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首页 >>> 市场五版
中国设计撑起“中国天眼”
 
  来源:中国建设报     2017-05-17
 
 

2016年9月,被誉为“中国天眼”的国家重大科学工程——500米口径球面射电望远镜(简称FAST)在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县落成并启用,引起巨大国际反响。500米口径、主动变位、超高精度、边界复杂成为“中国天眼”建设面临的最大挑战。通过一系列建筑设计创新和科研攻关,北京市建筑设计研究院有限公司(以下简称BIAD)在复杂喀斯特地形条件下撑起了“中国天眼”,为实现1994年我国天文学家提出的“利用喀斯特洼地作为望远镜台址、建设可主动变位的巨型球面望远镜”构想提供了关键技术支撑,其参与设计的超大空间结构工程创新与实践项目也于近日荣获北京市人民政府科学技术一等奖。

滑动边界圈梁应对复杂地形

作为目前世界上惟一的可主动变位望远镜,FAST具有尺度巨大、主动变位、超高精度、边界复杂4大特点。FAST的内径500米、外径达到522米,由近46万块三角形单元拼接成球冠形主动反射面,接收面积约有30个足球场大小,有效接收面积比美国Arecibo射电望远镜扩大了2.3倍。此外,FAST与美国Arecibo望远镜固定反射面最根本的区别是可根据需要实时调整形态,在观测方向形成300米口径瞬时抛物面以汇聚电磁波。作为高精度天文仪器的重要组成系统,FAST成型精度极高,要求达到毫米级。在周围环境高度落差大、边界复杂的喀斯特地形中安全稳固地撑起“中国天眼”并满足主动变位、超高精度的要求,挑战前所未有。

2011年底,受国家天文台委托,BIAD承担FAST反射面主体支承结构设计及反射面板与主体结构连接节点的分析设计工作。

FAST反射面总面积25万平方米,反射面板共用铝合金2000多吨,圈梁、索网和6座支撑馈源舱的高塔共用钢材1万多吨。BIAD复杂结构研究院副院长、FAST项目负责朱忠义说:“FAST反射面主体支承结构采用的是钢结构,但又不同于建筑的固定结构。支承圈梁的格构柱高度不等,在3.15米~54.265米之间,差距大。根据这一情况,我们设计了一个滑动边界圈梁,以改善基础、圈梁和索网的受力性能,降低索网疲劳应力幅,有效解决了复杂地形对支承结构的影响。”这种可滑动的边界圈梁用一种可动的支座连接柱子和圈梁,而不是简单地将柱子和圈梁焊死,使得圈梁、索网受力和变形更加均匀,同时便于FAST调整角度、实时变位。

编织世界最大索网结构

FAST索网既是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用主动变位工作方式的索网体系。同时,FAST索网也是46万块反射面板与主体结构连接的重要节点。如何编织安全、稳固又能主动变位的索网,设计师们绞尽脑汁。

在FAST运行过程中,索网形成的连续变化抛物面会引起索网严重疲劳从而带来安全问题。对此,设计团队研究了每根索30年观测周期内的累积损伤因子,评估了每根索单元的疲劳寿命,为确定钢索的性能指标提供理论基础。在满足钢索转角实时变化、索网高精度要求的同时,使索网应力幅高达459兆帕,远超国内外规范200兆帕~250兆帕的要求,大大提高了索网的抗疲劳性能。

46万块反射面的对焦、定位与追踪依托于索网的柔性伸索,连接6670根主索的2225个节点盘是关键。BIAD设计师王哲说:“索规格不同、索夹角不同、中心与索交点不重合等因素使2225个节点盘每个都是独一无二的。什么样的形状、什么样的材料都无现成经验可借鉴。”设计团队进行了大量的调研、论证、实验研究、测试,并用大数据统计了每一个节点盘的工况、位形和所有节点的索转动角度、夹角,使2225个节点盘一次性全部通过测试。

在FAST项目设计过程中,BIAD团队突破了多项业界难题,申请了十余项国家专利,包括空间索网及其换索的方法、一种分体式单向滑动铰支座、一种可大角度双向转动的铰接装置及其连接构造等,研究成果也推广应用于多项国家重点工程。

BIAD复杂结构研究院院长苗启松表示,BIAD在FAST工程中的创新与实践提升了我国工程建造的水平。通过FAST项目,BIAD也跨界到了高精尖、重大复杂的科学工程中。

继“天眼”后,BIAD还参与到了江门中微子实验站的建设之中。该实验站建在地下700米深,是世界能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器。同时,BIAD还完成了中国科学院国家天文台120米脉冲星全可动望远镜结构设计的验算工作,建成后将成为世界最大的可转动低频望远镜。

 本报记者 刘月月