碳纤维复合材料在桥梁结构上的应用

[摘 要]碳纤维复合材料是一种新型复合材料，具有十分广泛应用领域，作为加固增强材料在桥梁上的使用能大大延长桥梁使用寿命，节省资金。本文通过对碳纤维复合材料在桥梁上的应用原因及途径的探讨，推动碳纤维复合材料在桥梁结构中的规模化应用，为我国碳纤维复合材料产业持续健康发展和交通工业的转型升级做出有益的实践。

[关键词]碳纤维复合材料 桥梁 应用

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0377-01

碳纤维复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、性能可设计等特性。碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的10倍，弹性模量与钢材相当，高弹性碳纤维的弹性模量在钢材的2倍以上，施工性能与耐久性良好，已成为土木工程结构改造和增强的一种重要材料。据预测，到2016年我国碳纤维需求量约为13500吨，而在其能源、交通及工业应用领域约为 60%，其他航空航天、体育休闲各为20%。这说明了碳纤维复合材料在交通和工业领域的应用有着非常大的潜力。

一、碳纤维复合材料应用桥梁的原因

由于桥梁结构长期暴露在沿江沿海地区，环境腐蚀影响非常大，且承受多种活载作用（风荷载、交通荷载等）。在腐蚀和循环荷载耦合作用下，传统钢筋混凝土桥梁的耐久性能和安全性能问题突出，维护费用昂贵。中国科学院海洋研究所报道，全世界每年因海洋腐蚀导致的基础设施直接经济损失达到 7000 亿美元。同时，由于传统材料和设计施工缺陷，大跨箱梁桥的腹板开裂和跨中下挠问题，成为影响桥梁长期性能的关键因素。此外，随着桥梁跨径不断增长，传统斜拉桥钢拉索在千米级以上利用效率将明显下降，严重影响了桥梁的正常使用性能。以碳纤维为复合材料纤维布/板，碳纤维纤维复合索、网格、型材等在桥梁领域大量应用，成为结构抗震加固的重要手段。近年来，碳纤维复合材料成为解决传统钢筋混凝土桥梁结构存在的耐久性能与安全性能问题的重要途径之一。

二、碳纤维复合材料桥梁应用的途径

近年来，由于国内外碳纤维的快速发展，降低了碳纤维市场价格，这为碳纤维复合材料在基础设施领域的规模化应用奠定了基础。碳纤维增强树脂基复合材料已经在基础设施领域得到规模化的应用，如桥梁结构的加固与修复等。2012年我国碳纤维总用量为 12，000 吨，而用于桥梁结构加固修复的为总用量的 10%，达到 1，200 吨。传统的碳纤维复合材料在桥梁结构的应用主要为非预应力的碳纤维板、碳纤维布等的外粘结加固修复，而在碳纤维复合材料预应力加固及新建桥梁结构的应用尚未规模化应用。

1、碳纤维复合材料-混凝土组合桥面板的应用：这种应用可以充分发挥碳纤维复合材料的高抗拉强度与混凝土高抗压性能，并避免纯碳纤维复合材料桥面板初次投入大、刚度低、强度利用率低、易发生脆性破坏和局压破坏等缺点，被认为是最为有效的组合结构形式之一。上世纪 80 年代以来，许多专家多学者对碳纤维复合材料-混凝土组合桥面板的组合形式及其受力性能进行了大量研究，设计和分析了多种碳纤维复合材料-混凝土组合桥面板，其中一些已经在实际桥梁中得到了应用取得了较好的效果。

2、拉索桥梁中的钢拉索的应用：钢拉索比重大，在索承桥梁中拉索材料用量随跨度的平方增长，承载效率（外荷载集度/缆索自重集度）下降极快，拉索中的应力大部分用来平衡自身重量。因此，采用轻质高强的碳纤维复合材料拉索，将能有效提升拉索利用效率，提高桥梁的适用跨径，并实现高使用性能和耐久性等诸多优点。另外，对于体外预应力拉索梁桥，于传统钢拉索的耐腐蚀和疲劳问题，采用碳纤维复合材料拉索，将能从本质上缓和或彻底消除传统钢索的缺点，促进体外预应力结构体系向更大经济跨度发展。近年来，碳纤维复合材料拉索千米大跨斜拉桥的静动力、稳定性研究得到进一步发展，对于大跨悬索桥，国内外专家学者探索了不同跨度下钢拉索和碳纤维复合材料拉索悬索桥，表明 2500 米跨度以上碳纤维复合材料拉索将保持优越的经济性与实用性。

3、悬索桥/拱桥吊杆上的应用：一般情况下，吊杆设计使用寿命约为 20～30 年，在桥梁设计使用周期内需对吊杆进行多次更换，如果防腐工艺及后期维护水平不足，导致部分吊杆使用 10-15 年后即需要对腐病害严重的吊杆进行更换。钢丝锈蚀与疲劳应力的耦合作用是造成桥梁吊杆病害的直接原因；而钢丝锈蚀损伤是引起吊杆病害的罪魁祸首。而现有吊杆防腐工艺无法从根本上解决钢材腐蚀问题，极大限制了吊杆的使用寿命。如采用碳纤维复合材料代替钢材，可保证碳纤维复合材料吊杆较传统吊杆具有更长的使用寿命，可有效减少桥梁寿命周期内的吊杆更换次数，实现桥梁全寿命周期成本优化。

碳纤维复合材料吊杆由一定数量平行/半平行单向 CFRP 圆棒集束成索，其基本结构形式同钢丝吊杆相似。为确保吊杆能够真实环境中长期服役，要对碳纤维复合材料吊杆设计准则、工艺及高耐久性配套锚具研发、疲劳损伤检测技术及损伤机理、疲劳损伤监测及吊杆在不同交通荷载等级下疲劳寿命、吊杆锚固区局部弯曲引起的径向剪切疲劳应力等等方面进行深入的系统研究，然后进行实践才能达到预期的效果。

目前，我国低性能碳纤维复合材料拉伸模约为钢材 60%，无法保证桥梁在活载下的刚度要求，影响行车舒适性及主梁弯曲疲劳应力幅值大小及分布；但以等刚度设计则导致材料使用效率低下，提升吊杆造价。因此将强度、刚度设计作为碳纤维复合材料在吊杆设计的上、下限，同时考虑吊杆在不同应力水平下疲劳寿命及造价等因素。

碳纤维复合材料吊杆制索工艺及配套高耐久性锚具研发是保证吊杆正常工作的最为关键的部分。由于碳纤维复合材料各向异性的特点，导致材料在运输、集束成索及安装过程中极易发生损伤。纤维复合材料特点，使得普通锚固体系不再适用。国内外公司针对此类材料性能特点，推出多系列锚具及配套注浆设备，如，机械加持型、粘结型、握裹粘结型等等。其中，握裹粘结型锚具依靠锚杯内部环氧类填料粘结作用以及直筒内锥的锚体结构所提供的内挤效应，其锚固效率高于粘结型，且在锚固段内填料对材料横向剪压效应远低于加持摩擦型，适用于锚固多束纤维复合棒材。

研究碳纤维复合材料在桥梁结构的创新性应用，不仅能够促进国产碳纤维复合材料在交通领域的规模化应用，同时能够提高我国桥梁结构的使用寿命与性能。

参考文献

[1] 咸贵军、李惠《复合材料土木工程应用与耐久性》，湖北林业厅主办，2010，121-126.

[2] 中国产业研究报告网，《我国碳纤维产能分析及需求预测》2012.2.23.

[3] 田振生、张东杰、石大川《碳纤维加固材料研究新进展》全国特种合成纤维信息中心主办《高科质纤维与应用》2011.5.