航天发射塔架结构变形检测方法研究

马超，盖泳伶，高云鹏，焦贵军，何昀晓

（1.中国人民解放军63602部队，酒泉 732750；2.中国人民解放军63637部队，酒泉 732750）

引言

航天发射塔架是发射场的重要组成设备，主要由塔体结构、电缆井道、活动工作平台、塔吊、电缆摆杆、电梯、逃逸救生滑道及工艺房间等部分组成。近年来，随着我国航天任务高密度常态化发展，任务准备周期越来越短，对发射塔架的运行状态及可靠性的要求越来越高。

航天发射塔架投入使用十多年来，已完成了多次航天任务发射，经历了大风、极寒、高温、地震、火箭尾焰炙烤等多种环境因素影响，塔架的一些部位发生了锈蚀、开裂、脱焊，塔架部分基础也出现了沉降裂缝，这些状态的变化，是否产生了航天发射塔架结构变形，是否会影响航天任务发射，需要对其技术状态进行检测[1]。

根据航天任务的检修计划，每年要对塔架进行检测，或者在大风、地震等环境因素影响后，为及时掌握发射塔架技术状态，需要对塔架进行结构变形进行检测。航天发射塔架是一个大型的钢结构，由许多结构件通过焊接和螺栓固定，如何对航天发射塔架进行结构变形进行检测，成为当前的主要问题。本文结合大型钢结构的检测方法，考虑的检测效率，研究采用软件仿真与实践相结合的方法进行。通过综合考虑，本文在塔架受力分析的基础上，根据分析结果合理选择检测测点，依据所测得的数据对发射塔架的结构变形进行了检测，为塔架的健康检测提供了方法，为研究塔架结构变形影响因素提供依据[2]。

1 发射塔架受力分析

发射塔架平台结构包括四组活动平台、13层升降平台、1层固定的底层平台和相应的液压、电控设备，发射塔架的固定塔为钢筋混凝土结构，活动平台部分为钢结构。通过建立有限元模型，分析发射塔架的受力分布，确定发射塔架扭曲和弯曲部位较大的部位，为检测点的选择提供依据[3]。

1.1 模型建立

1）几何模型

航天发射塔架工作平台由活动平台结构、升降工作平台、小封闭和保温封闭及液压动力系统组成，其主要功能是为产品的吊装对接、测试、加注等工作提供操作面。在建立好机械设备的三维图形元件库后，按实际机械结构原理，将库中的元件取出，组织装配三维可视化航天发射塔架。航天发射塔架结构包括塔体结构，升降活动平台、电缆摆杆和塔吊四大部分，为方便建模，对塔架各平台的围栏、供气、供电线管路等非重量件进行了省略[4]。

2）网格划分

在对发射塔架进行仿真分析时，选择发射塔架活动平台第4层进行分析，活动平台为桁架结构，由钢管、檩条通过焊接和螺栓连接，受力主要是自重和风载，为便于研究，将其简化为梁单元进行受力分析。采用有限元进行受力分析时综合考虑运算效率和运算精度，对活动平台的部分结构进行简化，对应力集中的地方进行较密网格划分，具体第4层活动平台有限元模型如图1所示[5]。

图1 第4层活动平台有限元模型

3）定义边界条件

在进行有限元分析时，通过现场分析发射塔架第4层活动平台的钢结构为Q235普通碳素结构钢，通过查阅标准后在有限元软件中将其密度设定为7.85 k/cm3，弹性模量设定为2.06×105 Mpa，泊松比设定为0.3 V，第4层活动平台主要运动轨迹为围绕回转轴的转动，将围绕回转轴具有回转自由度的约束作为便捷条件[6]。

1.2 计算结果

在建立了第四组活动平台结构有限元模型的基础上，调入MSC.NASTRAN求解器进行计算，汇总结果，一、二、三、四阶固有频率及振型结果如表1所示。第4层活动平台封闭后的前一、二、三、四阶振型如图2所示[7]。

表1 第4层活动平台一、二、三、四阶固有频率、周期及振型

图2 第4层活动平台一、二、三、四阶振型图

1.3 仿真分析

1）由于第4层活动平台回转封闭，其自由度为1，故其一阶振型频率为0；由表和图可见，二、三、四阶的结构振型分别为扭曲振型、弯曲振型和封闭版局部振型。

2）根据《建筑结构荷载规范》中明确的当结构的自振频率是激振频率的0.85~1.1倍范围以内时，结构在动特性上是不安全的。自然风荷载的激振频率一般是0.5 Hz左右，通过表1可知，第4层活动平台封闭状态下自振频率在风的激振频率0.85~1.1倍范围以外，则可以看出第4层活动平台封闭后在结构动特性上是安全的。

3）从模态分析的角度，该尺寸的塔架性能是可靠的，分析极限载荷情况下塔架的性能将在静态分析中予以研究。

4）根据图2可见，第一组活动平台和第四组活动平台扭曲和弯曲部位较大的地方均在塔架前端，这为塔架进行结构变形监测的测点选择提供了理论依据。

2 钢结构变形常用测量方法分析

航天发射塔架是一个整体的大型钢结构，包含了钢梁、吊车梁、檩条、桁架等结构件，对塔架结构变形检测时主要检测上述结构在平面内的垂直形变、平面外的侧向形变、表面的凹凸局部形变，塔架整个结构倾斜和基础不均匀沉降。目前可用来测量塔架形变的常用一起包括水准仪、经纬仪和全站仪。

2.1 水准仪检测结构件跨中挠度的方法

水准仪在测量钢结构跨中挠度时可获取较为精确地数据，测量结构件时，首先将水准仪固定在钢结构一侧，其次通过旋转水准仪云台可同时获取位于结构件两端和跨中所垂直立的标尺的标度，用f0,f1,f2表示结构件跨中和两端水准仪的读数，最后在采用式（1）进行计算：

计算得到的f数值，即为结构件的挠度。在进行测量时，为提高测量精度，采用水准仪读取标尺数据时，测度次数不少于3次，并取多读数的均值作为最终计算数据。

2.2 经纬仪检测构件倾斜度的方法

检测钢结构建筑物倾斜一般采用经纬仪测定，其主要步骤有：

1）经纬仪位置的确定

测量钢结构建筑物的倾斜时，经纬仪位置如图1所示。其中要求经纬仪至钢柱及建筑物的间距L大于钢柱及建筑物的宽度。

2）数据测读

如图3所示，瞄准钢结构建筑物顶部M向下投影得N点，然后量出NN1间的水平距为b，以M点为基准，采用经纬仪测出垂直角角度a。M为建筑物顶部基准点（一般为墙角的最高处），M1为未倾斜前建筑物顶部基准点位置，N为墙角与经纬仪同简度的测点，N1为与经纬仪同高度并与M点向下垂直的交点，H1为经纬仪的高度，H为建筑物顶部基准点至N1点的高度，a为用经纬仪测量的M点垂直角，L为经纬仪至建筑物底部的距离，b为NN1间的水平距离。

图3 经纬仪检测构件倾斜度

3）结果整理

根据垂直角a，计算测点高度H。计算公式为：

则钢结构建筑物的倾斜量为：

钢结构建筑物的倾斜量△为；

根据以上测算结果，综合分析四角的倾斜度及倾斜量，即可描述钢结构建筑物的倾斜情况。

2.3 水准仪检测结构沉降的方法

钢结构沉降观测采用水准仪测定，其主要步骤有：①首先确定水准仪固定位置，在钢结构附近选择一块位置，用于安放水准仪，并做好标记，便于后续多次测量时使用，所选的位置在钢结构地基变形的影响范围之内，土层比较坚硬，可人工设置水泥平台作为固定测量点；②其次确定钢结构观测点位置，根据钢结构的特征选择能反映地基沉降或者形变较明显的位置，设置的标志点数最少不少于6个，标志点应是半球形或有明显突出的特征便于识别，标志点应牢靠的固定在钢结构上，用于多次观测；③最后进行数据测量整理，对钢结构沉降的观测时间应根据实际情况确定，通过多个周期的数据对比来判断钢结构的沉降速度，沉降速度小于0.1 mm/月时可认为沉降是符合要求的。通过对比钢结构不同位置的沉降数据差，可判断钢结构不均匀的沉降情况，如有沉降不均匀的情况，应调整观测点进行多次测量对比分析。

2.4 全站仪检测结构沉降的方法

钢结构沉降观测采用全站仪测定时，其主要步骤有：①确定测量基准点，根据建筑物的结构，在能够通视整个建筑物的位置架设全站仪；②在建筑物需要测量的位置设置目标反光贴；③通过设置全站仪设备参数，确定仪器的高度，基准点位置；④设置仪器的X、Y、Z三轴，测量出目标反光贴具体位置[8]。

综合对比上述三种仪器，可以看出全站仪的优势为：“可自动测出目标点距离、目标点左右偏差、目标点高度等信息，使用全站仪可以将高差沉降、左右偏差、角度全部测出”。考虑到塔架的结构特征，进行塔架结构挠曲变形时选用全站仪进行测量。

3 塔架结构挠曲变形分析

3.1 测点布置

航天发射塔架常规性结构特性测量的主要工作是进行活动平台挠曲度变化情况测量，通过在航天发射塔架设置不同的观测点，多观测点进行多个周期测量，分析对比测量数据，可以得到航天发射塔架在各种环境因素影响下的结构变形的变化趋势。航天发射塔架活动平台共有4层，每层分为东西两半部分，测点选择在每联顶层与底层两层上布置，测点布置楼层如图4所示[9]。

图4 测点布置楼层示意图

在各层拟测楼层上各布置10个测点，分别布置在活动平台东侧外壁活动平台根部、端部及中点3个点，活动平台北侧东半组最东端与最西端2个点，活动平台北侧西半组最东端与最西端2个点，活动平台西侧外壁活动平台根部、端部及中点3个点，测点布置如图5所示。

塔下观测点布置在塔架西北侧与东北侧的两个大地测量基准上。西北侧大地测量基准如图6所示。

图6 西北侧观测点位置

3.2 确定设备

测量设备选择使用无棱镜全站仪与反光信标配合作业，反光信标安装在塔上观测点位置。反光信标如图7所示。反光信标的反光面必须正对全站仪观测面，因此需要在塔架观测点位置处事先安装鸭嘴架，在鸭嘴架上安装反光信标，便于调整反光信标反光面朝向。测量设备选择使用无棱镜全站仪，如图7所示。

图7 反光信标和全站仪

3.3 测量流程

首先安装测量反光信标，预先在塔上测点位置处安装信标支架，根据测点位置不同制作不同尺寸支架，使信标正面基本正对于观测点，考虑到反光信标室外使用寿命，每月更换一次反光信标；然后测量观测点相对高差，使用全站仪配合反光棱镜，测量出两个观测点之间高差，理论上该高差值为零；最后逐点进行测量，使用全站仪配合反光信标进行逐点测量，记录各点标高，受相对位置约束，观测点1用于测量活动平台东侧各测点，观测点2用于测量活动平台西侧各测点。

3.4 塔架结构变形趋势分析

从2020年4月到2020年7月不间断的对航天发射塔架标高进行监测并将所有记录的数据存档，如图8所示为监控测量点的分布。

图8 平台标高测点选择示意图

选取塔架测量点时左右对称分布，在测得塔架各点标高后计算各层活动平台的挠度，挠度计算公式见公式（1）。表2为各目标点绝对标高值，以观测点为基准测出所有数值，表3为后四次所测数据与第一次数据的差值。为反映塔架标高的真实情况，检测人员在每天的不同时间段进行数据监测。

表2 目标点绝对标高值

表3 各目标点高差变化表

由表2、3可见，塔架西侧观测点B1-B8比塔架东侧观测点A1-A8标高值普遍偏低，由于观测时未以塔架地面为基准点，在忽略地面平整度的影响下，说明塔稍微向西倾斜。

图9为各目标点高差变化图，在下午16∶00时各目标点标高值变化最高，这是由于塔架标高受温度影响，每天下午16∶00温度最高，塔钢结构受温度热胀冷缩，导致这种状况的发生。

图9 目标点高差变化图

根据有限元分析，根据发射塔架结构设计，可以看出航天发射塔架在封闭状态下受自重、风载等静载荷对结构变形的影响较小。通过分析对比前几个周期测量的数据可知，航天发射塔架结构变形的主要是受震动、温度及地基沉降等环境因素影响。

4 结语

航天发射塔架的检测至关重要，采用有限元建立模型进行受力分析，确定第4层活动平台的观测点，通过分析现有钢结构检测方法，选用全站仪进行检测。经过多个周期的检测，通过对数据整理分析后发现发射塔架的结构变形主要是由震动、环境温度以及地基沉降等环境因素所影响，自重和风载荷影响较小。这种仿真与实践相结合的检测方法科学严谨，操作简便、易于推广使用，后续应用于航天发射场的其他设备检查，这种方法为塔架结构的状态检测与故障预测分析提供了依据。