串联拉索沿导索空中累积滑移施工关键技术及FAST工程应用研究

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我国利用中国贵州喀斯特洼地,建造500m口径具有主动反射面的大型射电望远镜FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)。其中,FAST主动反射面的支承结构属于巨型空间结构。主索网固定在周圈环梁上,下拉索下端与地面促动器相连以控制整个索网变形。主索网水平投影直径达到500m,最高点到最低点的落差达到134.0m。FAST主动反射面主体支承结构由主索网、下拉索、格构式圈梁和格构式钢柱以及格构柱基础组成。主索网为短程线型三角形网格,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,共2225个主索节点,合计约400t,6670根主索和2225根下拉索,约1170吨,主索长度为11.0m左右,下拉索长度在4.0m至60.0m之间不等,索体采用OVM.ST型高应力幅拉索体系。建设场地为喀斯特洼地,洼地呈“锅状”,但其形状与理想球面相距甚远,仅在洼地底部有较为平坦的场地,拉索无法在地面展开进行组装,不能进行整体提升,搭设满堂支撑塔架平台安装的方法也不可行。因为周圈钢圈梁施工完成后再进行索网施工,所以可以考虑借助周圈钢圈梁进行空间牵引安装。根据索网结构的对称性,索网结构划分为5+1个区域施工,其中1个区域为支撑塔架安装区,5个对称区域由沿导索牵引安装区和扩展部分安装区组成。其中支撑塔架安装区先施工安装完毕,接着安装对称轴位置的拉索,然后对称向两侧扩展施工。主索和下拉索安装完成后,促动器预紧张拉下拉索。本文根据索网结构特点,提出了串联拉索沿导索空中累积滑移安装方法,即将串联的结构索通过吊杆或倒链葫芦挂在导索下,利用牵引索将拉索由下至上沿导索累积牵引就位。串联拉索沿导索空中累积滑移安装施工方法主要运用于对称区域索网径向索的安装。该方法充分发挥了导索既导向又承重的作用,构成简单,施工措施费用低。牵引过程中存在包括松垂拉索、滑移的机构大位移,结构索、导索和牵引索的索力和位形相互影响大,应进行牵引过程分析,掌握过程中各索力和整体位形的变化规律,确定合理的施工参数,包括:导索和牵引索的最大拉力、导索安装无应力长度(简称原长)等。其过程分析方法,是基于NDFEM法找形,根据导索单元组总原长不变的原则,采用调整导索各单元原长的方法来模拟滑轮在导索上的移动,并提出和对比了四种策略,通过算例分析,指出“逐单元递推倍增”策略具有更高分析效率。分别设定导索原长为主索原长、端点距离和中间值,采用“逐单元递推倍增”策略分析对比三种原长下的分析模型。指出了关键施工参数的变化规律,得出:(1)导索线形在起始工况是最不利的,导索原长不宜过长且不应超过主索原长;(2)导索和牵引索的索力变化受导索原长影响大,且较为敏感;(3)合理的导索原长应介于主索原长和两端距离之间。对对称轴处沿导索牵引安装区索网的施工过程分析时,取出一根导索进行施工方法及施工过程分析方法的研究。采用“逐单元递推倍增”策略进行对比分析,得出了与算例基本相符的结果,同时根据计算结果,得出了实际施工时所需要的施工参数,包括:导索无应力长度和拉力、牵引索拉力等。本文根据沿导索牵引安装区的导索和扩展部分安装区的猫道下端锚固位置,并结合施工现场情况确定了独立塔架的布置位置。通过对沿导索牵引安装区和扩展部分安装区进行施工过程分析,得到导索和猫道索对下锚固点的作用力。根据作用力大小及方向,确定了通过单层平面桁架连接独立塔架增加结构整体性,通过设置背索减小塔架负担的塔架总体设计方案。根据施工过程设定多组荷载组合,对塔架进行了施工过程分析,确定了一套切实可行的施工方案。作为高精度的天文望远镜,FAST索网支承结构的制作和安装精度要求都非常高,所以精度控制就异常重要。本文对索网结构进行误差敏感性分析,确定误差因素及其敏感性程度,并结合实际施工可达到的精度,确定施工精度控制指标,为索网施工的精度控制提供依据。
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