橋梁用CFRP筋/索錨固系統(tǒng)力學(xué)性能研究進展

趙 軍，蔣振雄，朱元林，黃盛彬，周祝兵，樊秋楊

（1.江蘇法爾勝纜索有限公司，江蘇 江陰 214445；2.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004；3.江蘇法爾勝纖維材料科技有限公司，江蘇 江陰 214445）

引 言

纜索是現(xiàn)代橋梁的核心承力構(gòu)件，其強度級別和耐久性能是兩個最重要的指標(biāo)。近20年來，橋梁鋼絲纜索強度級別從1570 MPa逐步發(fā)展至2100 MPa，與耐久性相關(guān)的耐腐蝕鍍層也由鍍鋅發(fā)展為鍍鋅鋁合金［1］。由于高碳鋼絲所用原材料本身存在著強度提升塑韌性相對下降的材料特性，鋼絲纜索的強度級別不可能無限提升，在臨海腐蝕環(huán)境與疲勞應(yīng)力共同作用下，鋼絲纜索的耐久性會大幅度下降，無法做到與橋梁主體同壽命。

碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）是指由碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合形成的高性能材料，具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、抗疲勞、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點［2］。輕質(zhì)（CFRP筋密度約為鋼絲的1/5）的優(yōu)勢使得橋梁跨徑在設(shè)計上可以取得進一步突破，拉索的軸向受力特點可充分發(fā)揮CFRP筋軸向強度高的優(yōu)點，進一步提高纜索產(chǎn)品的強度級別，優(yōu)異的耐腐蝕和抗疲勞性能可從根本上解決鋼絲纜索的腐蝕和疲勞問題。將CFRP筋用于橋梁纜索，已成為提高橋梁跨徑與耐久性的一個發(fā)展方向。

CFRP筋是由碳纖維和樹脂基體通過拉擠成型工藝制成。CFRP筋作為單向復(fù)合材料，沿碳纖維軸向性能優(yōu)異，但橫向性能較差，容易被錨固系統(tǒng)較大的橫向夾緊力造成損傷而發(fā)生錨固失效，導(dǎo)致CFRP筋錨固困難，難以充分發(fā)揮其軸向高強度。CFRP筋的錨固問題已成為制約CFRP筋大規(guī)模應(yīng)用于橋梁纜索的關(guān)鍵問題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對CFRP筋/索錨固系統(tǒng)力學(xué)性能及環(huán)境影響因素開展了一系列的試驗研究及數(shù)值模擬等工作，本文重點回顧了上述研究工作進展，對已有研究工作進行總結(jié)分析并對今后的研究方向進行展望。

1 CFRP筋錨固系統(tǒng)介紹

為解決CFRP筋的錨固難點，國內(nèi)外開發(fā)了多種多樣的CFRP筋錨固系統(tǒng)。目前，主流的CFRP筋錨固系統(tǒng)主要分為夾片式錨固系統(tǒng)、粘結(jié)型錨固系統(tǒng)［3］。

夾片式錨具是由錨環(huán)和夾片組成，如圖1所示。工作時，CFRP筋受到夾片的內(nèi)錐作用，產(chǎn)生的摩擦力和機械咬合力對CFRP筋進行錨固。該類型錨具操作方便，便于現(xiàn)場施工安裝，但是該錨固系統(tǒng)中CFRP筋容易發(fā)生滑移現(xiàn)象，并且夾片的牙紋和過大的徑向剪切應(yīng)力會對筋材帶來“切口效應(yīng)”，破壞錨固系統(tǒng)。

粘結(jié)型錨具主要由粘結(jié)介質(zhì)和套筒組成。根據(jù)套筒的結(jié)構(gòu)形式分為2種類：直筒式錨具（如圖2（a）所示）、內(nèi)錐式錨具（如圖2（b）所示）。該類錨具主要靠粘結(jié)介質(zhì)與CFRP筋的化學(xué)膠著力、粘結(jié)介質(zhì)與錨具內(nèi)壁的摩擦力和機械咬合力對CFRP筋進行錨固。該類錨固系統(tǒng)疲勞性能優(yōu)異，并且錨固系統(tǒng)不會對CFRP筋帶來損傷。但其灌錨工藝較為復(fù)雜、錨固效果受環(huán)境因素影響較大。

2 CFRP筋夾片型錨固系統(tǒng)力學(xué)性能研究進展

針對CFRP筋夾片型錨固系統(tǒng)，主要采用試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進行研究。

梁棟等［4］通過試驗主要研究了夾片預(yù)加力、錨杯內(nèi)壁傾角和長度對CFRP筋錨固系統(tǒng)靜載性能的影響規(guī)律。試驗表明在預(yù)加力不會使夾片對CFRP筋造成剪切破壞的前提下，預(yù)加力越大，則CFRP筋與夾片相對與錨杯的滑移量越小，錨固效率越高。錨具組件的極限拉力隨錨具長度的增加而增加，錨具內(nèi)壁傾角為3°時，錨固系統(tǒng)的錨固效率及穩(wěn)定性相對最佳。

張軍等［5］對CFRP筋的夾片型錨具進行改進，通過試驗分析了錨具錐度、預(yù)緊力、鋁套管厚度等參數(shù)對錨具錨固性的影響。結(jié)果表明：錐度為1：15時，錨具實現(xiàn)了筋材在外部的爆斷理想破壞，錐度的降低可減小錨具內(nèi)筋材上的應(yīng)力集中。夾片內(nèi)壁做牙紋處理以及采用表面為橘印花紋的鋁套管可減小錨具的滑移，筋材直徑大的錨具適合厚度大的鋁套管，反之則用厚度小的套管。預(yù)緊力的增加會減小錨具各組成部件的滑移量，但不會影響錨具的極限拉力。

徐平等［6］通過試驗分析了夾片型錨固系統(tǒng)失效的原因。證明了CFRP筋本身的性能及表面類型與錨固系統(tǒng)靜載性能有關(guān)，表面（表面類型主要分光圓筋、帶肋筋、纏絲筋等）越光滑錨固難度越高，纖維體積含量越大，錨固越困難。

張云峰［7］等預(yù)開發(fā)一種新型夾片型CFRP筋錨固系統(tǒng)并對該錨固系統(tǒng)的夾持效果做了定性研究分析。根據(jù)錨固系統(tǒng)對稱性，利用二維軸對稱單元進行有限元分析，模型涉及到幾何、狀態(tài)非線性，材料按彈性設(shè)置。摩擦接觸對采用面-面接觸。試驗結(jié)果表明夾片與錨環(huán)采用變角度設(shè)計、CFRP筋套上鋼套管保護，可以降低筋材表面剪應(yīng)力使得預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生“應(yīng)力重分布”，錨環(huán)錐度2.09°、夾片錐度2.19°的變角度設(shè)計及90 mm的錨具長度為該錨固系統(tǒng)的最佳設(shè)計參數(shù)。

蔣田勇［8］對CFRP筋夾片式錨具系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，采用軸對稱模型，考慮了夾片錨具彈塑性和接觸非線性，采用Tsai-Wu失效準(zhǔn)則判定CFRP筋的失效，計算獲得的CFRP筋荷載-滑移曲線與實際情況接近。

侯蘇偉［3］對夾片型錨固系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化，主要參數(shù)有夾片凹槽、套筒、預(yù)緊力、組裝工藝。對最優(yōu)參數(shù)的夾片型錨固系統(tǒng)進行拉伸疲勞試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)：夾片型錨固系統(tǒng)可以通過200萬次疲勞加載試驗，但疲勞后剩余強度大幅度下降，為初始強度的50%～60%。

丁漢山［9］對夾片型錨具應(yīng)用于CFRP筋的實際錨固性能進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明，當(dāng)錨具長度為95 mm，夾片與錨環(huán)之間的錐角差為0.3°左右時，錨具錨固性能較好。此外，預(yù)緊力對筋材的極限張拉強度沒有影響，但會影響錨具體系各部分的滑移量，預(yù)緊力越大，各部分的滑移量越小。

綜上所述，通過對夾片型錨固系統(tǒng)的參數(shù)研究及優(yōu)化，目前已開發(fā)出了適用于CFRP筋的夾片型錨固系統(tǒng)，可對CFRP筋的靜載拉伸性能進行測試，但夾片型錨固系統(tǒng)的抗疲勞性能不佳，疲勞后的錨固性能急劇下降，無法發(fā)揮CFRP筋優(yōu)異的抗疲勞性能。此外，由于夾片型錨固系統(tǒng)對組裝工藝及加工精度要求較高，并不適用于CFRP索股的群錨。CFRP索股由幾十至幾百根CFRP筋組成，夾片型錨固系統(tǒng)很難保證索股中CFRP筋的受力均勻性。

3 CFRP筋粘結(jié)型錨固系統(tǒng)力學(xué)性能研究進展

與研究夾片型錨固系統(tǒng)類似，粘結(jié)型錨固也主要采用試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進行研究。

李彪等［10］針對粘結(jié)型錨固系統(tǒng)，研究了筋材表面處理方式及纖維體積含量對錨固系統(tǒng)的力學(xué)性能影響。通過分析筋材的破壞形態(tài)及錨固系統(tǒng)的拉伸力學(xué)性能，證明了筋材纖維體積含量在不超過70%的情況下，錨固系統(tǒng)拉伸強度隨纖維體積含量的增加呈上升趨勢。筋材表面環(huán)氧膠膜黏砂對錨固性能的提升效果最好，其次分別是打磨處理和環(huán)氧樹脂粘砂。

朱浮生等［11］研究了CFRP筋與混凝土的粘結(jié)機理，考慮的因素主要有CFRP筋的直徑、表面形式、混凝土強度等。試驗結(jié)果顯示帶肋CFRP筋與混凝土的粘結(jié)強度達(dá)到18.18 MPa，光圓CFRP筋僅為2.12 MPa；7 mm直徑的CFRP筋與混凝土的粘結(jié)強度為8.69 MPa，10 mm直徑的CFRP筋與混凝土的粘結(jié)強度為6.954 MPa，14 mm直徑的CFRP筋與混凝土的粘結(jié)強度為4.99 MPa。試驗得出以下結(jié)論：CFRP筋與混凝土間的粘結(jié)力由化學(xué)粘結(jié)力、摩擦力和機械咬合力三部分組成且以機械咬合力為主；CFRP筋的泊松效應(yīng)和剪切滯后現(xiàn)象導(dǎo)致CFRP與混凝土的粘結(jié)強度隨CFRP筋直徑的增大而減小。

朱元林等［12］等選取了多種錨固料來研究粘結(jié)型錨固系統(tǒng)的錨固性能。四種錨固填料載荷-位移曲線如圖3所示。試驗證明Wirelock在固化過程中易收縮，膠體與錨具內(nèi)壁間易發(fā)生滑移；冷鑄填料為高溫固化，整個固化過程高溫對CFRP筋本身性能帶來損傷，降低了錨固系統(tǒng)的極限拉伸載荷；配制的環(huán)氧砂漿填料，在錨固長度達(dá)到40倍筋材直徑的情況下能有效錨固CFRP筋，并通過了200萬次拉伸疲勞試驗［13］，錨固系統(tǒng)沒有任何損傷，疲勞加載后筋材的強度及模量不下降。

黎健等［14］等采用提高CFRP筋與粘結(jié)介質(zhì)間的界面抗剪能力來提高CFRP筋錨固系統(tǒng)的錨固性能。他們將鋁合金管通過擠壓的方式在CFRP筋表面形成附加肋，結(jié)構(gòu)如圖4所示。分析了鋁合金管附加肋硬度、壁厚和長度對CFRP筋-附加肋界面抗剪性能的影響，并對比分析了CFRP筋-附加肋界面抗剪強度和CFRP筋-粘結(jié)介質(zhì)界面抗剪性能。結(jié)果表面：附加肋可有效提升CFRP筋的錨固性能。但該方法仍需優(yōu)化，鋁合金管徑向無法同步均勻擠壓，CFRP筋會受到一定程度的損傷。

方志等［15］通過對不同粘結(jié)介質(zhì)CFRP筋錨固系統(tǒng)的靜載試驗，提出高性能混凝土RPC綜合性能優(yōu)良，可以對表面有壓紋的高強CFRP筋提供有效錨固。當(dāng)粘結(jié)膠為環(huán)氧樹脂時，不同的骨料下的錨固系統(tǒng)，錨固性能基本一致。

針對CFRP粘結(jié)型錨具理論分析相對滯后的現(xiàn)狀，梅葵花［16］用解析法及有限元分析法對三種不同結(jié)構(gòu)的粘結(jié)型錨具進行了受力分析，為CFRP粘結(jié)型錨具的優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。分析出較長直筒式錨具粘結(jié)應(yīng)力分布越不均勻，平均應(yīng)力越小，但極限抗拉強度越高；采用有限元分析的方法，建立軸對稱模型，進行面-面接觸分析，證實內(nèi)錐式錨具結(jié)構(gòu)可通過增大摩擦力，來提高CFRP筋與錨固料之間的粘結(jié)強度；直筒+內(nèi)錐式錨具在提高殘余粘結(jié)強度的同時，直筒端可避免受荷端處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，直筒+內(nèi)錐式錨具最適合CFRP筋粘結(jié)型錨固系統(tǒng)。

朱元林等［17］及劉桂榮等［18］對 CFRP筋粘結(jié)型錨固系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，考慮了錨具內(nèi)壁摩擦系數(shù)、錐段角度、錨具前端有無直筒過渡段等影響因素。各考慮因素與筋材剪應(yīng)力的關(guān)系如圖5所示。研究表明［17］：適當(dāng)提高錨具內(nèi)壁粗糙程度，可減小CFRP筋的位移與徑向壓力；隨著錐段角度增大，CFRP筋在錨具錐段所受的徑向擠壓應(yīng)力峰值逐漸減小，所受剪應(yīng)力峰值逐漸增大；在錐段末端增設(shè)直筒過渡段可以緩解CFRP筋所受到的徑向擠壓應(yīng)力與剪應(yīng)力峰值，緩解系數(shù)分別為76.78%與52.90%。

綜上所述，針對粘結(jié)型錨固系統(tǒng)主要對CFRP筋規(guī)格及表面形式、錨固料類型、錨具幾何結(jié)構(gòu)等參數(shù)進行研究，來提高CFRP筋與錨固料的粘結(jié)性能及降低CFRP筋在錨具錐段產(chǎn)生的剪應(yīng)力峰值。相較于夾片型錨固系統(tǒng)，粘結(jié)型錨固系統(tǒng)對CFRP筋的損傷較小，易于發(fā)揮CFRP筋的力學(xué)性能，具有較好的疲勞性能。由于粘結(jié)型錨固系統(tǒng)為整體灌錨固化，適用于CFRP索股的群錨。

4 環(huán)境因素對粘結(jié)型錨固系統(tǒng)影響研究進展

4.1 溫度對CFRP筋錨固系統(tǒng)影響

對于CFRP筋粘結(jié)型錨固系統(tǒng)，溫度會對CFRP筋及錨固料的性能產(chǎn)生影響。

張春雷等［19］對CFRP筋開展了高低溫人工加速老化試驗。為驗證老化試驗對筋材的整體性能影響，對做完老化試驗后的CFRP筋進行了彎曲和抗拉強度測試，同時還通過SEM觀察了老化后CFRP筋的內(nèi)部形貌。試驗證明老化前期筋材的抗彎和抗拉強度會有略微下降，后期將處于穩(wěn)定狀態(tài)，高低溫老化對筋材整體性能影響不大。

付成龍等［20］對不同直徑的CFRP筋進行了不同溫度下的彎曲和壓縮性能測試，試驗表明CFRP筋的彎曲和壓縮強度隨溫度的升高呈下降趨勢，其中在 70℃和150℃條件下保溫30 min后，CFRP筋材的彎曲強度分別下降了6%～18%和31%～43%；壓縮強度分別下降了15%～22%和36%～40%。可見高溫對CFRP筋錨固系統(tǒng)承載構(gòu)件影響較大。

張新越等［21］開展了CFRP筋凍融耐久性試驗研究。凍融試驗將CFRP筋直接放入水中，每天進行8各循環(huán)（每個循環(huán)中1 h冷凍時間，2 h解凍時間），凍融循環(huán)溫度為-17.8～7℃。凍融循環(huán)試驗后，CFRP筋強度和剛度變化不大，具有很好的抗凍融性。

Hamed等［22］對30～200℃溫升處理3h后CFRP筋的軸向拉伸性能進行了試驗研究，結(jié)果表明：處理溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg=110℃時，筋材抗拉強度的退化幅度可忽略不計；處理溫度高于Tg時，筋材軸向抗拉強度顯著下降；由于溫度對成型環(huán)氧樹脂的影響，325℃臨界溫度下，CFRP筋的抗拉強度和彈性模量分別下降了55%和30%，CFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)強度下降率高達(dá)81.25%。

方志等［23］等研究了高溫下CFRP筋粘結(jié)型錨固系統(tǒng)的力學(xué)性能。試驗主要研究高溫對CFRP筋及CFRP筋與混凝土粘結(jié)強度兩個方面的影響，建立了適于分析高溫后CFRP筋臨界錨固長度及粘結(jié)型錨固區(qū)粘結(jié)強度的實用計算公式。試驗中采用的CFRP筋為12.2 mm粗的帶肋筋材，筋材Tg值為211.6℃。試驗結(jié)果表明：對于筋材軸向拉伸的試件，處理溫度為100℃，筋材靜力性能與常溫相比未發(fā)生變化，筋材經(jīng)過200℃和300℃溫升作用后，其抗拉強度與彈性模量較常溫試驗件分別下降了6.4%、8.2%和16.6%、18.3%；對于錨固性能試驗，試件的粘結(jié)強度隨處理溫度和粘結(jié)長度的增加而降低。粘結(jié)長度一定時，處理溫度為200℃與300℃試件的粘結(jié)強度較常溫試件分別下降了31.5%～36.3%和44.2%～47.4%。

謝劍等［24］等通過試驗分析了低溫工況對筋材與混凝土粘結(jié)性能的影響規(guī)律。試驗表面：極低溫下CFRP筋粘結(jié)型錨固系統(tǒng)的錨固性能會發(fā)生明顯下降，CFRP筋與混凝土的粘結(jié)界面趨于脆性，試件破壞形式以CFRP筋拔出為主。但粘結(jié)強度在-80～-18℃的范圍內(nèi)并不呈現(xiàn)單一趨勢的變化規(guī)律，如圖6所示，低溫下粘結(jié)性能受到多種耦合因素影響（如混凝土的逆膨脹等）。

從上述研究可以看出，當(dāng)處理溫度低于CFRP筋玻璃化溫度時，溫度對CFRP筋拉伸性能影響忽略不計，當(dāng)處理溫度高于CFRP筋玻璃化溫度時，CFRP筋拉伸性能有較大幅度下降。高溫處理會使CFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)強度發(fā)生明顯下降，但針對采用環(huán)氧砂漿作為錨固料的粘結(jié)型錨固系統(tǒng)，溫度對其錨固性能的影響研究還鮮有報道，有待開展系統(tǒng)研究。

4.2 腐蝕環(huán)境對CFRP筋錨固系統(tǒng)影響

國內(nèi)對CFRP筋錨固系統(tǒng)的耐腐蝕性能研究較少，但對錨固系統(tǒng)中承載構(gòu)件CFRP筋的研究分析較多且具有明確結(jié)論。

張新越等［21］開展過CFRP筋酸堿鹽介質(zhì)腐蝕試驗研究。腐蝕試驗選用3種不同腐蝕介質(zhì)溶液，堿性溶液采用NaOH和Ca（OH）2組成，酸性溶液采用HCl，鹽溶液由NaCl和CaCl2組成。結(jié)果表明CFRP筋具有很好的耐酸、耐堿、耐溶液腐蝕的性能。

董志強等［25］通過試驗研究了CFRP筋的耐腐蝕性能。通過不同溫度腐蝕溶液的浸泡后，對筋材進行拉伸性能測試，結(jié)果表明CFRP筋的抗拉強度基本不發(fā)生變化，但彈性模量發(fā)生了一定程度的下降。

張玉亮［26］也對CFRP筋的耐腐蝕性能展開了一定研究，并在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立了腐蝕模型。由于環(huán)氧樹脂基體具有吸水的特性，在堿性溶液中，基體中的酸酐與OH-發(fā)生酯鍵造化反應(yīng)；在酸溶液中，基體材料與酸溶液發(fā)生醚鍵水解和氯代水解反應(yīng)，整體而言吸水率都在兩個月后趨于穩(wěn)定。整個試驗過程中，主要承載作用的碳纖維不與酸堿發(fā)生反應(yīng)，環(huán)氧樹脂基體發(fā)生一定的分解反應(yīng)，所以CFRP筋的力學(xué)性能發(fā)生了小幅下降，且隨著腐蝕程度的增加，CFRP筋最終的抗拉強度存在一個臨界值，達(dá)到臨界值后筋材的剩余強度不會再隨腐蝕程度的增加而下降。

田飛［27］根據(jù)CFRP可能所處的服役環(huán)境，用清水、堿溶液和人工海水溶液分別模擬實際工況研究CFRP筋的耐腐蝕性能。CFRP筋在堿溶液和人工海水溶液中浸泡后抗拉強度、彈性模量等比清水僅有略微下降。

龔永智等［28］研究了海水環(huán)境對CFRP筋的抗壓及抗拉性能影響。其中試驗表明：110 d人工海水的浸泡條件下，進口與國產(chǎn)CFRP筋的抗拉強度分別下降了3.2%和4.1%，彈性模量分別下降了4.1%和5.5%?？梢姾Ｑ蟓h(huán)境下CFRP筋的軸向力學(xué)性能變化不大。

劉生緯等［29］分析了在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下CFRP筋與混凝土界面間的粘結(jié)性能。試驗證明隨著作用時間的延長，界面粘結(jié)強度逐漸降低，且在腐蝕后期下降速率明顯加快。

朱街祿等［30］將CFRP筋錨固系統(tǒng)放入酸堿鹽溶液中浸泡90 d。錨固系統(tǒng)為直筒40Cr錨具，粘結(jié)介質(zhì)為環(huán)氧砂漿。三種溶液浸泡下筋材表面均變化不大，酸溶液和鹽溶液中錨具都出現(xiàn)了銹蝕現(xiàn)象。通過拉拔試驗后發(fā)現(xiàn)，酸堿鹽腐蝕降低了CFRP筋與粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)性能，腐蝕越嚴(yán)重，筋材滑移越嚴(yán)重，且堿性溶液中筋材的滑移量最大。

謝桂華等［31］將CFRP筋粘結(jié)型錨固系統(tǒng)放入在23℃鹽溶液中浸泡30 d、50℃鹽溶液中浸泡30 d和50℃鹽溶液中浸泡60 d，浸泡后經(jīng)拉伸CFRP筋與環(huán)氧砂漿錨固料間的粘結(jié)強度平均值分別下降了8.89%，22.27%和42.20%，分析為吸水率是影響界面粘結(jié)力的主要因素，體現(xiàn)了濕度和溫度對粘結(jié)型錨固系統(tǒng)錨固性能的重要影響。浸泡拉伸后滑移區(qū)筋材表面狀態(tài)如圖7所示，錨固系統(tǒng)的失效主要表現(xiàn)為筋材從錨固料中拔出，破壞模式為筋材-錨固料之間的界面滑移破壞。

從上述研究可以看出，酸堿鹽腐蝕環(huán)境下CFRP筋的力學(xué)性能下降不多，但對粘結(jié)型錨固系統(tǒng)而言，酸堿鹽腐蝕環(huán)境會明顯降低CFRP筋與錨固料之間的粘結(jié)強度。

5 CFRP索錨固系統(tǒng)力學(xué)性能研究進展

由于CFRP筋抗剪性能較差，制成碳纖維復(fù)合材料索后，筋材容易在錨杯前端產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，使筋材發(fā)生剪切破壞。國內(nèi)外不少學(xué)者針對這一點對CFRP索的錨固系統(tǒng)進行了研究。

瑞士材料測試與研究聯(lián)邦實驗室［32］（EMPA）針對CFRP筋在粘結(jié)型錨具中錨固端應(yīng)力集中的問題，開發(fā)出了一種載荷傳遞介質(zhì)彈性模量漸變的粘結(jié)型錨固系統(tǒng)，如圖8所示。采用彈性模量漸變的荷載傳遞介質(zhì)，從錨具前端到后端，載荷傳遞介質(zhì)的彈性模量逐漸提高，避免了在錨具前端CFRP筋表面產(chǎn)生很高的剪應(yīng)力集中，同時又保證了錨具內(nèi)部筋材的受力均勻性。EMPA進行了大量靜力試驗和疲勞試驗，結(jié)果證實了這種錨固系統(tǒng)的可靠性，該錨固系統(tǒng)下的靜力承載力可達(dá)到所有單根CFRP筋極限承載力之和的92%。

Feng等［33］采用分級灌錨，形成錨固料變剛度的錨固方式，如圖9所示，減少了錨固前端應(yīng)力集中的同時提高灌錨密實度。研制的CFRP索靜載錨固效率達(dá)97%，在最大應(yīng)力0.45標(biāo)準(zhǔn)強度值和應(yīng)力幅值200 MPa下循環(huán)200萬次，索股和錨固均未出現(xiàn)宏觀裂縫，與初始性能相比，殘余強度和剛度分別達(dá)到95%和96%。

呂志濤等［34］主持了國內(nèi)首座CFRP索試驗人行橋的設(shè)計和應(yīng)用研究。在設(shè)計研究中，闡述了該橋主要部件的設(shè)計要點，采用有限元法分析其整體受力性能；結(jié)合該橋的建造，分析各種黏結(jié)型錨具的受力性能，研制一種粘結(jié)型CFRP索錨具，并對5組試驗索進行試驗研究；闡述CFRP索的制備工藝和安裝工藝；根據(jù)施工過程仿真分析結(jié)果，提出對拉索一次性張拉到位的張拉方案，并對張拉期間的各項測試結(jié)果進行分析。通過本試驗橋的研究，基本解決CFRP索在中等跨徑斜拉橋中應(yīng)用的設(shè)計和施工方面的問題。

以上CFRP拉索中的筋材為平行排列方式，存在索股盤卷困難，受力不均的問題。為解決上述問題，法爾勝泓昇集團［35］開發(fā)了帶輕微扭絞的37絲規(guī)格CFRP索，如圖10所示，將索體中筋材進行扭絞，錨固端筋材發(fā)散開來進行錨固，提高了CFRP索中筋材的受力均勻性及錨固性能，同時便于CFRP索的盤卷與運輸。該索錨固效率為95%，通過應(yīng)力上限為45%標(biāo)準(zhǔn)強度，應(yīng)力幅值為375 MPa的250萬次疲勞試驗，并應(yīng)用于高郵三垛西橋，實現(xiàn)了CFRP拉索在國內(nèi)應(yīng)用于公路橋梁零的突破。

6 結(jié)語與展望

CFRP筋輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、抗疲勞的優(yōu)異性能，將其用于橋梁纜索，已成為提高橋梁跨徑與耐久性的一個發(fā)展方向。目前，常泰長江大橋擬采用CFRP水平索［36-37］，利用其熱膨脹系數(shù)低的特性形成溫度自適應(yīng)塔梁縱向約束體系，此外川藏高原鐵路橋梁擬采用大噸位CFRP索，利用其耐腐蝕性能及良好的凍融性能來提高橋梁纜索在惡劣環(huán)境下的服役壽命。針對CFRP筋在纜索領(lǐng)域的發(fā)展，還需重點研究以下幾個方面：

（1）CFRP索錨固系統(tǒng)與單孔CFRP筋錨具存在一定的差異，若不采用單根CFRP筋作為拉索承力構(gòu)件，從纜索制作工藝及纜索設(shè)計安全上分析，粘結(jié)型錨固系統(tǒng)更適合用于CFRP索的錨固，粘結(jié)型錨固系統(tǒng)的凍融循環(huán)試驗及濕熱老化后疲勞性能有待研究。

（2）CFRP索應(yīng)用后的安全監(jiān)測工作亟待解決，來保證前沿產(chǎn)品的應(yīng)用安全性。在CFRP筋的拉擠成型過程中植入光纖光柵傳感器制成智能筋，CFRP智能筋具有自感知特性，可用于CFRP索的實時索力監(jiān)測。

（3）CFRP筋的橫向抗剪、抗沖擊及防火性能較差，工程應(yīng)用時服役環(huán)境隨機性較大，為保證CFRP筋/索的服役安全，CFRP筋/索的橫向抗沖擊性能、防撞及阻燃防火保護措施應(yīng)進一步研究。

（4）為進一步推進CFRP索的應(yīng)用市場，CFRP索行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系需盡快制定，來規(guī)范CFRP索產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量，保證CFRP索應(yīng)用安全。