新型钢索的设计结合建筑和桥梁工程中的研究成果［23－29］，由基材试验确定了采用DLP盘条拉拔成的钢丝基材，但是钢索的疲劳性能还跟以下三个方面密切相关：①防护措施；②索头结构和成型方式；③索头锚具和连接件。

1）防护措施研究

钢丝锈蚀不仅削弱其静力强度，并且对其耐疲劳性能有较大影响。钢丝锈蚀点由于截面削弱及表面锈蚀损伤，在疲劳荷载作用下，该处往往产生应力集中，从而过早地形成疲劳裂缝萌生源，降低了钢丝的疲劳寿命。因此，为保证钢索及结构安全，实际工程中除光面钢丝外，钢丝表面均带有防腐涂层，如镀锌层、高钒镀层、环氧涂层等，以阻止钢丝锈蚀。

但是研究发现，由于防腐涂层与钢丝表层的化学反应作用、防腐涂层与钢丝材质差异以及防腐涂层的加工工艺等因素将明显影响钢丝的整体耐疲劳性能，如热浸镀锌，将使钢丝疲劳强度出现较大的离散性。因此，钢丝采用非金属防护（如环氧涂层），就可以避免镀锌降低钢丝的抗拉强度和疲劳强度及钢丝之间的微动磨损，从而合理解决钢索防腐及保证耐疲劳性能的重点问题。由于是初步试验阶段，钢索还是采用了热浸镀锌的防护措施，以此为基础可对非金属防护下的钢索疲劳性能进行合理的预测。

2）索头结构和成型方式研究

钢索索体结构及成型方式原则上应该以充分发挥单根钢丝的耐疲劳能力为目标。为降低构成钢索的钢丝间的微动磨损，理想的索体结构应为各钢丝互相平行。但由于制作工艺及锚固要求，目前工程中应用的钢索，无论是平行钢丝束还是钢绞线，各钢丝间并不完全平行，总是存在一定的扭绞角度。扭绞角度增大，在拉力作用下，各钢丝间相互挤压力增大，微动磨损明显增大，必将显著降低钢索疲劳寿命；扭绞角度减小，显然相反，制索中的疲劳损失越小，但对拉索耐久性起重要作用的高密度聚乙烯护套在盘卷中越容易开裂，同时带来了钢索弹性模量偏高的问题。

因此，本研究将选用扭绞角度为2°～4°的预制半平行钢丝束索进行抗疲劳性能和盘卷试验研究，以选取合适的扭绞角度，既能满足拉索的抗疲劳性能要求，又能满足盘卷运输要求。本次试验钢索采用半平行钢丝束索，适当减小扭绞角度（设计中取为2°），减小了钢丝间的挤压力。

3）索头锚具和连接件研究

钢索索头的锚固对钢索的疲劳寿命有着显著影响，若锚固设计不当，在疲劳荷载作用下，往往在锚具和钢丝接触处，由于锚固产生的附加力及对钢丝表面初始损伤的影响，将过早地产生疲劳裂缝，严重降低钢丝的疲劳寿命。因此，有必要基于超高应力幅下钢索索头锚固性能试验及理论分析，掌握其锚固机理，并配套研制索头锚固装置，采用机械式锚固与黏结式锚固结合的研究策略，在索体与索头的过渡段采用黏结式锚固，在索头部位采用机械式锚固，从而解决了实现超高应力幅下耐疲劳钢索的实际应用的关键问题。

根据FAST主动反射面索网结构连接节点形式，为便于拉索索头与节点连接，宜采用叉耳式连接件，即拉索索头通过耳板和销轴与节点连接，这样传力明确、构造简单、外观简洁。

FAST主动反射面主索网的索段长度较短（10～12m），索头尺寸对拉索整体刚度的刚化作用不可忽视。传统叉耳式连接索头（图3－42（a））的尺寸长，增加了整体拉索的实际刚度。在FAST反射面主动变位工作中，在相同索体规格和拉索长度下，增大了连接索头尺寸，就增大了拉索实际刚度，也就增大了拉索应力和应力幅，显然索头尺寸过大是不利于索网抗疲劳性能的，因此必须进行索头紧凑化设计，减少索头尺寸，拟采用索头连接方案，见图3－42（b）所示。

图3－42　索头示意图(www.daowen.com)

图3－43　索头锚具设计图（单位：mm）

根据以上研究，新型钢索索头锚具采用热铸锚与冷铸锚结合的方式，在索体与索头的过渡段（约50mm）采用热铸锚，在索头部位采用冷铸锚。索头选用的材料为42CrMo钢材。由于在试验中为了便于索头跟MTS疲劳试验机的连接，采用了内螺牙式连接。索头锚具设计如图3－43所示。

采用有限元软件ANSYS进行索头应力分析（图3－44和图3－45），可以看出索头在疲劳加载过程中，应力幅为54～165MPa，在拉索破断荷载下索头应力为412MPa。均能够满足材料的强度要求。

图3－44　疲劳应力下限索头应力图

图3－45　疲劳应力上限索头应力图

最终设计的新型钢索是由19根镀锌钢丝（强度级别σb＝1 860MPa，φ5.4mm，DLP盘条）组成的半平行钢丝束（扭角2°）。受到疲劳机高度的限制，试验设计的拉索中间索段长度1 500mm，两头锚具长度均为305mm，所以整个钢索的长度为2 110mm（图3－46）。

图3－46　新型钢索设计图