[分享]IStructTE 优胜奖 FAST反射器支撑结构系统

发表于2020-05-22     15人浏览     1人跟帖     总热度:205  

本文转自公众号建筑钢结构进展,编译者为刘玉姝。
结构设计
北京市建筑设计研究院有限公司

该奖项用来颁给那些在建筑(非桥梁)中,采用了对结构尺度相对而言跨度特别大的结构,并展现了结构卓越性能的项目。
● 项目概况 ●
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业主:中国科学院国家天文台
位置:贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县,中国
格构柱和受压环桁架加工及施工:江苏沪宁钢机股份有限公司
索网加工及施工:柳州欧维姆机械股份有限公司
评审委员会评语:
FAST是个尺度非常大的项目,使得300m的抛物线孔径能在500m球形索网内进行跟踪。虽然本质上说这个支撑结构基本上是悬挂在钢桁架环梁上的索网结构,但其实现的尺寸、所需的运动精度(500m范围内误差仅为1mm)、远程位置和分析程度都是同类别项目中的首例,值得被尊重。
经过仔细严格的检查,需要进行的技术上的考虑已经变得很明确,展示了结构工程师一丝不苟的精心设计,打造了这样一个高度具有挑战性的、令人印象深刻的结构。
项目介绍
500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope),简称FAST,被誉为“中国天眼”,位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇大窝凼的喀斯特洼坑中,由我国天文学家南仁东于1994年提出构想,历时22年建成,于2016年9月25日落成启用。工程为中国重大科技基础设施,是由中国科学院国家天文台主导建设,具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜,拥有等同于30个标准足球场的接收面积,由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成。其主动反射系统是一个半径300m、孔径500m的球冠,由主体支承结构、促动器、背衬结构和反射面板组成。
反射面主体支承结构包括格构柱、圈梁和索网。圈梁支承在50根格构柱上,用于支承索网。索网作为背架结构和反射面板的支承结构,包括主索网和下拉索,每个主索节点设一根径向下拉索,下端与促动器连接,通过促动器的主动控制在观测方向形成300m口径瞬时抛物面以汇聚电磁波,且抛物面可在500m口径球面上连续变位,实现跟踪观测。反射面的背架为单元式铝合金网架结构,每个单元的尺寸在11m左右,简支于主索网节点上。反射面板为穿孔铝板,支承于铝合金网架杆件上。
圈梁和索网组成的FAST反射面主体支承结构建于地形、地貌复杂的山区,具有主动变位和高精度的特点,也是迄今为止世界上最大的空间结构,其设计、建造难度较大。
圈梁作为主索网张拉的边界,其自身边界条件,与刚度对主索网的成型和受力有重要影响。圈梁结构的内径和外径分别为500m和522m,沿径向宽度为11m,高度为5.5m。圈梁支承于50根格构柱的顶端,沿环向分为50等份。格构柱为矩形四肢柱,平面尺寸为径向5.5m、环向4m。受场地地形影响,格构柱高度介于3.15~54.265m之间,高度相差非常悬殊,导致其侧向刚度有很大差异.为此在每个格构柱柱顶设置两个沿径向释放、环向固定的单向滑动铰支座来支承圈梁。这种支座形式均匀了圈梁、索网变形,降低了索网疲劳应力幅,消除了柱底拉力,解决了格构柱高低不同带来的一系列问题。为实现圈梁沿径向释放、环向固定的边界条件,采用双向滑动支座加链杆约束环向的方式实现单向滑动铰支座,实现了顺链杆方向约束、垂直链杆方向释放的功能,构造简单、传力明确,消除了现有支座形式容易卡住、丧失滑动功能的问题。圈梁构件由圆钢管、工字钢和焊接异形截面组成。焊接异形截面用于圈梁上弦内及外侧杆件,以便于在构件上设置运输和安装轨道。格构柱的4个分肢柱以及顶部横梁为工字钢,其他构件为圆管。圈梁和格构柱主体结构用钢量约4,900t。
索网结构是FAST主动反射面的主要支撑结构,是反射面主动变位工作的关键点。索网制造与安装工程也是500m口径球面射电望远镜工程的主要技术难点之一,其关键技术问题主要包括:超大跨度索网安装方案设计、超高疲劳性能钢索结构研制、超高精度索结构制造工艺等。而索网工程的顺利完成意味着FAST工程已经在上述关键技术难点方面实现了实质性的突破。
FAST索网结构直径500m,采用短程线网格划分并采用间断设计方式,即主索之间通过节点断开。索网结构的一些关键性指标远高于国内外相关领域的规范要求:例如,主索索段控制精度须控制在1mm以内,主索节点的位置精度须达到5mm,索构件疲劳强度不得低于500MPa。整个索网共有6,670根主索、2,225个主索节点及相同数量的下拉索,节点下方连接下拉索和促动器装置,促动器再与地锚连接,形成了完整的主动反射面系统。索网总重量超过1,300t,主索截面共有16种规格,截面积介于280~1,319mm2之间。由于场地条件限制,全部索结构须在高空进行拼装。
索网由主索网和下拉索两大部分组成,是反射面背架结构的支承系统。主索网由6,670根钢索组成,大部分为短程线型三角形网格,三角形边长11m左右。与圈梁连接的部分索网为四边形网格,边长在2.9~12.4m之间,与主索网节点连接的下拉索共2,225根,长度在3.8~51.4m之间,绝大部分下拉索沿球面径向布置,个别下拉索布置方向微调。钢索采用高应力幅钢绞线拉索,由1,860MPa级⌀15.2mm低松弛预应力钢绞线和1,860MPa级⌀5mm低松弛预应力钢丝组成。
反射面单元分为基本类型和特殊类型两种。基本类型共4,300 块,尺度为10. 4~12. 4m,为普通三角形结构,重约500t,共186种类型;特殊类型共150 块,为四边形结构,重1,000t,单元背架顶点上均有连接关节,通过关节与主索网节点盘连接形成望远镜反射面。反射面单元吊装是将合格的4,450块反射面单元安装到索网节点上,形成望远镜反射面,且要兼顾反射面的后续维护。
主索节点采用“节点盘+向心关节轴承”的构造,节点盘材质采用42CrMo,向心关节轴承为不锈钢材质。拉索通过销轴、关节轴承连接到节点盘,钢索在索网面内、外方向的转动通过向心关节轴承实现。节点盘中部预留作与下拉索和反射面背架的连接区域。
索网采取主动变位的独特工作方式,即根据观测天体的方位,利用促动器控制下拉索在500 m口径反射面的不同区域形成直径为300 m的抛物面以实现天体观测。
FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。其技术难度不言而喻,需要攻克的技术难题贯穿索网的设计、制造及安装全过程。仅以高应力幅钢索研制为例,FAST工程对拉索疲劳性能的要求相当于规范规定值的2倍,国内外均没有可借鉴的经验或资料作为参考。其研制工作经历了反复的“失败—认识—修改—完善”过程,最终历时一年半时间才完成技术攻关。所取得的成果已经在国际专家评审会上得到国外专家组的认可,成功在FAST工程上得到应用。随着索网诸多技术难题的不断攻克,形成了12项自主创新性的专利成果,其中发明专利7项,这些成果对我国索结构工程水平起到了巨大的提升作用。
FAST反射面主体支承系统是由6,670根主索、2,225根下拉索、50根格构柱和内圈直径500m的钢圈梁共同组成的一个复杂结构系统,结构在设计、加工、安装中出现的各种误差都会对索网内力产生较大影响.为了评估各种误差对索网内力的影响,需要对索网进行误差敏感性分析。通过选取钢索索体弹性模量、钢索下料长度、面板和节点自重、主索边缘节点位置、下拉索地锚点位置、滑动支座摩擦系数、圈梁及格构柱刚度、格构柱基础变形等8种结构参数,采用单参数和多参数结合的方法进行误差敏感性分析,评估各种误差产生的影响,就可以依据评估结果制定加工和安装控制标准。
具有中国独立自主知识产权的FAST是目前世界上口径最大、最具威力的单天线射电望远镜,其设计综合体现了我国高技术产业技术创新能力。它将在基础研究的众多领域,例如宇宙大尺度物理学、物质深层次结构和规律等方向提供发现和突破的机遇,也将在日地环境研究、国防建设和国家安全等方面发挥不可替代的作用。其建设将推动众多高科技领域的发展,提高原始创新能力、集成创新能力和引进消化吸收再创新能力。它的建设与运行将促进西部经济的繁荣和社会进步,符合国家区域发展的总体战略。

注:部分内容引自朱忠义,刘飞,张琳,等.500m口径球面射电望远镜反射面主体支承结构设计,空间结构,2017,23(2):3-8.。

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 发表于2020-05-22   |  只看该作者      

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IStructTE 大跨度优胜奖 FAST反射器支撑结构系统

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