巨型天文望远镜反射面支撑索网建造关键技术

黄颖 朱万旭，2 姜鹏 韦福堂 雷欢 张琳

1 柳州欧维姆机械股份有限公司 柳州 545006；2 桂林理工大学 桂林 541004

3 中国科学院国家天文台 北京 100012；4 北京市建筑设计研究院有限公司 北京 100045

巨型天文望远镜反射面支撑索网建造关键技术

黄颖1朱万旭1，2姜鹏3韦福堂1雷欢1张琳4

1 柳州欧维姆机械股份有限公司 柳州 545006；2 桂林理工大学 桂林 541004

3 中国科学院国家天文台 北京 100012；4 北京市建筑设计研究院有限公司 北京 100045

FAST工程的单一口径大、索网精度高、疲劳应力幅大、地貌复杂施工难度大。为了提高索网的安全性和耐久性,确保FAST工程的顺利建成,开展了多项创新性关键技术研究：500MPa应力幅索网主索技术研究、空间索网用盘式节点的研发、反射面单元自适应连接机构、超大型索网施工工艺研究。

500MPa疲劳应力幅盘式节点反射面单元自适应连接机构超大型索网施工

1 工程概况

500m口径球面射电望远镜(简称FAST工程),隶属于国家“十一五”重大科学工程项目,是目前正在建设中最大的单口径射电望远镜, 与原世界最大的美国300m口径Arecibo望远镜相比,FAST灵敏度高2.25倍。该望远镜口径500 m,相当于30个足球场大小,可实现5项基础科学研究：巡视宇宙中的中性氢、观测脉冲星,研究极端装态下的物质结构与物理规律、主导国际甚长基线干涉测量网、探测星际分子——研究恒星形成与演化及探索太空生命起源、搜索星际通讯信号——寻找地外文明1,对人类进行太空探测具有重大意义。目前现场建设整体情况如图1所示。

主动反射面系统作为FAST 工程的三大自主创新之一,其核心是指反射面的主动变位功能,即反射面支撑结构须能实现由球面到抛物面的频繁变位工作。FAST的主动反射面是一个口径500m的球冠,球冠张角110-120。,观测时反射面通过主动变位形成有效照明口径300m、焦比0.4665的旋转抛物面,抛物面的表面均方差为5mm,主动变形时表面沿径向最大变形位移约为±47cm,表面沿径向最大变形速度1.2mm/s。该望远镜采用柔性索网作为主要支撑结构,由此造就了一个超大跨度、超高精度、主动变位工作模式的索网工程。反射面单元安装完成后的FAST工程整体见图1。

图1 FAS下工程整体图(反射面单元安装完成)

2 技术特点及难点

“应用主动反射面技术在地面改正球差”的核心技术是指反射面主动变位功能,其关键技术难点有反射面板主动变位过程中索网长期承受超高疲劳应力幅、索网超高加工精度技术以及反射面板变位过程中的面型保持技术。

索网结构由主索网、下拉索、促动器及周边支承结构共同构成,是整个体系的支承和角度调整机构,是整个项目的“生命线”2。整个索网共6670根主索、2225个主索节点。总重约为1600t,主索截面一共有16种规格,截面积介于280mm2～1319mm2之间。主索网四周连接于周边支承圈梁结构上,每个主索网节点连接下拉索使其作为控制索。下拉索下端再与促动器连接,通过控制促动器在反射面局部区域形成300m直径的抛物面,以汇聚电磁波对天体观测。索网主索在工作阶段一直处于变幅、不等应力水平的往复荷载作用下,其应力松弛、变形,疲劳都会对整个FAST结构产生影响。其外在反映最突出的影响就是,拉索索力重新分配并导致反射面形态发生变化,影响FAST整体性能稳定；望远镜在未来30年可能发生228,715次观测的情况下,索网将会承受400～455MPa应力幅近3万次,承受300～400MPa应力幅5万余次,承受200～300MPa应力幅近3万次3、4、5。

利用贵州喀斯特洼地,建造FAST索网,要将覆盖在30个足球场的信号聚集在馈源仓里,否则就无法监听到宇宙中微弱的射电信号,因此500m口径的索网结构,其每一根主索的加工精度都必须控制在±1mm以内,最终500m口径的控制精度是±5mm。

3 关键技术

FAST索网结构在设计和建造中采用了以下关键技术

(1)500MPa应力幅索网主索技术研究；

(2)空间索网用盘式节点的研发；

(3)反射面单元自适应连接机构；

(4)超大型索网施工艺艺研究。

3.1 500MPa应力幅索网主索技术研究

3.1.1 500MPa应力幅耐疲劳高精度索网的主要创新点

FAST反射面在球面基准态时,主索网应力水平为500MPa,创新性地开展了500MPa应力幅耐疲劳高精度索网用主索的研究与应用,主要创新点如下：

(1)研发了冷铸挤压复合锚固技术。采取等强度设计方法和挤压工艺,使拉索钢丝在锚固段的最大剪应力趋同并消除了微动磨损,实现拉索500MPa高疲劳应力幅的技术指标,解决了FAST索网变位过程中索疲劳破断的难题。该项技术成果突破了国内外相关标准中250MPa疲劳应力幅的最高限值,攻克了FAST索网建造的技术瓶颈。

(2)研发了高强预应力钢丝与钢绞线组合制索技术。各钢丝和钢绞线间隔离防腐,提高了拉索的耐久性；同时,减少了索规格间的截面积差,实现拉索设计索力精确匹配,提升索网的柔性,优化索网疲劳应力幅的分布,对索网的变位控制起到关键作用。

(3)研发了大型工程拉索索长的高精度控制技术。创造性地集成了恒温调索、数控张拉和激光跟踪检测等技术,首次提出工程结构拉索“毫米级精度”索长调节方法,成功实现了索长精度±1mm,相对误差为万分之一的高精度要求,保证了索网的精确成型。该技术成果远远超出了制索标准中索长控制±20mm的要求。

3.1.2 500MPa应力幅耐疲劳高精度索网用主索的优点

500MPa应力幅耐疲劳高精度索网用主索的优点如下：

(1)冷铸挤压复合锚固技术制成的拉索,其疲劳应力幅与国内外拉索进行对比提高了近2倍。

(2)预应力钢丝与钢绞线组合制索技术属于预应力行业内的首次尝试,不同规格拉索之间截面积差值小,丰富了拉索规格,有效避免材料浪费,索体内部采用隔离防腐,防腐性参更加优越。

(3)建立了系统的高精度索长调节方案,集成数控张拉、激光跟踪检测等技术手段,简单、快捷的实现了索长±1mm的调节要求索长精度得到控制,极大的增加了索网工程的位型精度,有利于索网结构更好的运行,同时也极大提高了索网结构的安全性能。

(4)项目涉及产品具有要求高,数量大,规格多,不同规格之间区别小的特点,信息化管理系统包含了从产品生产到物流运输、到工程现场使用的全过程,能够更好的从整个工程的角度对项目进行管理。

3.2 空间索网用盘式节点的研发

3.2.1 空间索网用盘式节点创新点

采用圆盘式节点与向心关节轴承组合,并根据索网构造需要,在节点表面设置相应数量销孔的方案,解决了索网高空高精度组网的难题。该结构具有精度高、安装简便、重量轻、且能够满足索网相对于节点一定角度偏摆要求的特点,避免了索网节点连接为焊接件而存在的安全隐患与重量超重间题6,实现了索网便捷快速的安装。创新点如下：

(1)采用圆盘式节点与向心关节轴承相结合的方式实现了空间索网的连接要求,由于其节点与轴承均在工厂加工并组装,可以极大的提高该结构的精度要求,从而提高索网系统的安装精度,有利于提高索网系统的匹配性与适应性；

(2)使用圆盘式节点与向心关节轴承相结合的方式,可以根据索网需求,实现拉索相对于空间索网结构圆筒形节点任一方向一定幅度的转动,极大的增加了索网系统的自适应性与安全性；

(3)圆盘式节点可以根据对应位置与之配合使用的拉索的极限拉力设计成厚度不均的扇形面,能够有效的降低索网的自重,从而优化索网的受力。

3.2.2 空间索网用盘式节点的优点

与现有索网或拉杆连接节点结构形式相比,本项目创新设计的节点具有安装容易,质量轻,安装精度高,性能稳定,自适应性强,安全系数高的优点,具体体现在：

(1)拉索通过向心关节轴承连接在节点盘上,可以实现各个方向的转动,且不同方向拉索或拉杆的角度可以自由控制。

(2)构造体系受力合理,有效降低整体重量,并使得安全系数得到提升。

(3)节点上轴承孔的加工精度容易保证,能够达到较高的精度要求。

可见,节点盘除了能够满足FAST功能需求外,也为空间索网的连接提出了新颖的结构形式,为其它空间索网工程提供了更优的选择,且明显优于现有结构。

图2 圆盘式节点

图3 节点及500MPa应力幅主索应用工程现场

3.3 反射面单元自适应连接机构

FAST反射面变位控制过程中,索网呈柔性,各节点之间有相对位移。而面板单元则呈刚性,三个节点位置相对固定。这就需要在面板和索网节点之间设计自适应连接机构,使变位过程中面板单元可以自适应于索网运动,避免面板因受附加应力而影响面型精度。

每块反射面单元的三个支点分别采用0节点、1节点和2节点支撑连接。0节点的连接杆和关节轴承固定连接来约束三个平动自由度；l节点的连接杆上设置有直线运动段,该直线运动段能够沿其轴向在关节轴承内运动,以约束两个平动自由度, 2节点约束一个平动自由度。其优点在于：

(1)反射面单元通过3 种节点的匹配连接能够在设定尺度范围内自适应于索网节点的运动,以减少反射面单元和拉索承受的载荷,保证了反射面的位形精度。

(2)考虑反射面单元连接运动参数切向摆角±6。,切向位移±50mm,最大速度0.2mm/s,受最大0.5t重力载荷作用,滑动摩擦付和关节轴承均采用摩擦系数小的TPFE材料,保证节点与反射面单元接口平顺、无爬行现象。

(3)节点盘上6组上层连接结构的夹角种类总计117种,按实际夹角进行结构设计、制造,实现节点运动的方便性及灵活性。

自适应机构方案示意见图4,图5为FAST工程现场自适应机械应用,其上已安装了4块反射面板。

图4 自适应机构方案示意图

图5 自适应连接机构安装现场

3.4 超大型索网施工艺研究

FAST项目选址在贵州,利用独一无二的贵州天然喀斯特洼地作为望远镜台址,台址原貌见图4,经整形后见图5。整个FAST反射面支撑索网安装跨度500m,高度达134m,面索索网体量大、分布广,同时受地形制约,无法进行地面组装或搭设满堂架平台,为此根据索网对称性,研究出将索网结构划分出5个区域同时施工,在每个区域相同位置安装径向施工通道以及随安装进度不断转移的悬空施工索道,在空中完成索网拼装的施工工艺7、8、9。

图4 台址原貌

图5 施工整形

索网安装的总体原则是：面索网严格按照无应力长度组装,分区施工、地面支架散拼,高空索道辅助吊装、牵引滑移吊装,下拉索采用促动器和施工千斤顶进行张拉。根据面索网的对称性,索网结构划分为5+1个区域施工,其中5个区分别为A区、B区、C区、D区和E区。五个区成72。旋转对称,在索网施工时需要对称同步施工。+1区为F区,即靠近馈源仓附近直径80m范围,施工时采用支架散拼,如图6所示。在Φ80m的圆周上对称为五个区设置独立塔架,并在圈梁上设置可移动式台车、龙门吊、猫道和施工索道等。五个区面索、下拉索采用塔式吊机垂直运输到圈梁顶部的运索小车,由其沿圈梁运输到五区对称轴位置的猫道索上方,通过设在圈梁顶部的龙门吊,单件下放到猫道上方的溜索索道,由其溜滑到下端。通过尾部接长工艺和牵引工艺安装面索和下拉索。首先安装对称轴位置的拉索,然后对称向两侧扩展施工,安装示意见图7,最后安装F区的面索和下拉索,所有面索和下拉索安装完成后,促动器预紧张拉下拉索。采用此施工工艺的优点在于：

(1)面索在挂索施工过程中,为无应力状态安装,全部面索安装完成后,仅在圈梁的150根索进行张拉调索,极大简化张拉施工,有利于索网形位精准度。

(2)500m范围的面索安装,全部在空中完成,无需架设满堂架施工,节约大量人、物、财力,施工周期合理。

(3)安装时五部分对称安装,可防止圈梁变形过大,最终索

网位型精度达到±5mm。

工程完工后的实际索网精度为3mm,圆满完成施工任务。

图6 索网施工区域划分示意图

图7 安装面索顺序示意图

5 结论

FAST工程的单一口径大、索网精度高、疲劳应力幅大、地貌复杂施工难度大,500m口径索网建成后成为世界上最大索网支撑系统。为了提高索网的安全性和耐久性,确保FAST工程的顺利建成,开展了多项创新性关键技术研究：500MPa应力幅索网主索技术研究、空间索网用盘式节点的研发、反射面单元自适应连接机构、超大型索网施工工艺研究。这一系列创新技术,将对其他超大型建筑结构的设计、施工具有较好的指导作用。

1 南仁东,500m球反射面射电望远镜FAST.中国科学G辑.2005,35 (5)：449~466

2 金晓飞,钱宏亮,范峰,等. FAST30米模型整体索网张拉方案的研究［J］. 空间结构,2007(2)：22-25.

3 范峰,金晓飞,钱宏亮.长期主动变位下FAST索网支承结构疲劳寿命分析［J］. 建筑结构学报,2010(12)：17-23

4 姜鹏,朱万旭,刘飞,等.FAST索网疲劳评估及高疲劳性能钢索研制［J］.工程力学,2014,32(9)243-249

5 孔旭,姜鹏,王启明. FAST索网高应力幅变位疲劳间题的优化分析［J］. 工程力学,2013(S1)：169-174

6 杨帆,朱万旭,黄颖,等. 空间索网结构用节点盘及方便换索的空间索网：中国,CN201320138023.X［P］. 2013-09-18

7 郭正兴、许曙东,刘志仁. 预应力鞍形索网屋盖工程施工工艺研究［J］.施工技术,1999,28(12)：9-11.

8 乔光宇. 单层索网点支承玻璃幕墙安装工艺［J］. 内蒙古科技与经济, 2013(2)：107-108.

9 韦福堂,朱万旭,田蕾蕾.国家天文台FAST工程索网安装施工技术［J］.施工技术,2014,43(2)18-20.

TU741.1

B

1672-9323(2016)05-0033-04

2016-09-14)

本文得到2016年广西壮族自治区培养新世纪学术和技术带头人专项资金资助