摘要：本大吨位拉索体系动态水密性试验装置是按照国际规范fib2005中有关拉索水密性试验的要求设计的，最大试验吨位为：800t，试验台架呈竖向设置。采用该装置，在第三方实验室的见证下，对OVM250-55钢绞线拉索锚具进行了动态水密性试验，试验取得圆满成功，该装置完全满足国际规范fib2005的水密性试验要求。本文着重对大吨位拉索体系动态水密性试验装置的设计及验证进行研究分析。
关键词：拉索 水密性试验 试验装置
1 前言
斜拉索是斜拉桥的重要承重部件，主要由钢绞线（或高强钢丝）和锚具等组成，由于长期处于江河、海洋等地理环境下，常年受风雨、潮湿等不利大气环境的影响，极易受到腐蚀，所以，斜拉索对力学性能及防腐性能要求很高。如果拉索防腐体系失效，会降低拉索的力学性能，影响桥梁结构的安全与使用寿命。
拉索体系防腐性能的重要指标是水密性，在国际规范及国内标准中，对水密性都有明确的要求。由于国际结构混凝土行业权威协会的国际规范fib（以下简称fib2005规范）中关于水密性试验的要求较高，国内外第三方实验室均无满足该规范要求的大吨位拉索水密性试验装置。
由于水密性试验的重要性，因而在国内外重大工程中，客户都明确提出按标准的要求，进行水密性试验。为此OVM公司依托工程需要，研制了大吨位拉索体系动态水密性试验装置，并进行了试验验证。
2设计依据及主要技术参数
根据fib2005规范【1】，水密性试验台架图如图1所示：
大吨位拉索体系动态水密性试验装置的主要技术参数如下：
1）最大承载力为：800t；
2）试验钢管垂直布置；
3）试验水头高度超过3m；
4）最高加热温度为70℃，具备保温及降温功能；
5）循环摆动的最大偏移量为100mm。
3设计措施
大吨位拉索体系动态水密性试验装置设计图如图2所示：
3.1 主要受力件的强度校核
3.1.1 钢管的强度校核
钢管（如图1所示）是试验装置中承受荷载最大的构件，800t的压力全部作用在钢管
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图1试验台架图 图2 水密性试验装置设计图
的两端，因此，需进行强度校核。
钢管的外径（半径）R1=305mm，内径（半径）R2=271mm ，长度L=3150 mm，材料：45，屈服强度δs=355MPa ，其许用应力[σ]= δs/1.5=355/1.5=236MPa
钢管的受力分析如图3、图4所示：
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图3 图4
1）钢管受800t的中心轴向压力时的强度校核（受力分析图如图3所示）
钢管的抗压强度 σ=F/A≤[σ]
式中：F——轴向压力(N)；
A——钢管的面积(m2)；
[σ]——许用应力(MPa)；
2）钢管受480t，100mm偏心距的轴向压力时的强度校核（受力分析图如图4所示）
σ=σ1+σ2 ≤[σ]
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式中：Mmax——最大弯矩(N·m)；
W——抗弯截面模数(m3)；
3.1.2反力架的强度分析
反力架示意图如图1所示，反力架上安装了横向位移千斤顶，承受千斤顶推力的反力。反力架与千斤顶组成了推动装置，推动钢管上端的张拉端锚具，使锚具做横向的循环往复滑动。
反力架所承受的最大反力为:420KN，反力架的应力图如图5所示:
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图5 反力架应力图
由上图可知：反力架的最大应力为:238MPa，小于其材料的屈服强度355MPa，满足应力分析要求。
3.2温控系统的设计
采用电加热器对水进行加热。能对水进行加温、降温及保温。在试验钢管上，安装了3组温度传感器，以监测不同水位的温度。
3.3 循环摆动装置的设计
因为250X4的横向偏摆需要一套滑动装置，并且在轴向载荷作用下摆动，必须设法减少摩擦力，以减少千斤顶的推力。
在钢管上端锚垫板下安装了一套滑动装置，通过反力架与横向位移千斤顶组成的2组推动装置，依次推动钢管上端的张拉端锚具，使锚具沿滑动装置滑动，通过一套泵站，实现了横向位移千斤顶的自动循环顶推，从而实现了锚具的循环往复摆动。
设计了一套泵站，其公称推力为420KN，循环往复滑动的最大偏移量为100mm（满足偏转角度±1.4°的要求），具备反复的高压泵送与千斤顶协同作用，使用位移传感器监测位移数据。具备自动循环摆动、自动计数及自动停机等智能化功能。
3.4数据监测系统的设计
使用测力传感器测量力值、位移传感器测量循环摆动位移量、温度传感器测量水温，并自动采集力值、位移量及水温等数值，及实时显示以上数值及位移图形。
4 试验装置测试
按fib2005规范的要求，利用OVM250-55规格的拉索对所研制出的大吨位竖向安置的拉索动态水密性试验装置进行试验验证。
4.1拉索的安装
按fib2005规范的要求，拉索需安装于垂直放置的试验钢管上进行试验。试验装置如图6所示：
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图6 水密性试验装置
4.2测试程序
将拉索垂直安装在试验装置上，在常温下给试件施加0.3GUTS(4603.5kN)轴向载荷，然后浸入高度大于3m的红色染色水中，在0.2 GUTS (3069kN)~0.45 GUTS (6905kN)的应力区间循环加载10次，再保持荷载应力为0.3 GUTS (4603.5kN)不变，按图7测试步骤，将水温由20℃加热至60℃，然后再降至20℃为一个周期，如此循环8个周期。同时，按图7测试步骤规定的顺序，以夹角为±25mrad（偏移量为±75mm），分别在20℃和60℃各两次，利用横向位移千斤顶推动张拉端锚具以改变钢绞线的偏转角度，作250个周期的偏摆运动，摆动频率不大于1Hz。
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图7 测试步骤
测试过程数据如下图所示：水温控制图，如图8所示、轴向荷载图，如 图9所示、250周期摆动图，如图10~图13所示。
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图10 250周期摆动图（第2天 20℃）
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图13 250周期摆动图（第8天 60℃）
4.3 测试结果
测试完成后，检查锚具内部及密封段钢绞线，未发现红色染料痕迹，拉索体系满足fib标准的动态水密性试验要求。
本次试验装置的测试，试验装置承压钢管的最大承压力为6905KN，完成了10次载荷由3069KN至6905KN的轴向荷载；温控系统实现了8个周期的水温由20℃~60℃的循环加温、降温及保温。摆动装置完成了250X4个周期的循环摆动，偏摆角度为±25mrad；数据监测系统通过相关传感器采集力值、位移量及水温等数值，并实时显示以上数值及位移图形。该装置完全满足fib2005国际规范的动态水密性试验要求，可以进行大吨位的动态水密性试验。
5 结语
通过设计分析及精心的制造加工，本大吨位拉索体系动态水密性试验装置完全满足fib2005国际规范的水密性试验要求，不但可以应用于钢绞线拉索体系，也可以应用于钢丝、体外索等拉索体系的水密性测试，具备自动采集力值、温度、位移等数据并实时显示以上数据及位移图形、自动循环摆动、自动计数及自动停机等智能化功能，是我国目前最先进、最经济的拉索动态水密性试验装置，也是一套在国际上处于领先水平的拉索水密性试验装置，这一装置的成功研制，为桥梁结构工程构件的型式检验提供了条件。
参考文献
【1】. fib bulletin 30, Acceptance of stay cable systems using prestressing steels. International Federation for Structural Concrete，2005.