CFRP在土木工程中的應(yīng)用研究

季園園 韓慶華，2 蘆 燕，2，* 劉錫良

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

CFRP在土木工程中的應(yīng)用研究

季園園1韓慶華1，2蘆 燕1，2，*劉錫良1

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）由于具有自重輕、耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程中的應(yīng)用日益增多。從CFRP片材、CFRP棒材、CFRP索材以及CFRP錨固系統(tǒng)四方面綜述了CFRP在土木工程領(lǐng)域中的研究情況，總結(jié)了其在理論研究、數(shù)值分析、試驗(yàn)研究及設(shè)計(jì)應(yīng)用等方面的最新研究成果；結(jié)合當(dāng)前土木工程的發(fā)展趨勢(shì)，指出CFRP在土木工程中應(yīng)用研究的不足之處，進(jìn)而提出研究中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

CFRP片材，CFRP棒材，CFRP索材，CFRP錨固系統(tǒng)

1 引 言

與傳統(tǒng)材料相比，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP），具有質(zhì)量輕、剛度好、比強(qiáng)度高、比模量高、耐高溫、抗疲勞性能好等優(yōu)越性能。碳纖維最早主要用于航空航天等高科技領(lǐng)域，后來(lái)逐步發(fā)展到飛機(jī)制造業(yè)、船舶、汽車、體育娛樂(lè)用品等領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代末至90年代初在歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始采用CFRP材料加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)，并對(duì)碳素等連續(xù)纖維在土木工程中的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究，就此應(yīng)用逐步擴(kuò)大到土木工程領(lǐng)域。隨著CFRP材料向土木工程領(lǐng)域的逐漸滲透，它的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，CFRP材料在土木工程中的應(yīng)用經(jīng)歷了纖維片材、纖維棒材和纖維型材等幾種材料形式。CFRP材料在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，其優(yōu)越性也逐步發(fā)揮出來(lái)，受到越來(lái)越多的關(guān)注，因此開(kāi)展關(guān)于CFRP在土木工程中應(yīng)用的課題十分有必要。

土木工程中應(yīng)用的CFRP產(chǎn)品形式主要有短纖維、片材（纖維布材和板材）、棒材和索材、拉擠型材、纏繞型材、格柵及手糊制品。根據(jù)CFRP材料制成的產(chǎn)品形式的不同主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：①C-亂向短纖維，加入混凝土中，可大大提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性、延性和承載力等多種性能；②CFRP片材，用于既有結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)，有大量的工程應(yīng)用，其技術(shù)已基本成熟；③將碳纖維長(zhǎng)絲制成棒材，在混凝土中代替鋼筋用于新建結(jié)構(gòu)，主要用于海洋工程結(jié)構(gòu)及需電磁波透過(guò)的工程結(jié)構(gòu)，國(guó)外已有較多研究，并開(kāi)始應(yīng)用，也可制成桿件，建造各種空間結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)架、網(wǎng)殼以及拱、殼和穹頂?shù)?，形成大跨空間建筑結(jié)構(gòu)體系；④將碳纖維加工成束狀或繩狀形成索材，用于大型土木工程的拉索或懸索結(jié)構(gòu)，該方面應(yīng)用在錨具連接上尚未能很好地解決，但仍有一定的應(yīng)用；⑤CFRP拉擠型材，可做成工字形、槽形、管形、箱形等基本型材，形成輕質(zhì)樓板、橋板；⑦CFRP格柵，可用于補(bǔ)強(qiáng)飛機(jī)場(chǎng)跑道、橋面和公路，早在1996年，美國(guó)通往加拿大的401＃高速公路的數(shù)座橋面上采用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)。

本文主要從以下幾個(gè)方面綜述CFRP材料在土木工程中的應(yīng)用：CFRP片材在加固混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究；CFRP棒材在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究；CFRP索材在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究；CFRP錨固系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

2 CFRP片材的應(yīng)用研究

CFRP片材主要應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)加固中，20世紀(jì)80年代末至90年代初起源于歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，方法為利用樹(shù)脂類粘結(jié)劑將碳纖維粘貼到結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的表面，形成復(fù)合材料，通過(guò)碳纖維與構(gòu)件的協(xié)同工作來(lái)提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載力和延性。此技術(shù)在90年代得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)1995年日本阪神地震檢驗(yàn)，并在1999年中國(guó)臺(tái)灣省地震后的修補(bǔ)和重建中發(fā)揮了重要作用，使人們對(duì)這一新技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)引起重視，并著手研究和開(kāi)發(fā)。

2.1 CFRP加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)

90年代初，日本Tnone公司研制開(kāi)發(fā)了FORCA系列碳纖維布，1996年日本土木工程學(xué)會(huì)（JSCE）正式頒布了《連續(xù)纖維材料補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)及施工規(guī)程》；美國(guó)ACI-440F委員會(huì)基于大量試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，于1999年2月推出了ACI-440F規(guī)程。而碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)起步較晚，我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50608—2010），我國(guó)碳纖維加固的國(guó)家規(guī)范是《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》（GB／T 21490—2008）。對(duì)混凝土工程進(jìn)行加固，是目前CFRP在土木工程中應(yīng)用最成熟的技術(shù)，關(guān)于這方面的研究主要集中在對(duì)加固后構(gòu)件的抗彎、抗剪、抗壓抗疲勞等。

抗彎加固（圖1）就是將碳纖維片材用膠結(jié)劑外貼于構(gòu)件的受拉面與混凝土共同承受荷載，以提高構(gòu)件的受彎承載力，達(dá)到抗彎加固的目的。目前國(guó)內(nèi)外主要是運(yùn)用試驗(yàn)和有限元分析的方法分析影響加固性能的因素，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)提出承載力公式，進(jìn)而改進(jìn)加固的方法。2000年以來(lái)，東南大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等都對(duì)CFRP加固的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，得到影響加固效果的主要因素有碳纖維布的層數(shù)（加固量）、混凝土強(qiáng)度、配筋率、碳纖維布端錨固情況等［1］；另外，岳清瑞、趙國(guó)藩和鄭國(guó)棟等［2，3］還研究了二次應(yīng)力狀態(tài)以及既有荷載的存在對(duì)加固效果的影響，提出了提高梁底碳纖維布的抗剝離能力的方法［4］?？辜艏庸蹋▓D2）主要是將碳纖維片材粘貼于構(gòu)件的剪跨區(qū)，利用碳纖維布對(duì)混凝土的約束來(lái)抑制剪切裂縫的開(kāi)裂和發(fā)展，達(dá)到抗剪加固的目的。與抗彎加固類似，抗剪加固的主要研究也主要集中在用試驗(yàn)研究和有限元分析的方法對(duì)加固后構(gòu)件的抗剪承載力提高程度、破壞形式以及影響加固的因素進(jìn)行研究和分析［5，6］，并針對(duì)破壞形式提出了一些解決方案?？箟杭庸蹋▓D3）的研究主要是實(shí)驗(yàn)研究，將CFRP片材外貼在鋼筋混凝土柱上進(jìn)行受壓試驗(yàn)研究，能提高柱子的承載力和延性［7］。在這些靜力性能研究的基礎(chǔ)上，很多學(xué)者提出了疲勞性能的問(wèn)題，并針對(duì)加固后的鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)的研究，結(jié)果表明，加固后的混凝土構(gòu)件疲勞壽命提高、疲勞變形減小、抗裂性能提高［8］。

圖1 梁的抗彎加固Fig.1 Flexural strengthening of RC beams

近兩年，東南大學(xué)的袁鑫等［9］對(duì)高溫環(huán)境下的粘貼CFRP板前后的RC箱梁做了疲勞試驗(yàn)研究，得出高溫環(huán)境下使用的箱梁橋頂板經(jīng)過(guò)CFRP加固后承載力、剛度和疲勞強(qiáng)度都提高了；同濟(jì)大學(xué)的商興艷［10］通過(guò)試驗(yàn)研究了L形外貼纖維片材加固震損的鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能；顧威、李宏男等［11］對(duì)加固的受損軸壓鋼管混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

圖2 抗剪加固Fig.2 Shear strengthening

國(guó)外在CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)方面也進(jìn)行了深入研究，近幾年Badawi和Wahab提出一種內(nèi)嵌式的加固方法，即在混凝土構(gòu)件表面挖槽，在槽內(nèi)涂環(huán)氧膠，然后粘貼CFRP材料（圖4），并對(duì)這種加固的構(gòu)件進(jìn)行了抗彎、抗剪和抗疲勞試驗(yàn)研究［12-14］，加固效果比外貼方式好。

圖3 抗壓加固Fig.3 Compressive strength

圖4 內(nèi)嵌式加固方法Fig.4 Strength with NSM CFRP product

2.2 加固鋼結(jié)構(gòu)

在土木工程中，鋼結(jié)構(gòu)的損傷具有局部性和多發(fā)性等特點(diǎn)，且不可能立即退役。采用傳統(tǒng)的焊接和用螺栓、鉚釘連接加鋼板的加固方法存在焊接殘余應(yīng)力、削弱截面等很多弊端。采用碳纖維布進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，可手工完成，具有良好的耐腐蝕性，不會(huì)出現(xiàn)鋼板加固后的銹蝕現(xiàn)象。CFRP加固修護(hù)鋼結(jié)構(gòu)就應(yīng)運(yùn)而生，但是它起步晚，其研究和應(yīng)用均處于初始階段，主要是進(jìn)行數(shù)值模擬和數(shù)值分析，試驗(yàn)研究很少。在梁的受拉面粘貼CFRP片材，提高其抗彎承載力和抗彎剛度；在梁的腹板粘貼CFRP片材，提高其抗剪承載力；對(duì)疲勞損傷鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，提高剩余疲勞壽命；CFRP布環(huán)向纏繞鋼管柱，避免鋼管的局部失穩(wěn)，提高柱的抗壓承載能力；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的加固以及結(jié)構(gòu)耐久性加固等。

由于疲勞是鋼結(jié)構(gòu)損壞的主要原因之一，清華大學(xué)的鄭云、葉列平［15］對(duì)CFRP加固的含中央疲勞損傷裂紋的鋼板進(jìn)行了理論分析，計(jì)算得出其剩余疲勞壽命得到顯著提高。張寧等［16］通過(guò)試驗(yàn)研究分析得出拉應(yīng)力狀態(tài)下碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)K形焊縫，可改善鋼構(gòu)件的疲勞性能，延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞構(gòu)件的使用壽命。對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼板的受拉疲勞試驗(yàn)研究［17］，分析了應(yīng)力比、CFRP板剛度、預(yù)應(yīng)力及粘結(jié)膠性能等因素對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：加固后結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提高16倍以上。CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式仍然是以粘結(jié)層的剝離破壞為主，是影響CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)性能的重要因素，碳纖維布與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)性能直接影響加固效果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在粘結(jié)端部，界面剪應(yīng)力最大，隨粘貼長(zhǎng)度的增大，界面?zhèn)鬟f的剪應(yīng)力減小，碳纖維復(fù)合材料受到的正應(yīng)力增大，承載力也逐漸提高，但當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度增大到一定值時(shí)，只是膠層彈性長(zhǎng)度增大，承載力不再提高。岳清瑞、彭福明等［18］通過(guò)靜力拉伸試驗(yàn)（粘結(jié)材料選用雙組份環(huán)氧類粘結(jié)劑）對(duì)碳纖維布與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)應(yīng)力進(jìn)行了分析，最后得到了碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)時(shí)的有效粘結(jié)長(zhǎng)度為80 mm～100 mm。

碳纖維與鋼構(gòu)件之間的粘接性能是碳纖維加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，但是加固鋼結(jié)構(gòu)膠粘劑材料的研究較少，成為制約這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的主要問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究；碳纖維布端部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，錨固顯得異常重要，尤其是在碳纖維布的端部，這個(gè)問(wèn)題也應(yīng)該深入研究。

3 CFRP管材及其組合構(gòu)件的應(yīng)用研究

結(jié)構(gòu)的自重限制空間結(jié)構(gòu)向超大跨度發(fā)展，輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)為解決這一問(wèn)題提供了有效的途徑，CFRP材料在加固現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的良好表現(xiàn)，使人們認(rèn)可了其高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕的性能，研究能否將CFRP制成桿件用于空間結(jié)構(gòu)中，以跨越更大的跨度，具有重要的意義。

2004年清華大學(xué)的錢鵬等［19］以日本Toray-TT00SC碳纖紗作為原材料，用鋁合金制作連接件，采用卷帶成型法制成了CFRP圓管。對(duì)CFRP桿件軸向進(jìn)行了受力試驗(yàn)，采用ANSYS軟件對(duì)桿件的進(jìn)行了分析計(jì)算，得出CFRP管的破壞形式。CFRP材料的各向異性使純CFRP桿件以節(jié)點(diǎn)連接破壞為主，不能充分發(fā)揮材料的優(yōu)點(diǎn)，且破壞具有脆性特征。2006年蔣燕等又提出了CFRP-鋁合金組合桿件［16］（由鋁合金管外包CFRP布制作而成），對(duì)其進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)研究、軸心受壓穩(wěn)定試驗(yàn)研究和彎曲試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明：組合管的破壞模式與鋁合金管的破壞模式較為接近；組合構(gòu)件的彈性階段抗彎剛度和極限承載力比純鋁構(gòu)件大大提高。根據(jù)試驗(yàn)研究和理論分析得到了軸心受壓承載力計(jì)算公式和組合管局部屈曲承載力計(jì)算公式，并提出了組合構(gòu)件抗彎剛度的計(jì)算方法，建議了組合長(zhǎng)管軸壓穩(wěn)定承載力的計(jì)算方法?；谶@些桿件性能的基本研究，錢鵬等將CFRP-鋁合金組合桿件用于Keiwitt網(wǎng)殼和網(wǎng)架中［21］，運(yùn)用有限元的方法建立了網(wǎng)架和網(wǎng)殼的模型進(jìn)行了分析，得出組合管網(wǎng)殼的承載力和剛度比鋁合金網(wǎng)殼高，對(duì)幾何缺陷和非對(duì)稱荷載的敏感性都比較小，且自重比較小。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都認(rèn)為CFRP-鋁合金組合管發(fā)展?jié)摿薮蟆慕?jīng)濟(jì)上看，CFRP-鋁合金組合管比鋁合金管要貴，但是長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效果要優(yōu)于鋁合金管，因此經(jīng)濟(jì)效益較好。鋁合金的無(wú)磁性和不與CFRP材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)也讓其代替鋼材成為這一組合管的首選材料。

2009年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張亮泉等［22］以T700SC-12K碳纖維（日本東麗公司）和環(huán)氧樹(shù)脂為材料和基體，采用纖維纏繞成型工藝，正交對(duì)稱鋪設(shè)CFRP鋪層，設(shè)計(jì)了不同尺寸的CFRP圓管，并進(jìn)行了壓縮和拉伸試驗(yàn)，采用有限元軟件ABAQUS考慮單層纖維受拉斷裂、受壓屈曲和扭折、在橫向拉力和剪力作用下基體開(kāi)裂以及在橫向壓力和剪力作用下基體破碎，對(duì)CFRP圓管的破壞進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)總體吻合較好。得出受壓破壞以纖維受壓后扭折致使纖維折斷和基體開(kāi)裂為主要破壞模式，受拉破壞以纖維拉斷為主要破壞模式。這種CFRP管的性能如表1所示。

表1 正交對(duì)稱鋪層的CFRP圓管特性Table 1 Characteristics of cross-ply CFRP pipe w ith orthorhombic symmetry

張亮泉和歐進(jìn)萍［23］提出用上述方法制成的CFRP圓管建立平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并對(duì)它們進(jìn)行了有限元分析（分析中均假設(shè)節(jié)點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度和剛度不發(fā)生破壞，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)生于桿件上），得到隨著跨度的增加，CFRP網(wǎng)架的豎向位移明顯小于鋼網(wǎng)架，跨度越大越明顯，CFRP網(wǎng)架的跨越能力可提高30%；CFRP網(wǎng)架抗震性能優(yōu)于鋼網(wǎng)架。用Pushover分析方法分析CFRP網(wǎng)架失效模式得出，要充分發(fā)揮CFRP網(wǎng)架材料的高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵因素是提高支座的變形能力。

上述所有的分析都是建立在節(jié)點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度和剛度不發(fā)生破壞的假設(shè)條件上，但是CFRP桿件之間的連接一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。2012年張亮泉［24］提出了一種由CFRP管材為受力主體，鋼板為端部支撐的新型組合構(gòu)件（圖5）。在構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)時(shí)，構(gòu)件之間仍然可以采用焊接節(jié)點(diǎn)和螺栓球節(jié)點(diǎn)，很好地解決了桿件之間的連接問(wèn)題。采用數(shù)值分析的方法研究其受壓性能，其抗壓承載力有很大的離散型，需要后期具體的模型試驗(yàn)才能確定其準(zhǔn)確的抗壓性能。

圖5 CFRP管-鋼組合構(gòu)件Fig.5 Hybrid CFRP-steel compositemember

4 CFRP索材的應(yīng)用研究

碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）筋材具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，已在橋梁工程中得到應(yīng)用，成為大跨度橋梁拉索的理想材料。因?yàn)镃FRP索只受拉力且為純CFRP材料成型，因此可以最大程度的發(fā)揮CFRP材料的力學(xué)性能。

目前CFRP索主要應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)中，國(guó)內(nèi)外有很多已經(jīng)建成的CFRP拉索斜拉橋，如表2所示。東南大學(xué)Rc＆Pc結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合相關(guān)單位完成了國(guó)內(nèi)第1座CFRP拉索斜拉橋（江蘇大學(xué)人行橋）的設(shè)計(jì)與建造，該橋全部拉索均采用CFRP材料。

表2 目前國(guó)內(nèi)外已建的CFRP拉索斜拉橋Table 2 Cable-stayed bridge w ith CFRP cables built at hom e and abroad

長(zhǎng)安大學(xué)的梅葵花、東南大學(xué)的呂志濤［25］采用解析法分析了CFRP斜拉索的靜力特性，發(fā)現(xiàn)CFRP拉索的垂度只有鋼索的1／5，使得拉索傾角和允許應(yīng)力相等時(shí)CFRP拉索的極限長(zhǎng)度是鋼索的5倍有余，拉索長(zhǎng)度相同時(shí)CFRP索的承載效率比鋼索高得多；隨著跨度的增大，鋼拉索承受外荷載的能力急劇下降，而CFRP拉索承受外荷載的比重仍非常高。梅葵花推導(dǎo)了斜拉索設(shè)計(jì)時(shí)待求參數(shù)的精確計(jì)算公式，并從精確解析式中直接得出忽略拉索彈性伸長(zhǎng)的近似解；建立了CFRP拉索的非線性參數(shù)振動(dòng)模型，采用數(shù)值分析的方法，分析了各種因素對(duì)拉索在參數(shù)振動(dòng)特性的影響，得出拉索振動(dòng)的拍頻、幅值與拉索靜拉力、激勵(lì)幅值以及阻尼等有關(guān)，且在參數(shù)振動(dòng)發(fā)生機(jī)率、參數(shù)振動(dòng)響應(yīng)以及抑制參數(shù)振動(dòng)難易程度上，CFRP拉索優(yōu)于鋼拉索。

鑒于上述CFRP拉索相對(duì)于鋼拉索的優(yōu)勢(shì)，其在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究越來(lái)越多，目前主要集中在CFRP斜拉橋和CFRP纜索懸索橋的研究。

東南大學(xué)土木系通過(guò)具體的算例分析了1 000 m級(jí)斜拉橋的幾何非線性影響量，并計(jì)算了其在溫度荷載下的靜力反應(yīng)；采用有限元法對(duì)比分析了CFRP索斜拉橋和鋼索斜拉橋的主要?jiǎng)恿μ匦?，提出了若干?yōu)化CFRP斜拉橋的理論依據(jù)。東南大學(xué)的呂志濤主持了國(guó)內(nèi)首座CFRP索橋（江蘇大學(xué)人行橋）的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究［27］，研制了黏結(jié)型CFRP拉索錨具，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)研究；研究了CFRP拉索的制作和安裝工藝并提出了拉索的張拉方案。江蘇大學(xué)的周士金等［28］對(duì)以蘇通長(zhǎng)江公路大橋?yàn)閰⒖紝?duì)象，建立斜拉橋的有限元?jiǎng)恿δＰ?，并采用等軸向剛度準(zhǔn)則將鋼索替換為CFRP索，與鋼索斜拉橋在同一地震波作用下的地震響應(yīng)差異和抗震性能，得到CFRP索斜拉橋的位移和內(nèi)力地震響應(yīng)值較小，在抗震性能方面具備一定的優(yōu)勢(shì)；對(duì)首座CFRP索斜拉橋進(jìn)行了有限元分析和荷載試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，為CFRP索橋梁的動(dòng)態(tài)建模、動(dòng)態(tài)特性分析、抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)及CFRP新型纜索材料在橋梁工程中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

2006年鄭宏宇等［29］提出將CFRP索用在懸索橋中，并分析了CFRP拉索體系懸索橋的優(yōu)勢(shì)、可行性以及推廣和應(yīng)用所面臨的問(wèn)題。2011年?yáng)|南大學(xué)的馬文剛等［30］采用有限元建模的方法對(duì)鋼纜鎖懸索橋和CFRP纜索懸索橋分別進(jìn)行了恒載、活載、溫度作用的對(duì)比分析計(jì)算，得出CFRP纜索懸索橋在恒載作用下的內(nèi)力和溫度作用下變形比鋼纜鎖小，但是由于剛度較小，在活荷載作用下豎向變形比鋼纜索橋大7%；2012年同濟(jì)大學(xué)的李揚(yáng)［31］基于分段懸鏈線法和通用有限元程序也對(duì)鋼纜鎖懸索橋和CFRP纜索懸索橋的靜力性能進(jìn)行了對(duì)比研究，得到了同樣的結(jié)論，且進(jìn)一步對(duì)CFRP纜索懸索橋的剛度進(jìn)行了參數(shù)分析，考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)包括橋跨布置方式、矢跨比、邊中跨比、主梁抗彎慣矩、橋塔抗彎慣矩和中央扣，提出了改善結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)的建議。CFRP索比重小、剛度小，其抗風(fēng)性能尤為重要，同濟(jì)大學(xué)的李揚(yáng)和肖汝成［32］用非線性有限元計(jì)算方法，對(duì)主跨2 000 m～5 000 m的鋼纜索和CFRP纜索懸索橋的抗風(fēng)性能進(jìn)行了對(duì)比分析，得到其抗風(fēng)性能確實(shí)比較差，必須采取相應(yīng)的改善措施。

圖6 CFRP與鋼組合截面斜拉索Fig.6 Cable of hybrid CFRP-steel section

針對(duì)錨固困難、CFRP索造價(jià)高，用在斜拉橋中整體剛度低等問(wèn)題，同濟(jì)大學(xué)的熊文和肖汝誠(chéng)［33］提出CFRP與鋼組合截面斜拉索和CFRP與鋼組合結(jié)構(gòu)斜拉索兩種方案，前者是將CFRP與鋼形成組合截面斜拉索（圖6），后者是將CFRP斜拉索與鋼斜拉索分別應(yīng)用于同一橋梁不同跨度區(qū)域，在保證兩種斜拉索良好力學(xué)性能的同時(shí)優(yōu)化了經(jīng)濟(jì)性能。綜上所述，CFRP材料作為超長(zhǎng)跨度斜拉橋的拉索材料與傳統(tǒng)的鋼拉索相比有很多優(yōu)勢(shì)：強(qiáng)度大；相同條件下，CFRP拉索的承載效率比鋼拉索高得多；CFRP拉索的比重小，減輕基礎(chǔ)施工的難度。但作為一種新型材料，在使用上也存在一些問(wèn)題，CFRP的抗剪性能較差，導(dǎo)致CFRP索有折點(diǎn)時(shí)脆斷，且CFRP拉索的錨固非常困難，需要設(shè)計(jì)一種專門的錨具來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

5 CFRP錨固系統(tǒng)的應(yīng)用研究

由于CFRP筋的橫向抗剪強(qiáng)度較低，常常發(fā)生橫向剪切破壞，導(dǎo)致無(wú)論是用作受壓構(gòu)件的CFRP棒材還是用作受拉構(gòu)件的CFRP索材都難以采用傳統(tǒng)的連接方式和錨固方式對(duì)其進(jìn)行連接和錨固，CFRP筋錨固體系的研發(fā)成為能否將CFRP材料應(yīng)用于實(shí)際工程的關(guān)鍵。因此，近幾年關(guān)于CFRP筋錨具的研究和開(kāi)發(fā)方面有不少研究。

目前，國(guó)內(nèi)外研究的適用于CFRP筋（索）的主要錨具形式有粘結(jié)型、夾片型和復(fù)合型（夾片-粘結(jié)型）3種，粘結(jié)性錨具是其中性能比較穩(wěn)定，性能比較好也是已經(jīng)應(yīng)用到工程中的錨固形式。

5.1 粘結(jié)型錨具

粘結(jié)型錨具由套筒、螺母、端堵和封蓋組成，其中端堵和封蓋上設(shè)有相對(duì)應(yīng)的定位孔，以使筋材相互間隔一定的距離并保持平行，典型的失效形式有兩種：CFRP筋破壞和CFRP筋從錨具中被拔出。后一種破壞應(yīng)該通過(guò)增強(qiáng)錨具的粘結(jié)性能避免，影響錨具粘結(jié)性能的主要因素有錨具形式、粘結(jié)長(zhǎng)度、填充材料等。

國(guó)內(nèi)首座CFRP索斜拉橋采用的就是粘結(jié)型錨具，針對(duì)此錨具東南大學(xué)的呂志濤、梅葵花和江蘇大學(xué)的劉榮桂等都進(jìn)行了試驗(yàn)研究［34］，對(duì)采用樹(shù)脂封裝和微膨脹水泥封裝的直筒式和直筒加內(nèi)錐式錨具進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，對(duì)CFRP筋在不同的粘結(jié)長(zhǎng)度、不同錨具形式以及不同的填充材料等情況下的拔出荷載進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，得到了這些錨具的荷載-滑移曲線。梅葵花提出了一種直筒式粘結(jié)型錨具的粘結(jié)應(yīng)力的分布模型，采用解析法分析了其極限承載力，采用有限元法分析了內(nèi)錐式和直筒＋內(nèi)錐式錨具在其使用荷載下的受力性能。

2006年同濟(jì)大學(xué)的薛偉辰和王曉輝［35］，通過(guò)48個(gè)拉拔試件對(duì)CFRP絞線筋與不同環(huán)境介質(zhì)之間的粘結(jié)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并與鋼絞線進(jìn)行了比較。湖南大學(xué)的方志、蔣田勇和同濟(jì)大學(xué)的梁棟［36］，通過(guò)靜載試驗(yàn)研究了不同表面形狀和錨固長(zhǎng)度的CFRP筋在超高性能混凝土RPC、環(huán)氧鐵砂、環(huán)氧石英砂和普通混凝土等四種不同粘結(jié)介質(zhì)中的受力錨固特征，得出CFRP筋的表面形狀顯著影響其錨固性能，在其他條件相同時(shí)RPC對(duì)CFRP筋的錨固性能最好，并進(jìn)一步對(duì)其在RPC中的錨固性能進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)了一種以活性粉末（RPC）作為粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)式錨具，并對(duì)其進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，得出CFRP筋的表面形狀對(duì)以RPC作為粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)式錨具的錨固性能有著決定性影響，建立了平均粘結(jié)強(qiáng)度、平均粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移量、臨界錨固長(zhǎng)度以及粘結(jié)滑移本構(gòu)模型等計(jì)算式，試驗(yàn)表明該錨具具有良好的抗疲勞性能。西安交通大學(xué)的侯蘇偉等［37］在大量試驗(yàn)研究和前人研究成果的基礎(chǔ)上，改進(jìn)傳統(tǒng)的內(nèi)錐型錨具，提出了一種以環(huán)氧樹(shù)脂為粘結(jié)介質(zhì)的新型內(nèi)錐式錨具，并對(duì)其進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，證明新形粘結(jié)型錨具具有100%的錨固效率系數(shù)，且能安全通過(guò)疲勞試驗(yàn)。

5.2 夾片型錨具

夾片型錨具由傳統(tǒng)鋼絞線錨具發(fā)展而來(lái)，主要由錨環(huán)、夾片、軟金屬管、CFRP筋等部分組成，由于CFRP筋的抗剪性能差，傳統(tǒng)夾片型錨具“切口效應(yīng)”明顯，在受荷端易發(fā)生夾斷破壞，應(yīng)做如下改進(jìn)：夾片與筋材間增設(shè)軟金屬管，夾片與錨環(huán)間設(shè)置角度差，減小夾片傾角。夾片型錨具結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、組裝方便，便于工程現(xiàn)場(chǎng)安裝。但滑移量較大，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，錨固效率較低。

東南大學(xué)的丁漢山等［38］設(shè)計(jì)了一種單孔夾片式錨具，用來(lái)錨固單股CFRP筋并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中典型的錨具失效模式有兩種，一種為碳筋在有效張拉長(zhǎng)度范圍內(nèi)拉斷，另一種是碳筋在錨固區(qū)域被夾片剪斷，是應(yīng)避免的破壞模式。得出了錨固長(zhǎng)度、夾片與錨環(huán)之間的交角等對(duì)錨具錨固性能的影響。湖南大學(xué)的蔣田勇和方志也對(duì)傳統(tǒng)的夾片式錨具進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的夾片式錨具由凹齒曲面的夾片、錨杯、塑料薄膜以及薄壁鋁套管等組成，對(duì)不同錨杯傾角、預(yù)緊力、塑料薄膜、凹齒間距和深度以及鋁片厚度的錨具進(jìn)行了靜力試驗(yàn)研究［39］，試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)試件的破壞形式有滑移破壞、夾斷破壞和拉斷破壞；對(duì)不同錨杯長(zhǎng)度和錨杯內(nèi)壁傾角的夾片式錨具進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)研究，得出該類錨具具有良好的動(dòng)力抗疲勞性能，錨杯內(nèi)壁傾角一定時(shí)，錨杯長(zhǎng)度越大，錨具組裝件的疲勞性能越好。西南交通大學(xué)的諸葛萍、侯蘇偉、強(qiáng)士中研制了CFRP筋?yuàn)A片式錨具，它由錨杯、4片夾片和金屬套管組成，對(duì)不同齒距的夾片、不同材質(zhì)和壁厚的套管以及不同的預(yù)緊力進(jìn)行了正交試驗(yàn)［40］，以考察不同參數(shù)對(duì)CFRP筋?yuàn)A片式錨具綜合錨固性能的影響，提出的CFRP筋?yuàn)A片式錨具理論計(jì)算，錨具性能穩(wěn)定，錨固效率系數(shù)高，抗滑移安全系數(shù)高，CFRP筋滑移量小，適用于錨固高強(qiáng)的CFRP筋。

由于影響夾片式錨具的參數(shù)很多，而且相互之間是相互制約、相互影響，所以更優(yōu)的參數(shù)組合還有待于進(jìn)行更深入的研究與分析。

5.3 復(fù)合型錨具

由于粘結(jié)型錨具和夾片式錨具在應(yīng)用到CFRP中有各自的局限性，研究的方向逐漸轉(zhuǎn)向復(fù)合型錨具的研發(fā)和研究，目前國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究較少，只有湖南大學(xué)的蔣田勇、方志和北京工業(yè)大學(xué)的詹界東、杜修力做了一些試驗(yàn)研究。蔣田勇和方志［41］提出了復(fù)合式錨具，由楔緊錨固端和黏結(jié)錨固端組成，其中，楔緊錨固端包括錨杯、帶有凹齒的夾片、鋁套管以及塑料薄膜，粘結(jié)錨固端包括鋼套筒和黏結(jié)介質(zhì)活性粉末混凝土RPC，并對(duì)此錨具進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，研究了錨杯長(zhǎng)度、鋼套筒長(zhǎng)度、夾片預(yù)緊力、筋材預(yù)張拉力等試驗(yàn)參數(shù)對(duì)復(fù)合式錨具錨固性能的影響。北京工業(yè)大學(xué)的詹界東等［42］也提出了一種夾片—粘結(jié)型復(fù)合式錨具，并進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，驗(yàn)證了其良好的錨固性能。

目前，對(duì)于錨固系統(tǒng)的研究，主要是通過(guò)改變形式、尺寸、粘結(jié)材料和錨固長(zhǎng)度來(lái)設(shè)計(jì)錨具的形式，通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)研究來(lái)獲得具體錨固形式的最終錨固性能，對(duì)于錨固系統(tǒng)的錨固機(jī)理和內(nèi)部荷載傳遞機(jī)制研究不深入，而且錨固系統(tǒng)尺寸和重量較大，是阻礙CFRP索（筋）廣泛應(yīng)用的主要因素。

6 結(jié) 論

由于CFRP是各向異性的新型材料，其材料性質(zhì)與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)材料存在不同之處。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)CFRP材料在土木工程中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，為將CFRP在實(shí)際工程中得以應(yīng)用和推廣還有以下問(wèn)題亟待解決：

（1）粘結(jié)材料：加固鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，主要的破壞形式是CFRP布從鋼結(jié)構(gòu)表面剝離，粘結(jié)界面受力比較復(fù)雜，鋼板與碳纖維復(fù)合材料之間的粘結(jié)力是一種復(fù)雜的相互作用。膠粘劑材料的研究較少，成為制約這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的主要問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。

（2）碳纖維布和鋼結(jié)構(gòu)的端部錨固：碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)時(shí)端部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，而且不能像加固混凝土?xí)r打入錨筋加以錨固，所以在碳纖維布端部的錨固至關(guān)重要。

（3）成型工藝：CFRP棒材和索材是應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)中絕佳材料，但是其成型工藝不成熟，制成的桿件力學(xué)性能離散型較大，且造價(jià)高。

4）連接與錨固：CFRP抗剪性能較差，出現(xiàn)彎折時(shí)容易發(fā)生脆斷，錨固問(wèn)題是阻礙其廣泛應(yīng)用到工程中的關(guān)鍵問(wèn)題，目前研發(fā)的錨固系統(tǒng)尺寸較大，不能有效地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)中。

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Application Research of CFRP in Civil Engineering

JIYuanyuan1HAN Qinghua1，2LU Yan1，2，*LIU Xiliang1
（1.Shcool of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of China Ministry of Education（Tianjin University），Ministry of Education，Tianjin 300072，China）

As the buildingmaterial，Carbon Fiber Reinforced Plastic（CFRP）is used progressively in civil engineering because of its lightweight，corrosion resistance and high tensile strength.This paper presents CFRP research in the field of civil engineering from the CFRP sheet，CFRP bar，CFRP cable and CFRP anchorage system.And the latest research results of theoretical research，numerical analysis，experimental research and design of the application are given.Finally，the shortcoming and the key problems are pointed out during the study combined with the current development trend of civil engineering.

CFRP sheet，CFRP bar，CFRP cable，CFRP anchorage system

2013－10－23

天津市自然科學(xué)基金（11JCZDJC24000）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20130032110044）*聯(lián)系作者，Email：yanlu86＠tju.edu.cn