胡守偉，張 勇，王躍飛，王 佑

（1.中國科學(xué)院 國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，江蘇 南京210042；2.中國科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京210042）

1 引 言

大型光學(xué)觀測站都建在能為科學(xué)設(shè)備提供最佳大氣條件的地方，但這些地方，如夏威夷和智利，都可能面臨著大地震威脅［1-4］。2006年10月15日，一場6.8級大地震損壞了凱克（Keck）天文臺的兩臺望遠(yuǎn)鏡，導(dǎo)致觀測中斷數(shù)周?？拐鹪O(shè)計中的阻尼和強(qiáng)度不足以及方位軸徑向油墊上缺少分離機(jī)構(gòu)是Keck望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵設(shè)計缺陷之一。隨后Keck項目組組織了一項抗震恢復(fù)措施的可行性研究，審查了加強(qiáng)望遠(yuǎn)鏡保護(hù)的幾種方案，目的是盡量縮短大型地震事件后望遠(yuǎn)鏡恢復(fù)運(yùn)行的時間［5-6］。因此，地震災(zāi)害造成的損壞風(fēng)險是任何大型望遠(yuǎn)鏡設(shè)計建設(shè)時需要考慮的重要因素之一，尤其新一代超大望遠(yuǎn)鏡相對于較小的傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡在面臨地震危害時會存在更大的損壞風(fēng)險，需要創(chuàng)造性的解決方案來提供抗震保護(hù)。

傳統(tǒng)建筑幾乎都采用了二維隔震系統(tǒng)。近年來，大型地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡主要采用的隔震系統(tǒng)可以分為二維隔震和三維隔震，美國巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡GMT和美國三十米望遠(yuǎn)鏡TMT都計劃采用二維隔震系統(tǒng)方案。二維隔震是由僅在水平面內(nèi)運(yùn)動的隔震裝置組成，而在垂直方向沒有隔震。因為二維隔震系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)的垂直方向上沒有隔震效果，這不可避免地使得垂直地面的激勵在很大程度上不能衰減。而三維隔震系統(tǒng)涉及沿水平面內(nèi)和垂直方向的隔離，能從根本上改進(jìn)完善隔震問題。盡管如此，對望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的初步分析表明，即使在沒有垂直隔震的情況下，僅二維隔震系統(tǒng)的性能也能有效地降低地震影響，包括降低垂直和水平耦合作用。

歐洲極大望遠(yuǎn)鏡E-ELT采用了三維隔震系統(tǒng)，即使按照今天的標(biāo)準(zhǔn)，三維隔震仍然是一項新興技術(shù)。隔離垂直加速度并同時在正常操作期間提供足夠的剛度是非常困難的。在過去幾年中，布法羅大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)在此方面取得了重大進(jìn)展，證明了該技術(shù)的有效性，但該方法尚未達(dá)到成熟和廣泛實施階段。因此，在大型望遠(yuǎn)鏡上實施這樣一個系統(tǒng)仍然面臨挑戰(zhàn)。

2 典型方案分析

2.1 二維隔震系統(tǒng)

圖1為二維隔震系統(tǒng)解決方案原理圖。美國24.5米望遠(yuǎn)鏡GMT和30米望遠(yuǎn)鏡TMT都采用了二維隔震系統(tǒng)。GMT在基墩底部引入了單摩擦擺隔震系統(tǒng)（SIS），以分離水平地震地面運(yùn)動，并在主鏡支撐處引入了主動阻尼器以耗散能量，之所以選擇單摩擦擺是出于使用壽命、操作剛度和對確定性、可重復(fù)系統(tǒng)的要求［7-8］。

圖1 二維隔震系統(tǒng)解決方案Fig.1 Solutions of 2D isolation system

該系統(tǒng)由位于混凝土基墩底部的一組24個單擺摩擦支座組成，如圖1（a）。SIS還可能包括一組粘滯阻尼器，以限制剛體位移，具體取決于生產(chǎn)支座的實測摩擦特性。單摩擦擺支座，由一個鉸接滑塊組成，可沿凹面不銹鋼球面移動?；瑒用嬷g產(chǎn)生的摩擦力由低摩擦襯片控制，該襯片是根據(jù)所需的載荷和摩擦特性選擇的。如果靜摩擦太小，SIS可能會頻繁啟動。如果動摩擦太大，則支座在衰減地面加速度方面無效。此外，運(yùn)動必須平穩(wěn)，無粘滑現(xiàn)象。類似的襯墊材料也用于確?；瑝K的平滑接合。初始動態(tài)摩擦系數(shù)約為0.1，隨著襯套材料變得更熱，支座消耗能量，摩擦系數(shù)升至0.4左右。

TMT利用方位軸樞軸軸承傳遞徑向載荷的優(yōu)勢，將隔離系統(tǒng)置于樞軸軸承的活動部件與方位軸的固定底座之間。它由四個預(yù)載彈簧阻尼器組成，這些預(yù)載彈簧阻尼器將軸承4個均勻分布的點與距它們90°的方位軸底座的4個點連接起來，如圖1（b）。預(yù)載彈簧阻尼器本質(zhì)上是一種具有預(yù)緊啟動力的線性彈簧，可以承受來自水平作用的雙向作用力，同時可以承受高達(dá)一定值的載荷，一旦其負(fù)載超過預(yù)緊啟動力，將開啟其恒定低剛度模式，由于其水平滑移不可超出導(dǎo)軌，同時需要滿足在地震結(jié)束后具有復(fù)位能力，其剛度阻尼設(shè)置不能太小。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡處于工作狀態(tài)時，預(yù)載彈簧阻尼器依靠預(yù)載力保持充足的剛度；當(dāng)發(fā)生地震作用時，在地震載荷作用下，地震力超過預(yù)載彈簧阻尼器的預(yù)載力時，阻尼器會呈現(xiàn)低剛度特性，允許整個望遠(yuǎn)鏡發(fā)生水平滑移運(yùn)動，以便消耗地震能量，避免地震力對望遠(yuǎn)鏡造成破壞。因為存在一定的預(yù)緊力，剛度會發(fā)生變化，因此該阻尼器也稱為預(yù)緊單元［9-10］。

2.2 三維隔震系統(tǒng)

歐洲39米望遠(yuǎn)鏡E-ELT提出了一套集成在混凝土基墩中的三維隔震裝置，望遠(yuǎn)鏡基墩由三個直徑分別為52 m、34 m和6 m的混凝土圓墻組成，由底板、頂板和六個弧形墻加固，如圖2所示。

圖2 望遠(yuǎn)鏡基墩隔震方案Fig.2 Seismic isolation with the telescope foundations

該隔震系統(tǒng)包括分布在望遠(yuǎn)鏡基墩周圍的三種裝置：（1）彈簧元件；（2）將彈簧與粘滯阻尼器結(jié)合的元件；（3）預(yù)加載裝置（一部分施加在水平方向上，其它施加在垂直方向上，同TMT預(yù)載阻尼器原理一樣）。彈簧提供地震事件期間所需的低水平和垂直剛度，而粘滯阻尼器可以減少傳遞到主體結(jié)構(gòu)的位移量［11-13］，該抗震設(shè)計較為復(fù)雜。

3 新型三維隔震系統(tǒng)及其工作原理

3.1 三維隔震系統(tǒng)的構(gòu)成

本方案是在TMT二維水平滑移隔震系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，額外附加了一套垂直液壓阻尼隔震裝置。水平隔震裝置通過四個雙線性減震器將望遠(yuǎn)鏡方位中心樞軸連接至基墩，四個雙線性減震器上施加有預(yù)緊力，這樣望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)將不會具有較低的固有頻率，并且在運(yùn)行過程中不會產(chǎn)生大的變形，這對于進(jìn)行正常的觀測至關(guān)重要。但是，在地震事件中，一旦超過我們設(shè)定的預(yù)載荷值，預(yù)載荷就會失效，望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)開始相對于基墩移動，來自基墩的加速度會被減震器衰減。圖3顯示了該水平隔震裝置的概念設(shè)計圖。

圖3 水平隔震裝置Fig.3 Horizontal isolation mechanism

垂直隔震裝置是將一套附加液壓阻尼裝置嵌入方位軸向靜壓油墊中。這是一種完全被動的系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于商業(yè)部件，如蓄能器和一種特殊的閥門，一旦壓力超過某個可設(shè)定的閾值，該閥門就可以調(diào)節(jié)為打開，系統(tǒng)剛度降低。望遠(yuǎn)鏡原始系統(tǒng)第一模態(tài)頻率大約為2 Hz，激活后結(jié)構(gòu)的第一頻率將降低，主結(jié)構(gòu)共振頻率避開反應(yīng)譜的危險區(qū)域。從觸發(fā)狀態(tài)到正常狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是自動的，如圖4。這種解決方案已經(jīng)被成功應(yīng)用到大型重載運(yùn)輸車輛的地面減振系統(tǒng)中，并取得了良好的減振效果。

圖4 附加阻尼系統(tǒng)工作原理圖Fig.4 Working principle of the damping system

3.2 三維隔震系統(tǒng)的工作原理

附加阻尼系統(tǒng)的原理是通過改變望遠(yuǎn)鏡方位底盤軸向靜壓油墊中的油量來限制從基墩傳遞到望遠(yuǎn)鏡的地震力。當(dāng)達(dá)到力閾值時，液壓油被釋放。從技術(shù)上講，力閾值是由蓄能器的氮?dú)鈮毫︻A(yù)載施加的，蓄能器通過單向節(jié)流閥連接到液壓回路。如果不將釋放出的液壓油重新返回到液壓系統(tǒng)中，望遠(yuǎn)鏡軸向支撐將在幾秒鐘內(nèi)降到靜壓軸承的硬行程極限。因此，在低壓（即低加速度）狀態(tài)下，積聚的液壓油會重新流回方位軸向液壓系統(tǒng)，回流受到閥門節(jié)流的限制。從動態(tài)角度看，將油釋放到蓄能器相當(dāng)于方位軸向靜壓油墊（非線性彈簧）剛度的變化。

圖5顯示了帶有阻尼系統(tǒng)的垂直減震裝置的簡化機(jī)械模型，其中KH的剛度在以下兩個狀態(tài)之間切換（amax代表最大允許加速度）：

圖5 簡化機(jī)械模型（釋放液壓油到蓄能器改變K H）：m A和m T代表高度軸和方位軸結(jié)構(gòu)，m W代表靜壓油墊Fig.5 Simplified mechanical model（releasing oil into accumulators changes K H）：m A and m T represent the altitude and azimuth structure，and m W represents the hydrostatic oil pad

i.閉式液壓系統(tǒng)的剛度(a(mA+mT)＜amax)；

ii.蓄能器儲氮罐的剛度(a(mA+mT)＞amax)。

這種效應(yīng)也可以解釋為共振頻率的變化。當(dāng)阻尼系統(tǒng)在臨界震動下激活時，諧振頻率降低，使系統(tǒng)進(jìn)入非諧振狀態(tài)，地震加速度傳輸?shù)酵h(yuǎn)鏡的響應(yīng)加速度增量明顯減小。因此，系統(tǒng)對地面震動的響應(yīng)被衰減。

垂直隔震系統(tǒng)的基本概念及其主要創(chuàng)新點是：在觀測過程中，方位軸系在平面內(nèi)和平面外都是剛性的；而在地震過程中，方位軸系在平面內(nèi)和平面外都是柔性的。

4 有限元分析與結(jié)果評估

4.1 水平滑移隔震系統(tǒng)

為了評估該模型的抗震性能，開發(fā)了30米級望遠(yuǎn)鏡概念設(shè)計模型。

新一代大型地基望遠(yuǎn)鏡由靜壓油墊支撐，靜壓油墊在高地震荷載下會發(fā)生抬升，從而引起非線性響應(yīng)。因此，在確定結(jié)構(gòu)的真實響應(yīng)時，僅進(jìn)行典型反應(yīng)譜分析是不夠的。故對望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性瞬態(tài)有限元分析（FEA），以評估高風(fēng)險區(qū)域并為未來儀器設(shè)計開發(fā)提供加速度響應(yīng)參考。

首先分析了水平隔震裝置對望遠(yuǎn)鏡的抗震效果，計算了望遠(yuǎn)鏡指向天頂和指向水平兩種狀態(tài)時的瞬態(tài)動力響應(yīng)，望遠(yuǎn)鏡有限元模型如圖6。使用ANSYS進(jìn)行建模，采用質(zhì)量單元對非結(jié)構(gòu)儀器和反射鏡進(jìn)行建模，參考國內(nèi)外大型望遠(yuǎn)鏡地震分析相關(guān)技術(shù)資料，彈簧單元用于模擬靜壓油墊、直接驅(qū)動、中心滑移彈簧以及附加液壓活塞。為了節(jié)省計算資源，忽略土壤和混凝土基礎(chǔ)的建模分析。表1列出了模型中使用的彈簧剛度取值。靜夜油墊采用油膜厚度90μm計算。中心滑移彈簧預(yù)載啟動力為10 k N。對于結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，為了考慮連接質(zhì)量，增加約15%至9 028 kg/m3，阻尼采用2%。

圖6 望遠(yuǎn)鏡有限元模型Fig.6 Finite element model of the telescope

表1 有限元模型中使用的彈簧剛度Tab.1 Spring stiffnesses used in finite element model

用JMA Kobe波作為輸入波［14］，分析發(fā)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)加速度出現(xiàn)在指向天頂時的副鏡位置。圖7和圖8分別顯示了無隔震系統(tǒng)和有隔震系統(tǒng)時最大加速度響應(yīng)的時間歷程。Input表示輸入波，Server代表副鏡加速度響應(yīng)。從圖7可以確認(rèn)，沒有隔震系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡機(jī)架的響應(yīng)會發(fā)生放大效應(yīng)，其對輸入的放大率在南北（NS）方向約為142%，東西（EW）方向約為145%，垂直（UD）方向為約369%。另一方面，如圖8所示，隔震系統(tǒng)可以抑制響應(yīng)加速度，其放大率在NS方向約為22%，EW方向約為38%，UD方向為200%。雖然隔震系統(tǒng)的UD方向響應(yīng)大于輸入，但相比之下，隔震效果有了明顯提升，證明了水平滑移隔震裝置良好的隔離性能。

圖7 無二維隔震裝置時間歷程Fig.7 Time histories without 2D seismic isolation mechanism

圖8 帶二維隔震裝置時間歷程Fig.8 Time histories with 2D seismic isolation mechanism

4.2 垂直隔震系統(tǒng)分析

對垂直隔震裝置進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，輸入波為上述JMA Kobe波和附加的JMA Tomakomai波。JMA Kobe波在震源附近觀測到，其卓越周期小于1 s。JMA Tomakomai波包含約10 s的長周期分量。

阻尼系統(tǒng)附加（非線性）部件蓄能器的膨脹受到蓄能器初始容積的限制。其具體參數(shù)由供應(yīng)商提供，見參考文獻(xiàn)［15］，壓力變化由絕熱氣體方程模擬，循環(huán)時間遠(yuǎn)低于2 min。

對于入口和出口流量特性，參考文獻(xiàn)［16］中TCV數(shù)據(jù)表中的節(jié)流、止回閥特性以查找表的形式應(yīng)用，如圖9。

圖9 博世TCV特性表（選擇曲線4）Fig.9 TCV characteristics from Bosch Rexroth（No.4 chosen）

阻尼系統(tǒng)包含3個調(diào)諧參數(shù)：

（1）蓄能器容積：它影響阻尼狀態(tài)下的等效蓄能器剛度。蓄能器容量越大，地面振幅輸入望遠(yuǎn)鏡的峰值加速度的數(shù)值越小。但是蓄能器可吸收的油量受系統(tǒng)中總油量的限制，并且靜壓油墊內(nèi)部活塞動態(tài)范圍和蓄能器接口處的尺寸也存在限制。

（2）氮?dú)鈮毫Γ核x了阻尼系統(tǒng)激活的閾值。壓力越低，共振情況下產(chǎn)生的加速度就越小。但是，最小壓力是有限的。將該值設(shè)置得太低會影響工作范圍，并可能導(dǎo)致低頻振蕩問題。

（3）節(jié)流閥設(shè)置：在低壓狀態(tài)下，節(jié)流閥限制回流量。因此，它影響了振動的阻尼。開口越小，阻尼越大。但是，由于在地震響應(yīng)中的一段時間內(nèi)需要將所有機(jī)油回流到液壓系統(tǒng)中，因此較低的值受到限制。否則，蓄能器將建立更高的壓力閾值。

經(jīng)過分析優(yōu)化后確定，在20℃情況下，蓄能器的標(biāo)稱容積為9.3 L，預(yù)載為362 bar。氮?dú)鈮毫Ω哂谪?fù)載系統(tǒng)中的標(biāo)稱壓力（大約290 bar）。因此，在正常操作期間，蓄能器內(nèi)不會儲存液壓油。對于節(jié)流止回閥，通過模擬建議節(jié)流設(shè)定為10%～15%，以抑制液壓管路中的高頻振動。其計算后靜壓油墊內(nèi)嵌液壓活塞的初始剛度為5×1010N/m，啟動閾值為600 k N，激活后剛度為3.6×105N/m。

圖10和圖11顯示了帶有液壓阻尼的隔震系統(tǒng)的兩種地震波響應(yīng)時間歷程。隔震系統(tǒng)對長卓越周期波和短卓越周期波的響應(yīng)加速度都很小，因此該系統(tǒng)具有足夠的隔震性能。響應(yīng)加速度不超過0.009 8 m/s2。因此，該分析確認(rèn)了垂直隔震系統(tǒng)充分的隔震性能。液壓阻尼產(chǎn)生的加速度衰減能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)隔震系統(tǒng)。后期我們將進(jìn)一步對該系統(tǒng)進(jìn)行試驗驗證以及參數(shù)修正優(yōu)化。

圖10 JMA Kobe波地震響應(yīng)Fig.10 Seismic response result of JMA Kobe

圖11 JMA Tomakomai波地震響應(yīng)Fig.11 Seismic response result of JMA Tomakomai

5 結(jié) 論

本文為了滿足大型地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的抗震要求，提出了具有獨(dú)特特點的三維隔震系統(tǒng)方案，具有強(qiáng)大的隔震性能，結(jié)構(gòu)主要包括附加液壓阻尼和水平滑移系統(tǒng)。其中附加液壓阻尼是一種非常有效的隔震裝置，通過使用液壓流體使望遠(yuǎn)鏡浮動，可使上部望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的自然周期大大延長。大量的非線性瞬態(tài)有限元分析結(jié)果表明：在二維滑移隔震情況下，望遠(yuǎn)鏡最大響應(yīng)加速度NS方向為0.673 m/s2，EW方向為0.881 m/s2，UD方向為2.56 m/s2；嵌入附加液壓阻尼隔震裝置后，UD方向加速度衰減為0.009 8 m/s2，證實了附加液壓阻尼的三維隔震系統(tǒng)在三個空間維度上均具有良好的隔震性能。