馬超，蓋泳伶，高云鵬，焦貴軍，何昀曉

（1.中國人民解放軍63602部隊(duì)，酒泉 732750；2.中國人民解放軍63637部隊(duì)，酒泉 732750）

引言

航天發(fā)射塔架是發(fā)射場的重要組成設(shè)備，主要由塔體結(jié)構(gòu)、電纜井道、活動(dòng)工作平臺、塔吊、電纜擺桿、電梯、逃逸救生滑道及工藝房間等部分組成。近年來，隨著我國航天任務(wù)高密度常態(tài)化發(fā)展，任務(wù)準(zhǔn)備周期越來越短，對發(fā)射塔架的運(yùn)行狀態(tài)及可靠性的要求越來越高。

航天發(fā)射塔架投入使用十多年來，已完成了多次航天任務(wù)發(fā)射，經(jīng)歷了大風(fēng)、極寒、高溫、地震、火箭尾焰炙烤等多種環(huán)境因素影響，塔架的一些部位發(fā)生了銹蝕、開裂、脫焊，塔架部分基礎(chǔ)也出現(xiàn)了沉降裂縫，這些狀態(tài)的變化，是否產(chǎn)生了航天發(fā)射塔架結(jié)構(gòu)變形，是否會影響航天任務(wù)發(fā)射，需要對其技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行檢測[1]。

根據(jù)航天任務(wù)的檢修計(jì)劃，每年要對塔架進(jìn)行檢測，或者在大風(fēng)、地震等環(huán)境因素影響后，為及時(shí)掌握發(fā)射塔架技術(shù)狀態(tài)，需要對塔架進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行檢測。航天發(fā)射塔架是一個(gè)大型的鋼結(jié)構(gòu)，由許多結(jié)構(gòu)件通過焊接和螺栓固定，如何對航天發(fā)射塔架進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行檢測，成為當(dāng)前的主要問題。本文結(jié)合大型鋼結(jié)構(gòu)的檢測方法，考慮的檢測效率，研究采用軟件仿真與實(shí)踐相結(jié)合的方法進(jìn)行。通過綜合考慮，本文在塔架受力分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)分析結(jié)果合理選擇檢測測點(diǎn)，依據(jù)所測得的數(shù)據(jù)對發(fā)射塔架的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了檢測，為塔架的健康檢測提供了方法，為研究塔架結(jié)構(gòu)變形影響因素提供依據(jù)[2]。

1 發(fā)射塔架受力分析

發(fā)射塔架平臺結(jié)構(gòu)包括四組活動(dòng)平臺、13層升降平臺、1層固定的底層平臺和相應(yīng)的液壓、電控設(shè)備，發(fā)射塔架的固定塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，活動(dòng)平臺部分為鋼結(jié)構(gòu)。通過建立有限元模型，分析發(fā)射塔架的受力分布，確定發(fā)射塔架扭曲和彎曲部位較大的部位，為檢測點(diǎn)的選擇提供依據(jù)[3]。

1.1 模型建立

1）幾何模型

航天發(fā)射塔架工作平臺由活動(dòng)平臺結(jié)構(gòu)、升降工作平臺、小封閉和保溫封閉及液壓動(dòng)力系統(tǒng)組成，其主要功能是為產(chǎn)品的吊裝對接、測試、加注等工作提供操作面。在建立好機(jī)械設(shè)備的三維圖形元件庫后，按實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)原理，將庫中的元件取出，組織裝配三維可視化航天發(fā)射塔架。航天發(fā)射塔架結(jié)構(gòu)包括塔體結(jié)構(gòu)，升降活動(dòng)平臺、電纜擺桿和塔吊四大部分，為方便建模，對塔架各平臺的圍欄、供氣、供電線管路等非重量件進(jìn)行了省略[4]。

2）網(wǎng)格劃分

在對發(fā)射塔架進(jìn)行仿真分析時(shí)，選擇發(fā)射塔架活動(dòng)平臺第4層進(jìn)行分析，活動(dòng)平臺為桁架結(jié)構(gòu)，由鋼管、檁條通過焊接和螺栓連接，受力主要是自重和風(fēng)載，為便于研究，將其簡化為梁單元進(jìn)行受力分析。采用有限元進(jìn)行受力分析時(shí)綜合考慮運(yùn)算效率和運(yùn)算精度，對活動(dòng)平臺的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，對應(yīng)力集中的地方進(jìn)行較密網(wǎng)格劃分，具體第4層活動(dòng)平臺有限元模型如圖1所示[5]。

圖1 第4層活動(dòng)平臺有限元模型

3）定義邊界條件

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，通過現(xiàn)場分析發(fā)射塔架第4層活動(dòng)平臺的鋼結(jié)構(gòu)為Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，通過查閱標(biāo)準(zhǔn)后在有限元軟件中將其密度設(shè)定為7.85 k/cm3，彈性模量設(shè)定為2.06×105 Mpa，泊松比設(shè)定為0.3 V，第4層活動(dòng)平臺主要運(yùn)動(dòng)軌跡為圍繞回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，將圍繞回轉(zhuǎn)軸具有回轉(zhuǎn)自由度的約束作為便捷條件[6]。

1.2 計(jì)算結(jié)果

在建立了第四組活動(dòng)平臺結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上，調(diào)入MSC.NASTRAN求解器進(jìn)行計(jì)算，匯總結(jié)果，一、二、三、四階固有頻率及振型結(jié)果如表1所示。第4層活動(dòng)平臺封閉后的前一、二、三、四階振型如圖2所示[7]。

表1 第4層活動(dòng)平臺一、二、三、四階固有頻率、周期及振型

圖2 第4層活動(dòng)平臺一、二、三、四階振型圖

1.3 仿真分析

1）由于第4層活動(dòng)平臺回轉(zhuǎn)封閉，其自由度為1，故其一階振型頻率為0；由表和圖可見，二、三、四階的結(jié)構(gòu)振型分別為扭曲振型、彎曲振型和封閉版局部振型。

2）根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中明確的當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振頻率是激振頻率的0.85~1.1倍范圍以內(nèi)時(shí)，結(jié)構(gòu)在動(dòng)特性上是不安全的。自然風(fēng)荷載的激振頻率一般是0.5 Hz左右，通過表1可知，第4層活動(dòng)平臺封閉狀態(tài)下自振頻率在風(fēng)的激振頻率0.85~1.1倍范圍以外，則可以看出第4層活動(dòng)平臺封閉后在結(jié)構(gòu)動(dòng)特性上是安全的。

3）從模態(tài)分析的角度，該尺寸的塔架性能是可靠的，分析極限載荷情況下塔架的性能將在靜態(tài)分析中予以研究。

4）根據(jù)圖2可見，第一組活動(dòng)平臺和第四組活動(dòng)平臺扭曲和彎曲部位較大的地方均在塔架前端，這為塔架進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的測點(diǎn)選擇提供了理論依據(jù)。

2 鋼結(jié)構(gòu)變形常用測量方法分析

航天發(fā)射塔架是一個(gè)整體的大型鋼結(jié)構(gòu)，包含了鋼梁、吊車梁、檁條、桁架等結(jié)構(gòu)件，對塔架結(jié)構(gòu)變形檢測時(shí)主要檢測上述結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)的垂直形變、平面外的側(cè)向形變、表面的凹凸局部形變，塔架整個(gè)結(jié)構(gòu)傾斜和基礎(chǔ)不均勻沉降。目前可用來測量塔架形變的常用一起包括水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀和全站儀。

2.1 水準(zhǔn)儀檢測結(jié)構(gòu)件跨中撓度的方法

水準(zhǔn)儀在測量鋼結(jié)構(gòu)跨中撓度時(shí)可獲取較為精確地?cái)?shù)據(jù)，測量結(jié)構(gòu)件時(shí)，首先將水準(zhǔn)儀固定在鋼結(jié)構(gòu)一側(cè)，其次通過旋轉(zhuǎn)水準(zhǔn)儀云臺可同時(shí)獲取位于結(jié)構(gòu)件兩端和跨中所垂直立的標(biāo)尺的標(biāo)度，用f0,f1,f2表示結(jié)構(gòu)件跨中和兩端水準(zhǔn)儀的讀數(shù)，最后在采用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算得到的f數(shù)值，即為結(jié)構(gòu)件的撓度。在進(jìn)行測量時(shí)，為提高測量精度，采用水準(zhǔn)儀讀取標(biāo)尺數(shù)據(jù)時(shí)，測度次數(shù)不少于3次，并取多讀數(shù)的均值作為最終計(jì)算數(shù)據(jù)。

2.2 經(jīng)緯儀檢測構(gòu)件傾斜度的方法

檢測鋼結(jié)構(gòu)建筑物傾斜一般采用經(jīng)緯儀測定，其主要步驟有：

1）經(jīng)緯儀位置的確定

測量鋼結(jié)構(gòu)建筑物的傾斜時(shí)，經(jīng)緯儀位置如圖1所示。其中要求經(jīng)緯儀至鋼柱及建筑物的間距L大于鋼柱及建筑物的寬度。

2）數(shù)據(jù)測讀

如圖3所示，瞄準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)建筑物頂部M向下投影得N點(diǎn)，然后量出NN1間的水平距為b，以M點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用經(jīng)緯儀測出垂直角角度a。M為建筑物頂部基準(zhǔn)點(diǎn)（一般為墻角的最高處），M1為未傾斜前建筑物頂部基準(zhǔn)點(diǎn)位置，N為墻角與經(jīng)緯儀同簡度的測點(diǎn)，N1為與經(jīng)緯儀同高度并與M點(diǎn)向下垂直的交點(diǎn)，H1為經(jīng)緯儀的高度，H為建筑物頂部基準(zhǔn)點(diǎn)至N1點(diǎn)的高度，a為用經(jīng)緯儀測量的M點(diǎn)垂直角，L為經(jīng)緯儀至建筑物底部的距離，b為NN1間的水平距離。

圖3 經(jīng)緯儀檢測構(gòu)件傾斜度

3）結(jié)果整理

根據(jù)垂直角a，計(jì)算測點(diǎn)高度H。計(jì)算公式為：

則鋼結(jié)構(gòu)建筑物的傾斜量為：

鋼結(jié)構(gòu)建筑物的傾斜量△為；

根據(jù)以上測算結(jié)果，綜合分析四角的傾斜度及傾斜量，即可描述鋼結(jié)構(gòu)建筑物的傾斜情況。

2.3 水準(zhǔn)儀檢測結(jié)構(gòu)沉降的方法

鋼結(jié)構(gòu)沉降觀測采用水準(zhǔn)儀測定，其主要步驟有：①首先確定水準(zhǔn)儀固定位置，在鋼結(jié)構(gòu)附近選擇一塊位置，用于安放水準(zhǔn)儀，并做好標(biāo)記，便于后續(xù)多次測量時(shí)使用，所選的位置在鋼結(jié)構(gòu)地基變形的影響范圍之內(nèi)，土層比較堅(jiān)硬，可人工設(shè)置水泥平臺作為固定測量點(diǎn)；②其次確定鋼結(jié)構(gòu)觀測點(diǎn)位置，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特征選擇能反映地基沉降或者形變較明顯的位置，設(shè)置的標(biāo)志點(diǎn)數(shù)最少不少于6個(gè)，標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)是半球形或有明顯突出的特征便于識別，標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)牢靠的固定在鋼結(jié)構(gòu)上，用于多次觀測；③最后進(jìn)行數(shù)據(jù)測量整理，對鋼結(jié)構(gòu)沉降的觀測時(shí)間應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定，通過多個(gè)周期的數(shù)據(jù)對比來判斷鋼結(jié)構(gòu)的沉降速度，沉降速度小于0.1 mm/月時(shí)可認(rèn)為沉降是符合要求的。通過對比鋼結(jié)構(gòu)不同位置的沉降數(shù)據(jù)差，可判斷鋼結(jié)構(gòu)不均勻的沉降情況，如有沉降不均勻的情況，應(yīng)調(diào)整觀測點(diǎn)進(jìn)行多次測量對比分析。

2.4 全站儀檢測結(jié)構(gòu)沉降的方法

鋼結(jié)構(gòu)沉降觀測采用全站儀測定時(shí)，其主要步驟有：①確定測量基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)，在能夠通視整個(gè)建筑物的位置架設(shè)全站儀；②在建筑物需要測量的位置設(shè)置目標(biāo)反光貼；③通過設(shè)置全站儀設(shè)備參數(shù)，確定儀器的高度，基準(zhǔn)點(diǎn)位置；④設(shè)置儀器的X、Y、Z三軸，測量出目標(biāo)反光貼具體位置[8]。

綜合對比上述三種儀器，可以看出全站儀的優(yōu)勢為：“可自動(dòng)測出目標(biāo)點(diǎn)距離、目標(biāo)點(diǎn)左右偏差、目標(biāo)點(diǎn)高度等信息，使用全站儀可以將高差沉降、左右偏差、角度全部測出”。考慮到塔架的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行塔架結(jié)構(gòu)撓曲變形時(shí)選用全站儀進(jìn)行測量。

3 塔架結(jié)構(gòu)撓曲變形分析

3.1 測點(diǎn)布置

航天發(fā)射塔架常規(guī)性結(jié)構(gòu)特性測量的主要工作是進(jìn)行活動(dòng)平臺撓曲度變化情況測量，通過在航天發(fā)射塔架設(shè)置不同的觀測點(diǎn)，多觀測點(diǎn)進(jìn)行多個(gè)周期測量，分析對比測量數(shù)據(jù)，可以得到航天發(fā)射塔架在各種環(huán)境因素影響下的結(jié)構(gòu)變形的變化趨勢。航天發(fā)射塔架活動(dòng)平臺共有4層，每層分為東西兩半部分，測點(diǎn)選擇在每聯(lián)頂層與底層兩層上布置，測點(diǎn)布置樓層如圖4所示[9]。

圖4 測點(diǎn)布置樓層示意圖

在各層擬測樓層上各布置10個(gè)測點(diǎn)，分別布置在活動(dòng)平臺東側(cè)外壁活動(dòng)平臺根部、端部及中點(diǎn)3個(gè)點(diǎn)，活動(dòng)平臺北側(cè)東半組最東端與最西端2個(gè)點(diǎn)，活動(dòng)平臺北側(cè)西半組最東端與最西端2個(gè)點(diǎn)，活動(dòng)平臺西側(cè)外壁活動(dòng)平臺根部、端部及中點(diǎn)3個(gè)點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖5所示。

塔下觀測點(diǎn)布置在塔架西北側(cè)與東北側(cè)的兩個(gè)大地測量基準(zhǔn)上。西北側(cè)大地測量基準(zhǔn)如圖6所示。

圖6 西北側(cè)觀測點(diǎn)位置

3.2 確定設(shè)備

測量設(shè)備選擇使用無棱鏡全站儀與反光信標(biāo)配合作業(yè)，反光信標(biāo)安裝在塔上觀測點(diǎn)位置。反光信標(biāo)如圖7所示。反光信標(biāo)的反光面必須正對全站儀觀測面，因此需要在塔架觀測點(diǎn)位置處事先安裝鴨嘴架，在鴨嘴架上安裝反光信標(biāo)，便于調(diào)整反光信標(biāo)反光面朝向。測量設(shè)備選擇使用無棱鏡全站儀，如圖7所示。

圖7 反光信標(biāo)和全站儀

3.3 測量流程

首先安裝測量反光信標(biāo)，預(yù)先在塔上測點(diǎn)位置處安裝信標(biāo)支架，根據(jù)測點(diǎn)位置不同制作不同尺寸支架，使信標(biāo)正面基本正對于觀測點(diǎn)，考慮到反光信標(biāo)室外使用壽命，每月更換一次反光信標(biāo)；然后測量觀測點(diǎn)相對高差，使用全站儀配合反光棱鏡，測量出兩個(gè)觀測點(diǎn)之間高差，理論上該高差值為零；最后逐點(diǎn)進(jìn)行測量，使用全站儀配合反光信標(biāo)進(jìn)行逐點(diǎn)測量，記錄各點(diǎn)標(biāo)高，受相對位置約束，觀測點(diǎn)1用于測量活動(dòng)平臺東側(cè)各測點(diǎn)，觀測點(diǎn)2用于測量活動(dòng)平臺西側(cè)各測點(diǎn)。

3.4 塔架結(jié)構(gòu)變形趨勢分析

從2020年4月到2020年7月不間斷的對航天發(fā)射塔架標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測并將所有記錄的數(shù)據(jù)存檔，如圖8所示為監(jiān)控測量點(diǎn)的分布。

圖8 平臺標(biāo)高測點(diǎn)選擇示意圖

選取塔架測量點(diǎn)時(shí)左右對稱分布，在測得塔架各點(diǎn)標(biāo)高后計(jì)算各層活動(dòng)平臺的撓度，撓度計(jì)算公式見公式（1）。表2為各目標(biāo)點(diǎn)絕對標(biāo)高值，以觀測點(diǎn)為基準(zhǔn)測出所有數(shù)值，表3為后四次所測數(shù)據(jù)與第一次數(shù)據(jù)的差值。為反映塔架標(biāo)高的真實(shí)情況，檢測人員在每天的不同時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測。

表2 目標(biāo)點(diǎn)絕對標(biāo)高值

表3 各目標(biāo)點(diǎn)高差變化表

由表2、3可見，塔架西側(cè)觀測點(diǎn)B1-B8比塔架東側(cè)觀測點(diǎn)A1-A8標(biāo)高值普遍偏低，由于觀測時(shí)未以塔架地面為基準(zhǔn)點(diǎn)，在忽略地面平整度的影響下，說明塔稍微向西傾斜。

圖9為各目標(biāo)點(diǎn)高差變化圖，在下午16∶00時(shí)各目標(biāo)點(diǎn)標(biāo)高值變化最高，這是由于塔架標(biāo)高受溫度影響，每天下午16∶00溫度最高，塔鋼結(jié)構(gòu)受溫度熱脹冷縮，導(dǎo)致這種狀況的發(fā)生。

圖9 目標(biāo)點(diǎn)高差變化圖

根據(jù)有限元分析，根據(jù)發(fā)射塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以看出航天發(fā)射塔架在封閉狀態(tài)下受自重、風(fēng)載等靜載荷對結(jié)構(gòu)變形的影響較小。通過分析對比前幾個(gè)周期測量的數(shù)據(jù)可知，航天發(fā)射塔架結(jié)構(gòu)變形的主要是受震動(dòng)、溫度及地基沉降等環(huán)境因素影響。

4 結(jié)語

航天發(fā)射塔架的檢測至關(guān)重要，采用有限元建立模型進(jìn)行受力分析，確定第4層活動(dòng)平臺的觀測點(diǎn)，通過分析現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)檢測方法，選用全站儀進(jìn)行檢測。經(jīng)過多個(gè)周期的檢測，通過對數(shù)據(jù)整理分析后發(fā)現(xiàn)發(fā)射塔架的結(jié)構(gòu)變形主要是由震動(dòng)、環(huán)境溫度以及地基沉降等環(huán)境因素所影響，自重和風(fēng)載荷影響較小。這種仿真與實(shí)踐相結(jié)合的檢測方法科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，操作簡便、易于推廣使用，后續(xù)應(yīng)用于航天發(fā)射場的其他設(shè)備檢查，這種方法為塔架結(jié)構(gòu)的狀態(tài)檢測與故障預(yù)測分析提供了依據(jù)。