算得到的f數值，即為結構件的撓度。在進行測量時，為提高測量精度，采用水準儀讀取標尺數據時，測度次數不少于3次，并取多讀數的均值作為最終計算數據。

2.2 經緯儀檢測構件傾斜度的方法

檢測鋼結構建筑物傾斜一般采用經緯儀測定，其主要步驟有：

1）經緯儀位置的確定

測量鋼結構建筑物的傾斜時，經緯儀位置如圖1所示。其中要求經緯儀至鋼柱及建筑物的間距L大于鋼柱及建筑物的寬度。

2）數據測讀

如圖3所示，瞄準鋼結構建筑物頂部M向下投影得N點，然后量出NN1間的水平距為b，以M點為基準，采用經緯儀測出垂直角角度a。M為建筑物頂部基準點（一般為墻角的最高處），M1為未傾斜前建筑物頂部基準點位置，N為墻角與經緯儀同簡度的測點，N1為與經緯儀同高度并與M點向下垂直的交點，H1為經緯儀的高度，H為建筑物頂部基準點至N1點的高度，a為用經緯儀測量的M點垂直角，L為經緯儀至建筑物底部的距離，b為NN1間的水平距離。

圖3 經緯儀檢測構件傾斜度

3）結果整理

根據垂直角a，計算測點高度H。計算公式為：

則鋼結構建筑物的傾斜量為：

鋼結構建筑物的傾斜量△為；

根據以上測算結果，綜合分析四角的傾斜度及傾斜量，即可描述鋼結構建筑物的傾斜情況。

2.3 水準儀檢測結構沉降的方法

鋼結構沉降觀測采用水準儀測定，其主要步驟有：①首先確定水準儀固定位置，在鋼結構附近選擇一塊位置，用于安放水準儀，并做好標記，便于后續多次測量時使用，所選的位置在鋼結構地基變形的影響范圍之內，土層比較堅硬，可人工設置水泥平臺作為固定測量點；②其次確定鋼結構觀測點位置，根據鋼結構的特征選擇能反映地基沉降或者形變較明顯的位置，設置的標志點數最少不少于6個，標志點應是半球形或有明顯突出的特征便于識別，標志點應牢靠的固定在鋼結構上，用于多次觀測；③最后進行數據測量整理，對鋼結構沉降的觀測時間應根據實際情況確定，通過多個周期的數據對比來判斷鋼結構的沉降速度，沉降速度小于0.1 mm/月時可認為沉降是符合要求的。通過對比鋼結構不同位置的沉降數據差，可判斷鋼結構不均勻的沉降情況，如有沉降不均勻的情況，應調整觀測點進行多次測量對比分析。

2.4 全站儀檢測結構沉降的方法

鋼結構沉降觀測采用全站儀測定時，其主要步驟有：①確定測量基準點，根據建筑物的結構，在能夠通視整個建筑物的位置架設全站儀；②在建筑物需要測量的位置設置目標反光貼；③通過設置全站儀設備參數，確定儀器的高度，基準點位置；④設置儀器的X、Y、Z三軸，測量出目標反光貼具體位置[8]。

綜合對比上述三種儀器，可以看出全站儀的優勢為：“可自動測出目標點距離、目標點左右偏差、目標點高度等信息，使用全站儀可以將高差沉降、左右偏差、角度全部測出”。考慮到塔架的結構特征，進行塔架結構撓曲變形時選用全站儀進行測量。

3 塔架結構撓曲變形分析

3.1 測點布置

航天發射塔架常規性結構特性測量的主要工作是進行活動平臺撓曲度變化情況測量，通過在航天發射塔架設置不同的觀測點，多觀測點進行多個周期測量，分析對比測量數據，可以得到航天發射塔架在各種環境因素影響下的結構變形的變化趨勢。航天發射塔架活動平臺共有4層，每層分為東西兩半部分，測點選擇在每聯頂層與底層兩層上布置，測點布置樓層如圖4所示[9]。

圖4 測點布置樓層示意圖

在各層擬測樓層上各布置10個測點，分別布置在活動平臺東側外壁活動平臺根部、端部及中點3個點，活動平臺北側東半組最東端與最西端2個點，活動平臺北側西半組最東端與最西端2個點，活動平臺西側外壁活動平臺根部、端部及中點3個點，測點布置如圖5所示。

塔下觀測點布置在塔架西北側與東北側的兩個大地測量基準上。西北側大地測量基準如圖6所示。

圖6 西北側觀測點位置

3.2 確定設備

測量設備選擇使用無棱鏡全站儀與反光信標配合作業，反光信標安裝在塔上觀測點位置。反光信標如圖7所示。反光信標的反光面必須正對全站儀觀測面，因此需要在塔架觀測點位置處事先安裝鴨嘴架，在鴨嘴架上安裝反光信標，便于調整反光信標反光面朝向。測量設備選擇使用無棱鏡全站儀，如圖7所示。

圖7 反光信標和全站儀

3.3 測量流程

首先安裝測量反光信標，預先在塔上測點位置處安裝信標支架，根據測點位置不同制作不同尺寸支架，使信標正面基本正對于觀測點，考慮到反光信標室外使用壽命，每月更換一次反光信標；然后測量觀測點相對高差，使用全站儀配合反光棱鏡，測量出兩個觀測點之間高差，理論上該高差值為零；最后逐點進行測量，使用全站儀配合反光信標進行逐點測量，記錄各點標高，受相對位置約束，觀測點1用于測量活動平臺東側各測點，觀測點2用于測量活動平臺西側各測點。

3.4 塔架結構變形趨勢分析

從2020年4月到2020年7月不間斷的對航天發射塔架標高進行監測并將所有記錄的數據存檔，如圖8所示為監控測量點的分布。

圖8 平臺標高測點選擇示意圖

選取塔架測量點時左右對稱分布，在測得塔架各點標高后計算各層活動平臺的撓度，撓度計算公式見公式（1）。表2為各目標點絕對標高值，以觀測點為基準測出所有數值，表3為后四次所測數據與第一次數據的差值。為反映塔架標高的真實情況，檢測人員在每天的不同時間段進行數據監測。

表2 目標點絕對標高值

表3 各目標點高差變化表

由表2、3可見，塔架西側觀測點B1-B8比塔架東側觀測點A1-A8標高值普遍偏低，由于觀測時未以塔架地面為基準點，在忽略地面平整度的影響下，說明塔稍微向西傾斜。

圖9為各目標點高差變化圖，在下午16∶00時各目標點標高值變化最高，這是由于塔架標高受溫度影響，每天下午16∶00溫度最高，塔鋼結構受溫度熱脹冷縮，導致這種狀況的發生。

圖9 目標點高差變化圖

根據有限元分析，根據發射塔架結構設計，可以看出航天發射塔架在封閉狀態下受自重、風載等靜載荷對結構變形的影響較小。通過分析對比前幾個周期測量的數據可知，航天發射塔架結構變形的主要是受震動、溫度及地基沉降等環境因素影響。

4 結語

航天發射塔架的檢測至關重要，采用有限元建立模型進行受力分析，確定第4層活動平臺的觀測點，通過分析現有鋼結構檢測方法，選用全站儀進行檢測。經過多個周期的檢測，通過對數據整理分析后發現發射塔架的結構變形主要是由震動、環境溫度以及地基沉降等環境因素所影響，自重和風載荷影響較小。這種仿真與實踐相結合的檢測方法科學嚴謹，操作簡便、易于推廣使用，后續應用于航天發射場的其他設備檢查，這種方法為塔架結構的狀態檢測與故障預測分析提供了依據。