CFRP索在大跨結(jié)構(gòu)中的應用與展望

1、Word文檔 CFRP索在大跨結(jié)構(gòu)中的應用與展望 碳纖維增加復合材料（Carbon fiber reinforced polymer）簡稱CFRP， 是以碳纖維或碳纖維織物為增加體，以樹脂、陶瓷、金屬、水泥、碳質(zhì)或橡膠等為基體所形成的復合材料。CFRP具有高比強、高比模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲憊、可設計等特點，起初主要應用在航天航空、軍工產(chǎn)品、車輛工程等領域。近十幾年來，隨著經(jīng)濟進展和科技進步，建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大型化、簡單化、高效能、智能化等多元化進展趨勢，對建筑材料也提出更高的要求，CFRP也因此逐步邁入土木工程師的視野。CFRP材料既適用于新建結(jié)構(gòu)，也適用于既有結(jié)構(gòu)的加固補強，工程應用前景非常寬

2、闊。 01CFRP片材加固RC構(gòu)件 碳纖維的抗拉強度是建筑鋼材的十幾倍，而彈性模量與鋼材相當，某些高彈性碳纖維的彈性模量甚至達到鋼材的2倍以上。碳纖維材料承載力量最常見的運用就是將CFRP片材用樹脂基粘貼在構(gòu)件表面進行加固補強，以混凝土梁為例，起初人們直接將未經(jīng)過任何張拉的CFRP片材用樹脂粘貼在梁底（圖1），但大量試驗與工程應用證明，這種方式下鋼筋混凝土構(gòu)件即使在加載至破壞時，F(xiàn)RP片材中的應力仍舊不到其極限強度的5%，即材料強度并沒有得到有效發(fā)揮。 為充分發(fā)揮CFRP片材高強度的優(yōu)勢，學者們提出先對FRP片材施加預應力再進行粘貼的加固技術，該法依靠混凝土與碳纖維片材之間的粘結(jié)共同工作，由于

3、片材上的拉應力需要向混凝土傳遞，會在樹脂層中形成剪切應力和垂直于片材板面的剝離應力，這些應力在FRP片材端部尤為突出，當超過粘結(jié)層材料的強度極限時，加固梁可能會消失剝離破壞，為了延遲這種破壞，提高CFRP材料的利用率，工程師們先后提出了多種加強端部錨固的措施，如預應力U型箍錨固（圖2）、預應力鋼板螺栓錨固（圖3）、預應力波形齒多點錨固體系（圖4）等。（注：FRP是纖維增加復合材料的總稱，還包括玻璃纖維、芳綸纖維等）。 02CFRP索在大跨結(jié)構(gòu)中的應用 CFRP片材用作既有結(jié)構(gòu)的補強通常只能視為一種平安儲備，并不能在實際意義上提高構(gòu)件的承載力。而直接作為受力構(gòu)件的、可用于橋梁結(jié)構(gòu)的碳纖維拉索以及

4、相應的錨固技術近年來已經(jīng)被討論，并且在小型橋梁中得到了嘗試性應用。2021年，由東南高校、江蘇高校和北京特希達科技有限公司共同研制的我國第一座 CFRP 索斜拉橋（總長 55m）在江蘇高校校內(nèi)建成（圖5），該橋是當時國內(nèi)唯一具備實際使用功能并可作長期跟蹤監(jiān)測討論的試驗橋。 弦支結(jié)構(gòu)是一種典型的剛?cè)峄旌项A應力結(jié)構(gòu)，具有經(jīng)濟高效和造型輕快等特點，目前已經(jīng)得到廣泛運用，如廣州國際會展中心和國家體育館等。 索作為一種柔性構(gòu)件，在弦支結(jié)構(gòu)體系中起到關鍵作用，可通過張拉拉索在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生預應力改善結(jié)構(gòu)的受力性能并減小結(jié)構(gòu)變形。但隨著鋼制索具的長期使用，其弊端漸漸開頭暴露，最突出問題就是耐腐蝕性差，鋼材腐蝕導

5、致材料力學性能退化，會給結(jié)構(gòu)帶來重大平安隱患，四川宜賓南門大橋就曾因拉索腐蝕斷裂而造成結(jié)構(gòu)破壞。 相對于鋼材，CFRP最突出的材料性能就是耐腐蝕性好，國內(nèi)外大量耐久性試驗表明，CFRP在酸堿鹽腐蝕環(huán)境下的長期力學性能非常穩(wěn)定，強度基本不變，彈性模量只降低15%左右，因此有學者提出用CFRP索來替換鋼索。 除耐腐蝕外，碳纖維還具有抗拉強度高、比強度大、耐疲憊、減震吸能和線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，從表1可以看出，CFRP的質(zhì)量僅為鋼材的1/5，比強度為鋼材的520倍，高強輕質(zhì)性能非常突出，可減輕結(jié)構(gòu)自身重量，有利于弦支結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更大跨度。 索作為一種預應力構(gòu)件需要預應力保持自身剛度，因此要盡可能避開預應力

6、損失。實際工程中的拉索在自重作用下會產(chǎn)生肯定垂度，而且垂度會隨時間推移而增大，過大的垂度不僅會影響拉索的線性狀態(tài)，還會導致索中的預應力損失。在軸力、長度和傾斜角度全都的狀況下，拉索的垂度取決于材料密度，從這一角度看CFRP密度小的優(yōu)勢再次體現(xiàn)，但也有學者提出由于自重減輕，主纜的重力剛度減小引起的非線性動力學行為（如風雨激振、地震等作用）需要加以掌握。 引起預應力損失的另一要素是溫度作用，CFRP索及鋼索的線膨脹系數(shù)如下表所示，可以看出，CFRP索的縱向線膨脹系數(shù)僅為純鋼的1/12，即溫度變化引起的變形特別小，有討論報道稱200m跨度長的CFRP索在升降溫30條件下的變形不超過10mm，預應力損

7、失比例不足1%，在工程中可以忽視不計。 03CFRP材料應用展望 CFRP作為一種優(yōu)異的新型土木工程材料，雖然在加固領域已經(jīng)廣泛使用，但作為拉索在大跨結(jié)構(gòu)中應用目前還主要處于討論階段，正式投入實際工程還有幾方面問題亟需解決： 一方面雖然CFRP索軸向抗拉強度很高，但其橫向抗剪力量較弱，傳統(tǒng)夾片式錨具簡單致其損壞，需要研發(fā)出工藝簡潔、錨固性能牢靠的新型大噸位CFRP索錨具及錨固體系，目前較多學者認為粘結(jié)+夾片的復合式錨具可能是有效途徑； 另一方面CFRP自身具有明顯的各向異性，在制造過程中不行避開地會消失纖維斷裂、界面剝離等初始缺陷。在服役過程中，長期循環(huán)荷載或突發(fā)性瞬時沖擊荷載作用下，損傷進一步累積，材料分層甚至斷裂，材料的承載性能、穩(wěn)定性能及牢靠性都將遭受挑戰(zhàn)，因此需要進一步改善碳纖維材料的工業(yè)化制備工藝，并且提升結(jié)構(gòu)精確檢測的相關技術。 結(jié)尾 碳纖維是一種奇妙的工程材料，文中介紹的僅是其承載性能方面的應用，事實上它還具有自感知特性（有學者稱之為智能材料），其電阻與應變具有良好的線性關系（力阻效應）、電阻率受溫度變化影響也存在肯定規(guī)律（溫阻效應），因此，在利用CFRP優(yōu)良承載特性的同時，還可將其作為一種智能傳感元件，通