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12月 7 2016

500米口径球面射电望远镜正式投入使用,带你探秘工程索网安装施工全过程!


背  景

位于贵州黔南州平塘县大窝凼的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST)全部竣工并于上周日(9月25日)正式投入使用。FAST的接收面积有30个足球场大,由4450块的反射面板单元构成,耗资12亿元。FAST工程总工艺师王启明称,“启用并不意味着最优,我们希望在未来2年内完成FAST的调试,通过观测已经发现的天体目标,来持续调试验证它的性能。”

工程概况

500m 口径球面射电望远镜(简称FAST)是国家科教领导小组审议确定的国家九大科技基础设施之一,是世界最大单口径射电望远镜。而国家天文台FAST工程索网结构是天文望远镜主动反射面的支撑结构,是实现反射面主动变位的关键点,制作安装要求严格。如图1 所示,共包括2225个主索节点、6670根主索和2225根下拉索,总重约1300t。索网结构直径500m,采用短程线型三角形网格划分的方式,并采用间断方式设计。除边界节点外每个主索网节点连接6 根主索和1 根下拉索。主索网通过150根边缘主索固定在周圈环梁上,下拉索下端与地面促动器相连以控制整个索网变位。

图1 索网结构

索网安装总体方案

索网主索索长误差要求控制在±1mm 内,达到索长的1/10000精度要求,且处于无应力长度安装。由于地形条件复杂,所有安装工作均在空中完成。为此,研制了能够高斜度爬升的挂篮等专用施工装备。

根据工程实际情况,如图2 所示,索网安装按对称轴划分为5 + 1 个区域, 中心区为索网中心80m范围,先行利用支撑胎架独立安装索网;然后周边5个主区同时同步对称施工。在5 个对称的施工主区域中心处利用钢丝绳设置施工通道,施工通道上安装2 个锚固平台作为施工过程中施工索道锚固点,并承担运送拉索、节点盘及质量较小设备的任务,如图3 所示。采用4 根ϕ32 钢丝绳作为施工通道的主要承重索,上下端分别锚固在周围圈梁及独立塔架上。

图2 索网分区及施工通道布置平面

图3 锚固平台

在5个主施工区域建立施工索道供拉索运输与安装。索道一端锚固在圈梁的移动台车上,另一端锚固在独立塔架或施工通道的锚固平台上。索道上端安装固定钢丝绳固定滑车,滑车下端连接手拉葫芦。其中,施工通道为固定索道,承受较大荷载,施工索道随安装进度不断转移。

索网安装过程

索网安装主要包括:主索安装、横向索安装、下拉索安装。中心区域的主索、横向索及下拉索在地面同时安装。空中作业区安装时先利用施工索道完成主索及下拉索安装,再利用相邻的施工索道完成横向索连接,最后在地面上进行下拉索临时锚固及位置调节。

中心区域索网安装

以馈源舱为中心的80m 范围内为中心区和地面操作区。如图4 所示,首先在各节点处搭建施工胎架,各胎架间设置斜撑来控制面索挠度;利用地面的汽车式起重机将节点盘吊至胎架上并调整节点盘方向,便于拉索安装;为控制拉索挠度,利用3点起吊的扁担梁将拉索运送至节点盘之间,利用手摇千斤顶将插销安装到位;将下拉索的上叉耳与节点盘下叉耳连接,下端用临时收紧装置与地面连接。

图4 中心区施工现场

空中作业区域索网安装

空中作业区域索网在安装过程中,部分拉索利用施工索道及圈梁上的溜索系统运输。对于地势较平缓区域则由人工进行搬运,再利用施工索道上的滑车及手拉葫芦将拉索运送至安装位置。

主索及下拉索安装

主索质量及长度较大,无法一次性运送安装,故主索进行单根安装。每根主索与圆盘节点及下拉索在独立塔架或锚固平台上进行连接,运送到固定位置后与上一根拉索连接。如图5 所示,详细步骤如下:①将第1 根主索在施工平台上与节点盘连接,节点盘下端连接下拉索。对于较长下拉索,为施工方便先进行盘卷。②用固定于滑车下的手拉葫芦吊起拉索两端,利用移动台车上的卷扬机将拉索运送至固定位置,并利用索道上的固定钢丝绳固定滑车避免滑落。③利用步骤②方法将之后的拉索运送至固定位置,直至整个主索及下拉索均运送至预定位置。④将拉索与节点盘利用手摇千斤顶进行安装,安装完成后将盘卷的下拉索解开,使下拉索处于自然伸长状态。⑤解除手拉葫芦和拉索的连接,使施工索道处于自然状态,利用卷扬机将滑车运送至下端。拆除多余滑车,每个施工索道上只留一组滑车及手拉葫芦进行横向索安装。

图5 主索安装

横向索安装

在相邻2 个主索安装完成后,利用施工索道进行横向索安装。为便于说明,将相邻2 个施工索道命名为A,B,从圈梁位置往中心区域节点依次为1,2,3,…,n。

如图6 所示,具体安装步骤:①相邻两索道A,B上各安装一部挂篮,挂篮被牵引至待安装横向索节点处A1,B1 处;②利用溜索系统将横向索运行至安装位置;③组装连接A1,B1 节点之间的横向索;④移动A 索道上的挂篮至A2 节点处,安装A2 与B1之间的横向索;⑤移动B 索道上的挂篮至B2 节点处,安装A2 与B2 之间的横向索;⑥重复以上安装过程,直至相邻两纵向索间所有横向索安装完成。

图6 横向索安装

下拉索安装

1)下拉索安装采用几何控制法进行施工控制,按照既定位置安装固定下拉索。

2)下拉索上端与节点盘的连接和主索安装同时进行,均在独立塔架或锚固平台上进行。主索安装后,将下拉索卷盘释放,使下拉索处于自然伸长状态。

3)下拉索下端通过绳索拉至地锚位置,通过手拉葫芦与地锚上的临时收紧装置连接,如图7a 所示。安装完成后,通过下拉索的初步张拉及边缘索调节对索网整体进行位形调节,并将临时收紧装置替换为促动器,如图7b 所示。

图7 下拉索安装

4)下拉索安装完成后对索网进行二次张拉,确定索网的整体位形,完成FAST项目的索网安装工程。

中科院国家天文台台长严俊透露,上周FAST在早期的科学观测中已成功接收到了外行星的信号。他在接受《中国科学报》记者采访时介绍,利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址,并在洼坑内铺设数千块单元组成500米球冠状主动反射面,球冠反射面在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面,同时采用轻型索拖动机构和并联机器人,以实现接收机的高精度定位,这些都是FAST在设计和建造中实现的自主创新内容。

“启用并不意味着最优,我们希望在未来2年内完成FAST的调试,通过观测已经发现的天体目标,来持续调试验证它的性能。”FAST工程总工艺师王启明告诉《中国科学报》记者。

根据国际射电望远镜的建设及运行经验,FAST竣工后将进入紧张的调试——试运行观测阶段。美国天文台长安东尼·詹姆斯·比斯利则在接受《中国科学报》记者采访时表示,FAST的建成对中国来说是一个机会,它让中国科学家走到世界前沿,相信其启用后会对包括美国在内的世界射电天文学的研究发挥更大贡献。

“宇宙的天体目标非常遥远,对于天文学家来说,总是希望建设更大、灵敏度更高的望远镜,以便观测到更远、更暗弱的天体目标。FAST的建成令人惊叹,会把中国天文学带到世界第一梯队。”SKA总干事菲利普·约翰·戴蒙德在接受《中国科学报》记者采访时说。

诺贝尔获得者约瑟夫·泰勒则对《中国科学报》记者表示,这是一个新的阶段,FAST是世界一流的低频射电望远镜,全世界的目光都聚焦于此。“中国在天文领域已经做出了很多贡献,但科学没有边界,我相信全世界天文科学家都会热情参与其中。”

FAST是具有我国自主知识产权的大科学装置,由中国科学家创新设计、研发制造、组织施工,它被形象地称为“中国天眼”,将在今后10-20年时间里保持世界一流,对于帮助人们揭开宇宙初始混沌、暗物质分布及星系演化等谜团意义重大。

作者:朱万旭,李长乐,张国强等。更详细内容请见《施工技术》杂志2016年第14期。施工技术编辑整理,有删改。

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Written by yuefabo


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