大型地基光学望远镜三维隔震系统

胡守伟，张 勇，王跃飞，王 佑

（1.中国科学院 国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏 南京210042；2.中国科学院天文光学技术重点实验室，江苏 南京210042）

1 引 言

大型光学观测站都建在能为科学设备提供最佳大气条件的地方，但这些地方，如夏威夷和智利，都可能面临着大地震威胁［1-4］。2006年10月15日，一场6.8级大地震损坏了凯克（Keck）天文台的两台望远镜，导致观测中断数周。抗震设计中的阻尼和强度不足以及方位轴径向油垫上缺少分离机构是Keck望远镜的关键设计缺陷之一。随后Keck项目组组织了一项抗震恢复措施的可行性研究，审查了加强望远镜保护的几种方案，目的是尽量缩短大型地震事件后望远镜恢复运行的时间［5-6］。因此，地震灾害造成的损坏风险是任何大型望远镜设计建设时需要考虑的重要因素之一，尤其新一代超大望远镜相对于较小的传统望远镜在面临地震危害时会存在更大的损坏风险，需要创造性的解决方案来提供抗震保护。

传统建筑几乎都采用了二维隔震系统。近年来，大型地基光学望远镜主要采用的隔震系统可以分为二维隔震和三维隔震，美国巨型麦哲伦望远镜GMT和美国三十米望远镜TMT都计划采用二维隔震系统方案。二维隔震是由仅在水平面内运动的隔震装置组成，而在垂直方向没有隔震。因为二维隔震系统在结构的垂直方向上没有隔震效果，这不可避免地使得垂直地面的激励在很大程度上不能衰减。而三维隔震系统涉及沿水平面内和垂直方向的隔离，能从根本上改进完善隔震问题。尽管如此，对望远镜结构的初步分析表明，即使在没有垂直隔震的情况下，仅二维隔震系统的性能也能有效地降低地震影响，包括降低垂直和水平耦合作用。

欧洲极大望远镜E-ELT采用了三维隔震系统，即使按照今天的标准，三维隔震仍然是一项新兴技术。隔离垂直加速度并同时在正常操作期间提供足够的刚度是非常困难的。在过去几年中，布法罗大学等研究机构在此方面取得了重大进展，证明了该技术的有效性，但该方法尚未达到成熟和广泛实施阶段。因此，在大型望远镜上实施这样一个系统仍然面临挑战。

2 典型方案分析

2.1 二维隔震系统

图1为二维隔震系统解决方案原理图。美国24.5米望远镜GMT和30米望远镜TMT都采用了二维隔震系统。GMT在基墩底部引入了单摩擦摆隔震系统（SIS），以分离水平地震地面运动，并在主镜支撑处引入了主动阻尼器以耗散能量，之所以选择单摩擦摆是出于使用寿命、操作刚度和对确定性、可重复系统的要求［7-8］。

图1 二维隔震系统解决方案Fig.1 Solutions of 2D isolation system

该系统由位于混凝土基墩底部的一组24个单摆摩擦支座组成，如图1（a）。SIS还可能包括一组粘滞阻尼器，以限制刚体位移，具体取决于生产支座的实测摩擦特性。单摩擦摆支座，由一个铰接滑块组成，可沿凹面不锈钢球面移动。滑动面之间产生的摩擦力由低摩擦衬片控制，该衬片是根据所需的载荷和摩擦特性选择的。如果静摩擦太小，SIS可能会频繁启动。如果动摩擦太大，则支座在衰减地面加速度方面无效。此外，运动必须平稳，无粘滑现象。类似的衬垫材料也用于确保滑块的平滑接合。初始动态摩擦系数约为0.1，随着衬套材料变得更热，支座消耗能量，摩擦系数升至0.4左右。

TMT利用方位轴枢轴轴承传递径向载荷的优势，将隔离系统置于枢轴轴承的活动部件与方位轴的固定底座之间。它由四个预载弹簧阻尼器组成，这些预载弹簧阻尼器将轴承4个均匀分布的点与距它们90°的方位轴底座的4个点连接起来，如图1（b）。预载弹簧阻尼器本质上是一种具有预紧启动力的线性弹簧，可以承受来自水平作用的双向作用力，同时可以承受高达一定值的载荷，一旦其负载超过预紧启动力，将开启其恒定低刚度模式，由于其水平滑移不可超出导轨，同时需要满足在地震结束后具有复位能力，其刚度阻尼设置不能太小。当望远镜处于工作状态时，预载弹簧阻尼器依靠预载力保持充足的刚度；当发生地震作用时，在地震载荷作用下，地震力超过预载弹簧阻尼器的预载力时，阻尼器会呈现低刚度特性，允许整个望远镜发生水平滑移运动，以便消耗地震能量，避免地震力对望远镜造成破坏。因为存在一定的预紧力，刚度会发生变化，因此该阻尼器也称为预紧单元［9-10］。

2.2 三维隔震系统

欧洲39米望远镜E-ELT提出了一套集成在混凝土基墩中的三维隔震装置，望远镜基墩由三个直径分别为52 m、34 m和6 m的混凝土圆墙组成，由底板、顶板和六个弧形墙加固，如图2所示。

图2 望远镜基墩隔震方案Fig.2 Seismic isolation with the telescope foundations

该隔震系统包括分布在望远镜基墩周围的三种装置：（1）弹簧元件；（2）将弹簧与粘滞阻尼器结合的元件；（3）预加载装置（一部分施加在水平方向上，其它施加在垂直方向上，同TMT预载阻尼器原理一样）。弹簧提供地震事件期间所需的低水平和垂直刚度，而粘滞阻尼器可以减少传递到主体结构的位移量［11-13］，该抗震设计较为复杂。

3 新型三维隔震系统及其工作原理

3.1 三维隔震系统的构成

本方案是在TMT二维水平滑移隔震系统的基础上，额外附加了一套垂直液压阻尼隔震装置。水平隔震装置通过四个双线性减震器将望远镜方位中心枢轴连接至基墩，四个双线性减震器上施加有预紧力，这样望远镜结构将不会具有较低的固有频率，并且在运行过程中不会产生大的变形，这对于进行正常的观测至关重要。但是，在地震事件中，一旦超过我们设定的预载荷值，预载荷就会失效，望远镜结构开始相对于基墩移动，来自基墩的加速度会被减震器衰减。图3显示了该水平隔震装置的概念设计图。

图3 水平隔震装置Fig.3 Horizontal isolation mechanism

垂直隔震装置是将一套附加液压阻尼装置嵌入方位轴向静压油垫中。这是一种完全被动的系统，该系统基于商业部件，如蓄能器和一种特殊的阀门，一旦压力超过某个可设定的阈值，该阀门就可以调节为打开，系统刚度降低。望远镜原始系统第一模态频率大约为2 Hz，激活后结构的第一频率将降低，主结构共振频率避开反应谱的危险区域。从触发状态到正常状态的转换是自动的，如图4。这种解决方案已经被成功应用到大型重载运输车辆的地面减振系统中，并取得了良好的减振效果。

图4 附加阻尼系统工作原理图Fig.4 Working principle of the damping system

3.2 三维隔震系统的工作原理

附加阻尼系统的原理是通过改变望远镜方位底盘轴向静压油垫中的油量来限制从基墩传递到望远镜的地震力。当达到力阈值时，液压油被释放。从技术上讲，力阈值是由蓄能器的氮气压力预载施加的，蓄能器通过单向节流阀连接到液压回路。如果不将释放出的液压油重新返回到液压系统中，望远镜轴向支撑将在几秒钟内降到静压轴承的硬行程极限。因此，在低压（即低加速度）状态下，积聚的液压油会重新流回方位轴向液压系统，回流受到阀门节流的限制。从动态角度看，将油释放到蓄能器相当于方位轴向静压油垫（非线性弹簧）刚度的变化。

图5显示了带有阻尼系统的垂直减震装置的简化机械模型，其中KH的刚度在以下两个状态之间切换（amax代表最大允许加速度）：

图5 简化机械模型（释放液压油到蓄能器改变K H）：m A和m T代表高度轴和方位轴结构，m W代表静压油垫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.闭式液压系统的刚度(a(mA+mT)＜amax)；

ii.蓄能器储氮罐的刚度(a(mA+mT)＞amax)。

这种效应也可以解释为共振频率的变化。当阻尼系统在临界震动下激活时，谐振频率降低，使系统进入非谐振状态，地震加速度传输到望远镜的响应加速度增量明显减小。因此，系统对地面震动的响应被衰减。

垂直隔震系统的基本概念及其主要创新点是：在观测过程中，方位轴系在平面内和平面外都是刚性的；而在地震过程中，方位轴系在平面内和平面外都是柔性的。

4 有限元分析与结果评估

4.1 水平滑移隔震系统

为了评估该模型的抗震性能，开发了30米级望远镜概念设计模型。

新一代大型地基望远镜由静压油垫支撑，静压油垫在高地震荷载下会发生抬升，从而引起非线性响应。因此，在确定结构的真实响应时，仅进行典型反应谱分析是不够的。故对望远镜结构进行了非线性瞬态有限元分析（FEA），以评估高风险区域并为未来仪器设计开发提供加速度响应参考。

首先分析了水平隔震装置对望远镜的抗震效果，计算了望远镜指向天顶和指向水平两种状态时的瞬态动力响应，望远镜有限元模型如图6。使用ANSYS进行建模，采用质量单元对非结构仪器和反射镜进行建模，参考国内外大型望远镜地震分析相关技术资料，弹簧单元用于模拟静压油垫、直接驱动、中心滑移弹簧以及附加液压活塞。为了节省计算资源，忽略土壤和混凝土基础的建模分析。表1列出了模型中使用的弹簧刚度取值。静夜油垫采用油膜厚度90μm计算。中心滑移弹簧预载启动力为10 k N。对于结构钢，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3，为了考虑连接质量，增加约15%至9 028 kg/m3，阻尼采用2%。

图6 望远镜有限元模型Fig.6 Finite element model of the telescope

表1 有限元模型中使用的弹簧刚度Tab.1 Spring stiffnesses used in finite element model

用JMA Kobe波作为输入波［14］，分析发现望远镜结构最大响应加速度出现在指向天顶时的副镜位置。图7和图8分别显示了无隔震系统和有隔震系统时最大加速度响应的时间历程。Input表示输入波，Server代表副镜加速度响应。从图7可以确认，没有隔震系统的望远镜机架的响应会发生放大效应，其对输入的放大率在南北（NS）方向约为142%，东西（EW）方向约为145%，垂直（UD）方向为约369%。另一方面，如图8所示，隔震系统可以抑制响应加速度，其放大率在NS方向约为22%，EW方向约为38%，UD方向为200%。虽然隔震系统的UD方向响应大于输入，但相比之下，隔震效果有了明显提升，证明了水平滑移隔震装置良好的隔离性能。

图7 无二维隔震装置时间历程Fig.7 Time histories without 2D seismic isolation mechanism

图8 带二维隔震装置时间历程Fig.8 Time histories with 2D seismic isolation mechanism

4.2 垂直隔震系统分析

对垂直隔震装置进行了地震响应分析，输入波为上述JMA Kobe波和附加的JMA Tomakomai波。JMA Kobe波在震源附近观测到，其卓越周期小于1 s。JMA Tomakomai波包含约10 s的长周期分量。

阻尼系统附加（非线性）部件蓄能器的膨胀受到蓄能器初始容积的限制。其具体参数由供应商提供，见参考文献［15］，压力变化由绝热气体方程模拟，循环时间远低于2 min。

对于入口和出口流量特性，参考文献［16］中TCV数据表中的节流、止回阀特性以查找表的形式应用，如图9。

图9 博世TCV特性表（选择曲线4）Fig.9 TCV characteristics from Bosch Rexroth（No.4 chosen）

阻尼系统包含3个调谐参数：

（1）蓄能器容积：它影响阻尼状态下的等效蓄能器刚度。蓄能器容量越大，地面振幅输入望远镜的峰值加速度的数值越小。但是蓄能器可吸收的油量受系统中总油量的限制，并且静压油垫内部活塞动态范围和蓄能器接口处的尺寸也存在限制。

（2）氮气压力：它定义了阻尼系统激活的阈值。压力越低，共振情况下产生的加速度就越小。但是，最小压力是有限的。将该值设置得太低会影响工作范围，并可能导致低频振荡问题。

（3）节流阀设置：在低压状态下，节流阀限制回流量。因此，它影响了振动的阻尼。开口越小，阻尼越大。但是，由于在地震响应中的一段时间内需要将所有机油回流到液压系统中，因此较低的值受到限制。否则，蓄能器将建立更高的压力阈值。

经过分析优化后确定，在20℃情况下，蓄能器的标称容积为9.3 L，预载为362 bar。氮气压力高于负载系统中的标称压力（大约290 bar）。因此，在正常操作期间，蓄能器内不会储存液压油。对于节流止回阀，通过模拟建议节流设定为10%～15%，以抑制液压管路中的高频振动。其计算后静压油垫内嵌液压活塞的初始刚度为5×1010N/m，启动阈值为600 k N，激活后刚度为3.6×105N/m。

图10和图11显示了带有液压阻尼的隔震系统的两种地震波响应时间历程。隔震系统对长卓越周期波和短卓越周期波的响应加速度都很小，因此该系统具有足够的隔震性能。响应加速度不超过0.009 8 m/s2。因此，该分析确认了垂直隔震系统充分的隔震性能。液压阻尼产生的加速度衰减能力明显优于传统隔震系统。后期我们将进一步对该系统进行试验验证以及参数修正优化。

图10 JMA Kobe波地震响应Fig.10 Seismic response result of JMA Kobe

图11 JMA Tomakomai波地震响应Fig.11 Seismic response result of JMA Tomakomai

5 结 论

本文为了满足大型地基光学望远镜的抗震要求，提出了具有独特特点的三维隔震系统方案，具有强大的隔震性能，结构主要包括附加液压阻尼和水平滑移系统。其中附加液压阻尼是一种非常有效的隔震装置，通过使用液压流体使望远镜浮动，可使上部望远镜结构的自然周期大大延长。大量的非线性瞬态有限元分析结果表明：在二维滑移隔震情况下，望远镜最大响应加速度NS方向为0.673 m/s2，EW方向为0.881 m/s2，UD方向为2.56 m/s2；嵌入附加液压阻尼隔震装置后，UD方向加速度衰减为0.009 8 m/s2，证实了附加液压阻尼的三维隔震系统在三个空间维度上均具有良好的隔震性能。