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(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引 言

自20世紀(jì)30年代初問世以來，相控陣?yán)走_(dá)已廣泛應(yīng)用在地基、?；?、空基以及天基雷達(dá)系統(tǒng)中。隨著世界各發(fā)達(dá)國家在相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)科研投入的增加，相繼研制和裝備了用于進(jìn)行彈道導(dǎo)彈防御的固定式大型相控陣?yán)走_(dá)，如美國的“鋪路爪”、GBR，俄羅斯的“沃羅涅日-M”、“沃羅涅日-M(增強(qiáng)型)”、“沃羅涅日-DM”等。大型相控陣?yán)走_(dá)由于體量巨大、陣面口徑在數(shù)百平米至數(shù)千平米量級之間，設(shè)備總重量在百噸至數(shù)千噸之間[1]，外場總裝的時間從數(shù)月至數(shù)十月不等，因此，大型雷達(dá)的外場總裝十分復(fù)雜，是整部雷達(dá)研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

天線骨架作為相控陣?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)支撐和陣面安裝基礎(chǔ)，是整個陣面精度實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，必須具有足夠的剛強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)變形勢必會影響天線的電性能指標(biāo)，為了使得天線電性能可以滿足設(shè)計(jì)要求，必須保證天線結(jié)構(gòu)變形在允許范圍內(nèi)[2]。因此，在固定式大型相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展初期天線骨架均采用建筑物形式構(gòu)建，具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，但整個系統(tǒng)建造周期和成本均較高。隨著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的發(fā)展，后期天線骨架逐漸采用鋼結(jié)構(gòu)天線樓構(gòu)建，與混凝土天線樓相比，具備施工速度快、現(xiàn)場作業(yè)少、便于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量易控制、可降低成本且綠色環(huán)保等諸多優(yōu)勢[3]。

目前國內(nèi)外大型相控陣?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)研究工作主要集中在有源陣面系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)備布局等，而對雷達(dá)外場總裝，尤其是鋼結(jié)構(gòu)天線骨架的現(xiàn)場總裝未見有報(bào)道，本文從固定式大型相控陣?yán)走_(dá)鋼結(jié)構(gòu)天線骨架入手，針對架設(shè)現(xiàn)場的陣地布置、吊裝單元劃分、吊點(diǎn)設(shè)計(jì)、吊裝設(shè)備選型、架設(shè)過程力學(xué)分析等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，建立了鋼結(jié)構(gòu)骨架外場架設(shè)的全流程圖，并以某個項(xiàng)目為例，闡述了設(shè)計(jì)、分析、施工等主要環(huán)節(jié)的工程實(shí)現(xiàn)方法。

1 架設(shè)影響要素分析

大型雷達(dá)外場架設(shè)是雷達(dá)結(jié)構(gòu)安全性的重要部分之一，雷達(dá)安全性設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)、機(jī)動架設(shè)過程的安全性設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)場設(shè)備的安全性設(shè)計(jì)[4]，固定站式大型相控陣?yán)走_(dá)大量結(jié)構(gòu)件和電子設(shè)備外場總裝是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程。其中鋼結(jié)構(gòu)骨架架設(shè)是外場總裝核心，是整個雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全性實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。外場架設(shè)的主要影響要素如下：

1) 吊裝單元。由于大型相控陣?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)規(guī)模大、重量重，因此如何對整個系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的劃分，進(jìn)而確定現(xiàn)場施工的最大吊裝單元，是能否順利進(jìn)行外場架設(shè)的基礎(chǔ)，吊裝單元的劃分首先需要考慮如何實(shí)現(xiàn)天線骨架精度與安全性，同時兼顧外場施工便利性、計(jì)劃周期等要求，吊裝單元劃分在工程實(shí)施階段必須完成，是后期工程機(jī)械選擇、道路勘察和陣地勘選的依據(jù)。

2) 工程機(jī)械。外場架設(shè)的工程機(jī)械一般包括平板運(yùn)輸車、廂式貨車、汽車吊、履帶吊、高空作業(yè)車、叉車等，工程機(jī)械依據(jù)運(yùn)輸方案和吊裝單元進(jìn)行選型，鋼結(jié)構(gòu)骨架吊裝一般可分為單機(jī)抬吊、多機(jī)抬吊等，吊車噸位選擇主要依據(jù)吊裝單元重量、尺寸、吊車工作幅度等。

3) 道路。受電磁環(huán)境影響，大型相控陣?yán)走_(dá)均布置在位置偏遠(yuǎn)、相對海拔較高的區(qū)域，而大型設(shè)備進(jìn)場對道路均有嚴(yán)格要求，在完成雷達(dá)陣地勘選后，需要根據(jù)運(yùn)輸方案、吊裝方案確定工程機(jī)械種類和行駛參數(shù)，進(jìn)而對入場道路提出改擴(kuò)建要求。道路的參數(shù)主要包括路寬、最小轉(zhuǎn)彎半徑、縱向坡度與側(cè)向坡度、路面承載力、路面種類等。此外還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注道路沿線是否有橋梁、隧道等上跨結(jié)構(gòu)，需確認(rèn)其承載力與通過高度。如果道路不能滿足設(shè)備進(jìn)場要求，可以考慮在相應(yīng)位置設(shè)立中轉(zhuǎn)場地，將大型設(shè)備分解為若干個小型單元并通過噸位較小的車輛運(yùn)輸，從而降低對進(jìn)場道路要求。

4) 架設(shè)流程。天線骨架架設(shè)流程是外場架設(shè)核心環(huán)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)吊裝單元劃分，確定合理的作業(yè)順序，涉及到多臺吊車協(xié)同工作時，須明確單臺吊車的動作流程，對于不同吊裝單元之間桿件連接的人工操作，盡量采用并行工作方式縮短時間。架設(shè)流程必須明確架設(shè)過程中所有工序、每個工序中的詳細(xì)工作內(nèi)容、設(shè)備需求、人員需求及作業(yè)時間等內(nèi)容。

5) 場地布局。陣地現(xiàn)場的場地布局主要包括雷達(dá)設(shè)備基礎(chǔ)區(qū)域、工程機(jī)械活動區(qū)域、吊裝區(qū)域、材料和設(shè)備臨時堆放區(qū)域、構(gòu)件拼裝區(qū)域、項(xiàng)目指揮部及倉庫區(qū)域六大部分，各個區(qū)域之間有嚴(yán)格的相對位置要求，單個區(qū)域需要明確面積、地面類型、地面承載力、設(shè)備接口等參數(shù)。工程機(jī)械活動區(qū)域應(yīng)圍繞設(shè)備安裝基礎(chǔ)為核心，骨架吊裝區(qū)域應(yīng)在構(gòu)件拼裝區(qū)域和設(shè)備基礎(chǔ)區(qū)域中間，確保架設(shè)的可達(dá)性，材料和設(shè)備臨時堆放區(qū)域還應(yīng)在構(gòu)件拼裝區(qū)附近，便于拼裝的便利性，項(xiàng)目指揮部及倉庫要在陣地現(xiàn)場的入口區(qū)域，便于實(shí)現(xiàn)設(shè)備和人員的集中管理。

6) 吊裝過程力學(xué)分析。對于大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工過程，結(jié)構(gòu)施工最終要達(dá)到設(shè)計(jì)要求的位移和內(nèi)力目標(biāo)，施工分析和計(jì)算是必不可少的[5]。大部分雷達(dá)產(chǎn)品在方案階段均會對整機(jī)和各個重要分系統(tǒng)專門進(jìn)行力學(xué)分析，校核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度指標(biāo)和整機(jī)的安全性，但分析對象和邊界條件均為產(chǎn)品最終交付狀態(tài)，而吊裝過程力學(xué)分析主要針對架設(shè)中間過程進(jìn)行，分析重點(diǎn)在產(chǎn)品中間狀態(tài)和局部節(jié)點(diǎn)，主要涉及吊點(diǎn)、吊具、鋼絲繩、骨架局部節(jié)點(diǎn)等，吊裝過程可能還會涉及構(gòu)件姿態(tài)轉(zhuǎn)換，必須對吊裝起始位置至構(gòu)件就位位置進(jìn)行全流程分析，確保整個吊裝過程安全。

7) 施工組織設(shè)計(jì)。由于大型雷達(dá)陣地現(xiàn)場具有面積大、材料多、工程機(jī)械多、人員多、協(xié)作配套單位多等典型特點(diǎn)，現(xiàn)場存在較為明顯的交叉施工作業(yè)，因此，協(xié)調(diào)不同單位、人員、設(shè)備并行作業(yè)，縮短最長施工路徑是現(xiàn)場施工組織設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，將人員、設(shè)備和工作內(nèi)容進(jìn)行合理分配，從而確保安全、質(zhì)量、進(jìn)度三個指標(biāo)協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

2 外場架設(shè)典型流程

大型相控陣?yán)走_(dá)鋼結(jié)構(gòu)骨架一般采取工廠預(yù)制、現(xiàn)場組裝方案，鋼構(gòu)件材料進(jìn)場后采用工裝搭建、地面拼裝、構(gòu)件吊裝、高空散拼、臨設(shè)拆除共5個步驟完成外場架設(shè)，如圖1所示。

1) 工裝搭建。為了保證鋼結(jié)構(gòu)天線骨架拼裝精度，降低散拼帶來的精度控制風(fēng)險(xiǎn)，必須在陣地現(xiàn)場搭建組拼工裝，通過全站儀、雙經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀等測量設(shè)備對關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行準(zhǔn)確測量和放樣，作為吊裝單元地面組拼的精度基礎(chǔ)。

2) 地面拼裝。天線骨架劃分的若干個吊裝單元按照工藝流程逐步開展拼裝，在工廠長途運(yùn)輸至陣地現(xiàn)場過程中，部分構(gòu)件不可避免會產(chǎn)生局部變形和扭曲，因此在拼裝過程中需要采用現(xiàn)場處理措施，包括使用倒鏈、千斤頂及搖臂鉆等工具進(jìn)行現(xiàn)場校正。

3) 構(gòu)件吊裝。吊裝單元的單件吊裝需要單個或多個大噸位吊車協(xié)同配合，根據(jù)吊裝方案確定吊車位置，開展吊裝之前通過伸縮拔桿確定工作幅度和吊裝能力，確保吊裝過程中吊車安全。吊裝單元就位后，可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要增加臨時加固措施，包括支撐工裝、攬風(fēng)繩等，同時通過測量+倒鏈調(diào)整手段保證吊裝單元連接接口處于設(shè)計(jì)位置。

4) 高空散拼。多個吊裝單元之間通過鋼結(jié)構(gòu)連桿形成一個整體，確保鋼結(jié)構(gòu)骨架整體受力安全性，連接過程中可能需要增加一些測量和調(diào)整措施，保證高空連接可靠性和連接過程的安全性。

5) 臨設(shè)拆除。若干個吊裝單元連接成一個整體后，形成全狀態(tài)鋼結(jié)構(gòu)天線骨架，拆除安裝過程中所有臨時加固設(shè)施，骨架安裝結(jié)束。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)骨架外場架設(shè)典型流程

3 工程案例

某固定式大型相控陣?yán)走_(dá)鋼結(jié)構(gòu)骨架重達(dá)480 t，外形上呈平板支撐型，前后跨距為35 m，陣面斜邊長約36 m，寬度37 m，如圖2所示。采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場組拼、分段吊裝的施工方案，陣地架設(shè)是本雷達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)場安裝的關(guān)鍵，在方案論證時根據(jù)架設(shè)場地特點(diǎn)對場地布置、吊車位置、吊車噸位、吊裝點(diǎn)、回轉(zhuǎn)半徑、組裝位置等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，同時考慮到架設(shè)過程中的環(huán)境因素，對吊裝的全過程進(jìn)行力學(xué)仿真校核，確保吊裝過程的安全性。

圖2 某大型雷達(dá)鋼結(jié)構(gòu)骨架示意圖

3.1 吊裝單元劃分

鋼結(jié)構(gòu)天線骨架由前肢骨架和后斜撐骨架組成，其中前肢骨架在寬度方向上由18榀列骨架組成?？紤]到道路通過性、吊車吊裝能力、吊裝單元重量、現(xiàn)場地面組拼場地等條件，將3榀列骨架作為一個基本吊裝單元，前骨架可以劃分為6個基本吊裝單元，如圖3所示。

圖3 前肢骨架吊裝單元劃分示意圖

前肢骨架基本吊裝單元的最大重量約為36 t，其重心位置高度14 m，水平向12 m，如圖4所示。

圖4 前肢吊裝單元重心位置

后斜撐骨架是4個獨(dú)立的支撐單元，單個后斜撐重量約為29 t，作為一個基本吊裝單元，按照總裝工藝流程，天線骨架將先進(jìn)行后斜撐骨架吊裝，然后進(jìn)行前肢骨架吊裝，兩個吊裝單元組合成一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

將前肢骨架和后斜撐分塊安裝法配套的最主要的一個技術(shù)措施是設(shè)置臨時支撐體系，臨時支撐體系提供了永久結(jié)構(gòu)在未成型前的支承依靠[6]。因此，通過在斜支撐底部片桁架上設(shè)置3組長鋼管，鋼管與斜支撐一起構(gòu)成一個穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 后斜撐吊裝單元重心位置

針對人字形骨架跨度大、重量重，單榀為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，吊裝過程存在巨大風(fēng)險(xiǎn)，將人字形骨架拆分為兩個吊裝單元，創(chuàng)新性地采用支撐桿完成后支撐基本單元臨時加固，同時在支撐桿底部采用千斤頂支撐并調(diào)整角度，實(shí)現(xiàn)了前后支撐的高精度調(diào)整和快速對接。

3.2 吊點(diǎn)選擇

吊裝方案設(shè)計(jì)的重中之重為吊點(diǎn)位置的合理選擇[7]?？紤]到吊裝單元的輪廓尺寸、重量、重心位置、吊裝幅度等因素，采用兩臺汽車吊協(xié)同工作，單個吊車單點(diǎn)吊裝時骨架節(jié)點(diǎn)處的局部應(yīng)力過大，將產(chǎn)生塑形變形進(jìn)而導(dǎo)致骨架破壞，因此單個吊車采用兩個系固點(diǎn)吊裝。前肢骨架第一個吊點(diǎn)選在第三個節(jié)點(diǎn)與第四個節(jié)點(diǎn)之間，第二個吊點(diǎn)選在第六個節(jié)點(diǎn)與第七個節(jié)點(diǎn)之間；后斜撐骨架第一個吊點(diǎn)選在第四個節(jié)點(diǎn)與第五個節(jié)點(diǎn)之間，第二個吊點(diǎn)選在后斜撐骨架第七個節(jié)點(diǎn)與第八個節(jié)點(diǎn)之間，如圖6所示。

(a) 前肢吊裝單元吊點(diǎn)位置

(b) 后斜撐吊裝單元吊點(diǎn)位置圖6 吊裝單元吊點(diǎn)位置示意圖

3.3 吊繩布置

由于骨架吊裝單元地面組拼時水平放置，在起吊過程中單元角度會發(fā)生較大變化，在不同角度吊鉤與吊點(diǎn)間吊繩長度不同，因此，吊繩布置十分關(guān)鍵。

在每個吊點(diǎn)左右兩側(cè)設(shè)置一根鋼絲繩+一個滑車，左右兩根鋼絲繩之間在骨架內(nèi)部通過卸扣互連，如圖7所示。單側(cè)的鋼絲繩通過滑車可自動調(diào)整上下繩的長度，左右滑車鋼絲繩互連，可以確保吊鉤兩側(cè)鋼絲繩長度始終保持等長，有利于保證骨架受力均勻。

由于采用兩臺大噸位(260 t, 200 t)汽車吊協(xié)同工作，且吊裝過程中吊裝單元角度一直在變化，因此確保吊裝過程中吊車和吊裝單元的穩(wěn)定性是最大難題，本方案創(chuàng)新性地采用兩組滑車協(xié)調(diào)吊裝單元角度變化，左右吊繩互聯(lián)確保吊裝單元重心位置穩(wěn)定，順利確保了吊裝過程的安全性。

圖7 吊裝單元吊繩布置示意圖

3.4 仿真與校核

3.4.1 力學(xué)分析

1) 后斜撐吊裝分析

后斜撐在最大吊裝角(就位狀態(tài))下，吊繩位于節(jié)點(diǎn)3和4之間、節(jié)點(diǎn)7和8之間時，此時后吊點(diǎn)F1為3.6～11.2 t之間，前吊點(diǎn)F2為26.4～18.8 t之間。全吊裝過程最大變形3 mm，全吊裝過程最大應(yīng)力29 MPa，如圖8所示。

2) 前肢骨架吊裝過程力學(xué)分析

前肢骨架最大吊裝角(就位狀態(tài))下，吊繩位于節(jié)點(diǎn)3和4之間、節(jié)點(diǎn)6和7之間時，此時后吊點(diǎn)F1為24.6～12 t之間，前吊點(diǎn)F2為11.4～24 t。全吊裝過程最大變形61 mm，全吊裝過程最大應(yīng)力232 MPa，如圖9所示。

(a) 后斜撐姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程吊點(diǎn)力變化圖

(b) 后斜撐吊裝過程變形圖

(c) 后斜撐吊裝過程應(yīng)力圖圖8 后斜撐吊裝過程力學(xué)分析

(a) 前肢骨架姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程吊點(diǎn)力變化圖

(b) 前肢骨架吊裝過程變形圖

(c) 前肢骨架吊裝過程應(yīng)力圖圖9 前肢骨架吊裝過程力學(xué)分析

3) 中間狀態(tài)力學(xué)分析

前肢骨架和后斜撐骨架在就位過程中，會有臨時加固狀態(tài)及單個組合狀態(tài)，考慮到安裝過程的周期和現(xiàn)場施工環(huán)境條件，需對兩種中間狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，模型如圖10所示。

圖10 中間狀態(tài)分析模型示意圖

分析結(jié)果表明在35 m/s風(fēng)速下，均滿足安全設(shè)計(jì)要求，分析結(jié)果如表1所示。

表1 骨架架設(shè)中間狀態(tài)仿真分析結(jié)果

3.4.2 吊車能力核算

根據(jù)吊裝過程中兩個吊點(diǎn)受力變化情況計(jì)算數(shù)值，查閱徐州工程機(jī)械集團(tuán)汽車吊各個噸位的吊裝能力曲線表，在前肢骨架與后斜撐吊裝過程中，上吊點(diǎn)選擇260 t汽車吊、下吊點(diǎn)選擇200 t汽車吊，吊車能力核算結(jié)果如表2所示，兩臺吊車協(xié)同工作滿足實(shí)際使用工況要求。

3.5 架設(shè)過程分配

天線骨架的吊裝流程為先吊裝后斜撐、再吊裝前骨架，按照中間至兩側(cè)的順序向外開展，便于骨架合攏就位后采用纜繩加固。后斜撐的吊裝單元有4個，前肢骨架的吊裝單元有6個。架設(shè)工作還包括前肢骨架和后斜撐之間節(jié)點(diǎn)板連接，前肢骨架6個吊裝單元之間的空間桿件連接等工作。為了合理利用地面組拼、前后肢吊裝、空間桿件連接三個工序之間關(guān)系，將架設(shè)過程按作業(yè)順序和時間進(jìn)行合理分配，縮短項(xiàng)目最長實(shí)施路徑，并對施工現(xiàn)場的工作人員和施工周期進(jìn)行評估，確保項(xiàng)目順利完成。

表2 吊車能力核算表

按照架設(shè)流程分配甘特圖，架設(shè)過程中最多可以存在3組工序并行，現(xiàn)場操作工人24名(不含車輛操作人員，吊裝指揮人員)，23 d可以完成骨架架設(shè),如圖10所示。

圖10 架設(shè)過程分配圖

4 結(jié)束語

本文概述了固定站式大型相控陣?yán)走_(dá)天線骨架結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)及發(fā)展趨勢，詳細(xì)分析了鋼結(jié)構(gòu)骨架外場架設(shè)要素和架設(shè)流程。針對某固定站式大型相控陣?yán)走_(dá)鋼結(jié)構(gòu)天線骨架外場架設(shè)的難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)，采用了基于工廠預(yù)制、現(xiàn)場組裝、構(gòu)件吊裝及高空散裝的綜合解決方案，根據(jù)鋼骨架外形尺寸大、重量重、吊裝工作幅度大的特點(diǎn)，采用雙機(jī)抬吊的吊裝方案，利用滑車平衡吊裝單元不同角度與吊繩長度匹配，大大提高了吊裝過程中姿態(tài)變化的平順性和安全性，并采用工裝、測量和調(diào)整組合手段保證了大型鋼骨架現(xiàn)場架設(shè)的精度，最終實(shí)現(xiàn)了23 d完成485 t，1 300 m2天線骨架外場架設(shè)，骨架前端面平面度4.8 mm(rms)，與前期方案論證和仿真分析結(jié)果一致，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

本文提出的大型相控陣?yán)走_(dá)鋼結(jié)構(gòu)骨架外場架設(shè)流程，在場地布局、吊裝單元劃分、吊點(diǎn)選擇、吊繩布置、吊車能力核算、吊裝全過程力學(xué)分析等方面進(jìn)行了有益嘗試，同時對于鋼骨架現(xiàn)場架設(shè)過程中的精度調(diào)整和實(shí)現(xiàn)手段進(jìn)行了詳細(xì)論述，相關(guān)流程、思路和方法可供固定式大型相控陣?yán)走_(dá)外場架設(shè)借鑒。