500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST)工程是“十一五”国家重大科技基础设施建设项目，于2016年9月25日完成主体结构施工，2020年1月11日正式通过国家验收。FAST是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，被誉为“中国天眼”，设计寿命30年^[1-4]，图 1为FAST全貌。

FAST馈源支撑系统采用柔索拖动带有并联机器人的馈源支撑平台，是FAST工程的3大自主创新之一^[5]。该系统突破了传统射电望远镜中馈源接收机与反射面相对固定的简单刚性支撑模式，实现了馈源舱轻型化，将馈源舱平台的重量从万t降到30 t，极大地降低了馈源舱支撑结构的重量和尺寸，并减少了对射电望远镜无线电波的遮挡，实现世界大型射电望远镜建造技术的重大突破^[6]。

FAST馈源支撑系统由6座百米高塔、6根钢索、6套驱动机构以及位于主动反射面中心底部的舱停靠平台组成。馈源支撑系统通过6根直径达46 mm的钢索牵引直径13 m、高6.5 m、重30 t的馈源舱，在反射面上方140~180 m处，口径为207 m的球冠面内移动，实现馈源的大跨度精确定位、定姿，利用舱内接收设备收集经反射面汇聚后的天体信号，实现望远镜精准聚焦观测^[6-7]，同时也可以垂直下降(入港)进入舱停靠平台进行设备检修和维护。舱停靠平台是馈源舱建造组装、入港停靠、维护、检修，以及馈源支撑钢索安装和更换的工艺平台，位于主动反射面中心底部，如图 2所示。

FAST在进行观测时，根据天文观测轨迹，6根馈源支撑钢索拖动馈源舱随着目标天体的移动不断地在焦面上缓慢移动，其跨度、高度以及承受的载荷都很大。馈源舱在焦面上不同位置，6根钢索的索力会不断发生变化。文[8-11]对6根钢索在FAST运行中可能出现的各种工况下的索力进行了分析和优化，优化后钢索的最大索力出现在馈源舱位于焦面边缘且离塔最近时，索力为390 kN；最小索力出现在馈源舱从舱停靠平台升空时，索力为140 kN。需要说明的是，由于馈源舱移动非常缓慢，最大索力和最小索力是在静态工况下计算获得的。同时，6根钢索的收放速度以及风扰引起的动载远小于稳态索力，实际运行过程中的索力监测数据也印证了这一结论。此外，文[12]还计算了6根钢索中某一根钢索的卷扬机电机高速输出轴突然断裂的极端工况，该工况发生数十秒后由于低速轴安全制动器抱闸刹停，期间将产生很大的冲击索张力和舱索系统的大幅振荡，此时的索张力为脉动索张力，脉动频率约为0.2 Hz，索张力最大值达500 kN，最大脉动幅度约为250 kN。

FAST作为目前世界上灵敏度最高的望远镜，观测任务非常繁重，除了例行检修外，FAST每天的观测时长约23 h，年统计观测时长超过5 300 h。观测过程中，馈源支撑钢索拖动馈源舱随着目标天体的轨迹在焦面上的不同位置不断来回移动，6根支撑钢索的索力也随着馈源舱位置的不同而不断变化，这使馈源支撑钢索长期承受循环变化的荷载，导致钢索可能出现疲劳破坏的风险。

鉴于馈源支撑钢索复杂的受力状态以及破断后可能造成的巨大影响，选用了型号为Casar Super Plast 8的46 mm钢丝绳，抗拉强度为1 960 N/mm²，正常工况下的安全系数为4.84。

2020年12月1日，Arecibo望远镜因支撑接收机馈源系统的钢索断裂而倒塌，震惊全世界。Arecibo望远镜钢索的破坏发生在锚固点，钢索从锚具中被连根拔出，导致馈源系统平台的崩塌。由于FAST的馈源舱是可移动的，与Arecibo望远镜固定式的馈源系统相比，FAST馈源舱支撑钢索的受力情况更加复杂，除了承受支撑馈源舱的拉力外，还要承受馈源舱不断移动所产生的疲劳荷载。FAST团队在设计阶段充分考虑了馈源支撑钢索的重要性和受力复杂性，根据FAST的主要科学目标，估算了钢索的应力循环次数及绕滑轮的弯折次数，并据此确定了支撑钢索的更换周期(每5年更换1次)。

同时，为确保FAST馈源支撑钢索的运行安全，FAST运行团队还采取了很多在役检测手段，比如，对人员可及的部分钢索，人工定期对索体进行无损检测，检查钢索截面有无断丝、锈蚀情况，以及钢索的截面面积损失率。靠近馈源舱200 m范围的钢索，由于永久悬空，且高度、坡度大，是人员无法到达的检测盲区。为定期检测盲区钢索的运行情况，FSAT运行团队正在联合国内多家机构研制馈源支撑钢索及滑车检测机器人系统，使用机器人沿钢索行进，躲避固定滑车、移动滑车、索夹等复杂障碍物，利用机器人携带的视觉传感器对馈源支撑钢索和滑车进行外观检测，通过基于深度学习的智能检测算法自动在线判别馈源支撑钢索及滑车表面缺陷的位置及形式，利用机器人携带的自开合磁传感器对馈源支撑钢索进行内部探伤，判断钢索的内部缺陷。

2020年7月，FAST团队对达到5年设计运行期限的馈源支撑钢索进行了第1次更换，对换下来的钢索进行了表面及内部的无损检测，结果显示更换下来的钢索丝股间润滑良好，无断丝锈蚀状况，最大截面面积损失率为4.6%，仍具备继续服役的能力。为进一步研究役后馈源支撑钢索和舱索连接锚具的实际剩余承载力，以及馈源支撑钢索和舱索连接锚具继续承受疲劳荷载的能力，本文截取了2根带锚具的钢索(试件位置见图 3)，分别进行了破断拉伸试验和拉伸疲劳试验。

1 破断拉伸试验

在进行破断拉伸试验前，首先按照《钢铸件超声检测第一部分：一般用途铸钢件》(GB/T 7233.1—2009) ^[13]和《铸钢铸铁件——磁粉检测》(GB/T 9444—2019)^[14]的要求对取样下来的舱索连接锚具进行了内部超声检测和表面磁粉检测。经过超声波探伤检测，2件舱索连接锚具均无超出文[13]规定的2级质量等级的内部缺陷，评定质量等级为2级，仍为合格件。经过磁粉探伤检测，2件舱索连接锚具均无超出文[14]规定的2级质量等级的表面缺陷，评定质量等级为2级，仍为合格件。

1.1 试件设计

由于截取的馈源支撑钢索仅一端带有锚具，为便于在试验中对试件进行夹持，在钢索的另一端采用热浇注工艺制作了新的锚具，新锚具的热铸体为锌铜合金，如图 4所示，图中远端锚具为在FAST运行5年后的馈源支撑钢索上自带的锚具。

试件中馈源支撑钢索的相关参数如表 1所示。

1.2 试验方案

破断拉伸试验采用300 t卧拉式试验机对试件进行加载，采用CL-YBM12MN型测力仪进行索力测量，测量精度为0.3%；采用百分表进行内缩量测量，精度为0.01 mm。试验中对试件进行张拉时，按馈源支撑钢索最小破断力的24%、47%、71%和95%分级加载，分级加载的拉力分别为451、902、1 354和1 805 kN，加载速度为100 MPa/min；当加载到最小破断力的95%后，保压持荷30 min；然后再逐渐缓慢加载，直至试件中馈源支撑钢索破断，或者钢索从锚具中拉出后终止试验。破断拉伸试验的试验装置如图 5所示。

1.3 试验结果

破断拉伸试验中，当拉力加载到最小破断力的95%时，试件开始出现不明响声，保压持荷30 min后，继续缓慢加载；当加载到1 816.0 kN时，馈源支撑钢索索体在新制作的锚具前端破断，断裂处形态如图 6a所示。此时，舱索连接锚具前端钢索形态正常，后端稍有内缩，内缩量为0.83 mm，试验后舱索连接锚具处形态如图 6b所示。舱索连接锚具试验前后外观检查显示，舱索连接锚具无变形，表面状况完好。

为进一步了解极限状态下舱索连接锚具内部热铸体的变化情况，检验舱索连接锚具的锚固性能，对破断拉伸试验后的舱索连接锚具进行了剖切。锚具剖开后发现，锚具内部热铸体无滑脱；剖切面发现少量气孔，总体密实度和浇注质量良好，如图 6c和6d所示。采用材料元素滴定法和光谱分析法对热铸体材质进行了化验，结果显示热铸体材料为锌基合金材料。

根据破断拉伸试验的结果可知，馈源支撑钢索在新浇注的锚具前端发生破断，而舱索连接锚具处无变形、裂纹出现，且锚具剖开后热铸体无滑脱、浇注质量良好，说明运行5年后馈源支撑钢索的实际破断力以及舱索连接锚具的实际锚固力应大于试验中的破断力1 816 kN。分析馈源支撑钢索破断的原因可能是在新锚具制作过程中对原有钢索造成了轻微的损伤，在试验过程中由于应力集中，导致在新锚固头前端发生破断。

实际表明，钢索的结构特点决定了其实际破断力达不到其理论破断力(2 255.8 kN)，根据钢索生产厂家提供的资料，馈源支撑钢索的最小破断力为1 899.3 kN，试验中钢索的实际破断力为1 816 kN，非常接近钢索的最小破断力；而且，以钢索运行5年后的实际破断力计算，在正常工况下，馈源支撑钢索以及舱索连接锚具的安全系数为1 816/390= 4.66，满足馈源支撑系统安全运行要求，仍具有足够的剩余承载力继续服役。

2 拉伸疲劳试验 2.1 试件设计

与破断拉伸试验的试件相似，由于截取的馈源支撑钢索仅一端带有锚具，为了便于试件在试验机上夹持，在钢索的另一端也浇注了新的锚具，如图 7所示。图中远端为新浇注的锚具，新锚具的浇注工艺及浇铸体材质与破断拉伸试验相同；近端为在FAST运行5年后的馈源支撑钢索上自带的锚具。试件中钢索的相关参数见表 1。

2.2 试验方案

如前言所述，在FAST正常运行中，馈源支撑钢索承受的最大索力为390 kN，最小索力为140 kN。为保证安全，在拉伸疲劳试验中，将上限荷载定为400 kN，下限荷载定为100 kN。试验施加应力幅表示如下：

$\begin{gathered} \Delta \sigma=\frac{\sigma_{\max }-\sigma_{\min }}{2}= \\ \frac{(400-100) \times 1\ 000}{2 \times 1\ 150.9} \mathrm{MPa} \approx 130\ \mathrm{MPa}. \end{gathered}$

(1)

其中：σ_max为每次应力循环中的最大应力；σ_min为每次应力循环中的最小应力；将σ_max和σ_min之间的代数差称为应力范围，而应力幅Δσ为应力范围的一半^[15]。

拉伸疲劳试验采用PMW800-4000型电液式脉动疲劳试验机进行，仍采用与破断拉伸试验相同的测量仪器进行相关数据的测量。试验中，先将试件加载至225.6 kN预紧，然后再加载至902.3 kN，持荷保压30 min；保压完成后卸载至疲劳试验的上限载荷400 kN，以130 MPa的应力幅，循环加载36万次，加载频率2 Hz。

根据近年FAST实际观测时长统计，年观测时长超过5 300 h，观测时间占比略大于60%，但考虑到停机检修期间仍可能运行索驱动系统，故按FAST平均每年70%的观测时间考虑，30年的观测次数约为228 715次^[3]，5年约为38 120次，考虑到在一些特殊观测模式下，如编织扫描模式，每次观测馈源舱可能往复移动数次。综合考虑这些情况，本次疲劳试验按循环36万次进行加载。另外，由于馈源舱实际移动速度比较缓慢，在实际工况下疲劳循环也比较缓慢，在尽量还原实际工况下采用加速疲劳试验，按2 Hz的频率进行加载。拉伸疲劳试验相关数据如表 2所示。

为准确记录拉伸疲劳试验过程，试验中每加载6万次检查1次馈源支撑钢索和舱索连接锚具的状况，测量并记录舱索连接锚具前端钢索的滑移量、后端内缩量、锚具变形、裂纹情况以及馈源支撑钢索的断丝、断股情况。拉伸疲劳试验装置如图 8所示。

2.3 试验结果

根据检查记录表，在疲劳试验过程中，舱索连接锚具和新浇注的锚具均无变形、裂纹情况出现，拉伸疲劳试验后试件的状况如图 9a所示；舱索连接锚具后端无内缩，试验后舱索连接锚具的情况如图 9b所示，新浇注锚具后端轻微内缩；舱索连接锚具前端钢丝绳有轻微滑移，如图 9c所示。馈源支撑钢索无断丝、断股情况。

为进一步了解拉伸疲劳试验后舱索连接锚具内部热铸体的变化情况，检验舱索连接锚具的锚固性能，对拉伸疲劳试验后的舱索连接锚具进行了剖切，发现内部热铸体无滑脱，剖切面有少量气孔出现，密实度和浇注质量总体良好，切开后舱索连接锚具的情况如图 9d和9e所示。

拉伸疲劳试验过程中，每加载6万次对馈源支撑钢索和舱索连接锚具的情况进行1次检查测量，检测结果如表 3所示。

拉伸疲劳试验采用馈源支撑钢索运行中的最大疲劳应力幅，并按照估算的钢索5年最大应力循环次数进行试验，结果表明：经过5年运行后的馈源支撑钢索及舱索连接锚具仍具有承受相对极端疲劳荷载的能力。

3 结论

本文对FAST运行5年后更换下来的6根馈源支撑钢索进行了表观检测和无损检测，并截取了2段包含舱索连接锚具的钢索，根据试验中加载力的大小，在钢索的另一端浇注了新的锚固头，制作了2个试件，分别进行了破断拉伸试验和拉伸疲劳试验，对运行5年后的馈源支撑钢索以及舱索连接锚具的剩余承载力进行了试验研究，得出如下结论：

1) 表观检测和无损检测显示运行5年后的钢索丝股间润滑良好，无断丝锈蚀状况，最大截面面积损失率为4.6%，仍满足服役要求。

2) 破断拉伸试验和拉伸疲劳试验结果显示运行5年后的馈源支撑钢索及舱索连接锚具仍具有足够的剩余承载力继续服役。根据试验结果，馈源支撑钢索的实际破断力1 816 kN与钢索的最小破断力非常接近；在正常工况下，馈源支撑钢索以及舱索连接锚具的安全系数为4.66，仍可满足馈源支撑系统安全运行要求；即使在6根钢索中有1根发生断裂的极端工况下，钢索以及舱索连接锚具的安全系数仍有1 816/500≈3.63，具有将馈源舱安全降落到舱停靠平台的应力储备。

3) 由于馈源支撑钢索更换需要很高的经济和时间成本(需停机60 d左右)，显然，如能在保证安全的前提下延长钢索使用寿命，对于提高FAST的使用效率，有效增加科学产出是非常有意义的。本研究为今后馈源支撑钢索在适当的监测手段辅助下增加服役时间提供了试验依据。