橋梁用碳纖維復(fù)合材料索應(yīng)用進(jìn)展

劉禮華， 朱元林，3， 秦斌， 樊秋楊，3， 嚴(yán)鄭應(yīng)， 陳列虎

（1.法爾勝泓昇集團(tuán)有限公司, 江蘇 江陰 214434； 2.江陰市交通工程建設(shè)管理中心，江蘇 江陰 214400；3.江蘇法爾勝纖維材料科技有限公司，江蘇 江陰 214445； 4.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230022）

引 言

近年來，隨著新建橋梁跨度不斷提升，傳統(tǒng)鋼索在實(shí)際工程應(yīng)用中由于其自重較大，已成為制約斜拉橋提升跨度的關(guān)鍵因素；同時(shí)，現(xiàn)役的諸多橋梁工程中出現(xiàn)了不同程度的腐蝕損傷和疲勞等問題，亟需一種耐腐蝕和抗疲勞性能優(yōu)異的新型纜索材料。

CFRP具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)異特性，在復(fù)雜和極端環(huán)境中使用具有一定優(yōu)勢(shì)，已成為21世紀(jì)建筑行業(yè)的理想材料［1］。中國為推動(dòng)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在土木工程領(lǐng)域已部署了碳纖維復(fù)合材料發(fā)展應(yīng)用的研究，將“先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料”列入科技部“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，同時(shí)立項(xiàng)了“川藏鐵路橋梁用大噸位碳纖維復(fù)合材料拉索”等項(xiàng)目，可見碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有極高的國家戰(zhàn)略地位。

纜索和拉索是現(xiàn)代橋梁建筑的主要承重和傳力構(gòu)件。相較于傳統(tǒng)鋼索，CFRP索有輕質(zhì)（CFRP索密度約為鋼索的1/5）、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞等方面的優(yōu)勢(shì)，在橋梁中采用CFRP索，理論上能有效延長橋梁服役壽命和降低全周期總投資，促進(jìn)社會(huì)與國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。因此，CFRP索在未來的大跨甚至超大跨橋梁應(yīng)用中有著廣闊的前景。

1 CFRP索簡介

CFRP索由多根CFRP筋通過平行排布成索股后，配套錨具和外包PE保護(hù)層制造而成，CFRP索股如圖1所示。

圖1 CFRP索股截面Fig.1 CFRP cable cross section

CFRP索與鋼索主要性能參數(shù)對(duì)比如表1所示［2-3］。

表1 CFRP索與鋼索力學(xué)性能對(duì)比Tab.1 Comparison of mechanical properties between CFRP cables and steel cables

CFRP索也存在著一些缺點(diǎn)，如價(jià)格高、錨固困難、韌性和抗剪強(qiáng)度差等。近年來，國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段并取得了一定成果，如產(chǎn)品的綜合性能獲得突破性進(jìn)展，生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低，隨著開發(fā)和研制的多種CFRP索錨固系統(tǒng)長期應(yīng)用可行性的逐漸驗(yàn)證，橋梁大規(guī)模應(yīng)用CFRP索將成為可能。

2 橋梁用CFRP索應(yīng)用案例

1987年，瑞士聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室Meier教授提出建造一座主跨為8400 m的大跨斜拉橋來跨越直布羅陀海峽這一設(shè)想［4］，纜索采用CFRP斜拉索。自此，國內(nèi)外學(xué)者們不斷探索、創(chuàng)新不同結(jié)構(gòu)的CFRP索，對(duì)于推進(jìn)CFRP索結(jié)構(gòu)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。以下將按照時(shí)間順序，介紹一些具有代表性的國內(nèi)外應(yīng)用CFRP索的橋梁工程案例，包括其結(jié)構(gòu)及錨固形式。

2.1 筑波（Tsukuba）人行斜拉橋

于1996年3月竣工的筑波人行斜拉橋是世界上第一座CFRP索全FRP結(jié)構(gòu)橋，如圖2（a），（b）所示［5］。該橋有三跨，主塔采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，橋面為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料型材并采用CFRP薄板加固，全橋24根斜拉索采用了兩種CFRP筋，分別為三菱化學(xué)公司生產(chǎn)的Leadline筋和東京制綱生產(chǎn)的CFCC-7束絞線。該橋開發(fā)了一種粘結(jié)型錨固系統(tǒng)，即使用CFRP管作為錨固套筒，利用膨脹砂漿產(chǎn)生足夠的粘結(jié)力來錨固CFRP筋［3］，如圖2（c）所示。

圖2 筑波人行斜拉橋Fig.2 Tsukuba pedestrian cable-stayed bridge

2.2 Stork公路斜拉橋

位于瑞士Winterthur的Stork橋于1996年10月27日竣工通車，是世界上第一座采用CFRP索的公路斜拉橋。該橋?yàn)閱嗡魉p索面布置，如圖3（a）所示［5］，全長124 m，總共24根斜拉索，其中2根是CFRP索，其余采用高強(qiáng)鋼絞線拉索［6］。每根CFRP索由241根直徑5 mm的CFRP筋平行排列組成，如圖3（b）所示，其極限承載力可以達(dá)到12 MN［3］。EMPA開發(fā)了一種梯度錨固系統(tǒng)的錨固裝置適用于該橋CFRP索的錨固，如圖3（c）所示。通過荷載傳遞介質(zhì)剛度的漸變來緩解錨固區(qū)的應(yīng)力集中，其原理是：在錨具金屬端頭與CFRP筋材之間的縫隙內(nèi)采用荷載傳遞介質(zhì)“LTM（Load Transfer Media）”填充，主要作用是在CFRP與錨具兩種不同彈性模量的材料間形成平緩過渡，端頭受荷處的彈性模量稍低，向后端逐步增大，防止出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值剪斷CFRP索，LTM的材料是表面涂有環(huán)氧樹脂且大小相同的氧化鋁顆粒，通過改變樹脂涂層厚度達(dá)到彈性模量由低到高的轉(zhuǎn)變［7］。以此達(dá)到長期可靠錨固CFRP索的目的。

圖3 Stork斜拉橋Fig.3 Stork cable-stayed bridge

Stork橋在世界橋梁發(fā)展史中具有里程碑意義，原因是該橋不僅是世界上第一座CFRP公路斜拉橋，而且還通過安裝傳統(tǒng)傳感器和先進(jìn)的光纖傳感器實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力、應(yīng)變的長期監(jiān)測［8］，如圖3（d）所示。使理論模型和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果相互驗(yàn)證，為CFRP索應(yīng)用在更大跨度橋梁上提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

2.3 明石海峽大橋

于1998年4月5日通車的明石海峽大橋?yàn)榭珉p鉸加勁桁架懸索橋，主跨1991 m，如圖4所示。其主纜為PWS鋼絲索，為高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲（極限強(qiáng)度為1800 MPa），采用常規(guī)防腐體系。長吊索采用平行鋼絲索，部分短吊索采用CFRP索。

圖4 明石海峽大橋Fig.4 Akashi strait bridge

2.4 Neigles人行斜拉橋

位于瑞士弗里堡的薩那河上的Neigles人行橋是世界上第一座CFRP索懸索橋，如圖5（a）， （b）所示［5］。由于該橋鋼索主纜被嚴(yán)重腐蝕，于1998年11月將兩根主纜替換為兩根由東京制綱制造的CFRP拉索。每根CFRP索為16根CFCC絞線平行布置，CFCC絞線由7股CFRP筋構(gòu)成，直徑為12.5 mm，該拉索承載能力為2272 kN。同時(shí)，該橋拉索采用了東京制綱專為CFCC絞線開發(fā)的粘結(jié)型錨固系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)錨固端頭和16個(gè)樹脂填充錨固件組成，如圖5（c）所示。錨固長度約為CFCC絞線直徑的13.5倍［3］。

圖5 Neigles人行橋Fig.5 Neigles pedestrian bridge

2.5 Herning人行斜拉橋

于1999年6月竣工的Herning橋是在丹麥海寧附近跨越鐵路調(diào)度站的一座單塔雙索面人行斜拉橋，如圖6（a）， （b）所示。全橋16根CFCC絞線索均由東京制綱生產(chǎn)，每根拉索由37絲CFRP筋構(gòu)成，其承載力為1070 kN。所有拉索均由工廠以固定長度與樹脂填充錨固。該錨固系統(tǒng)主要由直筒型鋼套筒和樹脂組成，如圖6（c）所示［5］。螺母安裝在鋼套筒后部并連接到橋梁的主梁或者索塔上。這種錨固裝置與Neigles CFRP人行橋上的樹脂填充錨固類似，區(qū)別是該錨具尺寸更大，可以錨固更大規(guī)格和拉力的CFCC絞線索［3］。

圖6 Herning人行斜拉橋Fig.6 Herning pedestrian cable-stayed bridge

2.6 I-5/Gilman橋

于2002年竣工的美國I-5/Gilman橋是一座公路斜拉橋［9］，全長137.2 m，采用FRP材料設(shè)計(jì)制造，如圖7（a）， （b）所示。該橋?yàn)閱嗡p索面扇形斜拉橋，采用6根CFRP索和6根AFRP（芳綸纖維增強(qiáng)材料）索取代部分傳統(tǒng)鋼索。

圖7 I-5/Gilman斜拉橋Fig.7 I-5/Gilman cable-stayed bridge

2.7 Laroin人行橋

于2002年竣工的Laroin人行橋位于法國Laroin，是一座單跨雙索塔雙索面單跨斜拉橋，主跨長110 m，寬2.5 m，橋兩側(cè)各有8根CFRP斜拉索，如圖8（a）所示［5］。根據(jù)不同荷載情況，靠近索塔的8根拉索每根包含2個(gè)模塊，其余8根拉索包含3個(gè)模塊，如圖8（b）所示。該橋拉索采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊包含一組平行的7根CFRP筋（由法國SOFICAR公司生產(chǎn)）和一套模塊化夾片錨具，開發(fā)的這種模塊化楔形式夾片錨具能有效錨固該拉索，如圖8（c）所示。考慮到錨具夾持裝置可能對(duì)CFRP拉索造成橫向損傷，每根筋材都采用鋁護(hù)套進(jìn)行保護(hù)。該模塊化結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)勢(shì)：①整體錨固可以使錨固件更緊湊，減小尺寸；②有利于標(biāo)準(zhǔn)化施工；③每個(gè)模塊都經(jīng)過成熟的研究，因此，不再需要重新研究不同拉索尺寸的錨具，采用模塊化設(shè)計(jì)、組裝即可，有利于快速設(shè)計(jì)和降低成本［3］。

圖8 Laroin人行斜拉橋Fig.8 Laroin pedestrian cable-stayed bridge

2.8 江蘇大學(xué)人行斜拉橋

2005年國內(nèi)首座CFRP索人行斜拉橋竣工，位于江蘇大學(xué)校內(nèi)，全橋采用CFRP索，如圖9（a）所示。該橋?yàn)閱嗡p索面形式，索塔兩側(cè)各布置4對(duì)拉索，跨度約為50 m，橋面寬5 m，設(shè)計(jì)人群荷載為3.5 kN/mm2。制索采用Leadline型CFRP筋，直徑為8 mm，由日本三菱公司生產(chǎn)。該橋采用3種不同規(guī)格的CFRP索，共16根，包括2束16-D8、2束11-D8、6束6-D8，如圖9（b），（ c）所示。同時(shí)相關(guān)學(xué)者圍繞其展開了數(shù)值分析、加載試驗(yàn)和變形監(jiān)測等一系列研究［10-14］。

圖9 江蘇大學(xué)人行斜拉橋Fig.9 Jiangsu University pedestrian cable-stayed bridge

2.9 Penobscot斜拉橋

于2006年12月通車的Penobscot斜拉橋位于美國緬因州，是美國第一座采用CFRP拉索的斜拉橋。該橋?yàn)殡p索塔單索面斜拉橋，跨度為146 m+354 m+146 m，索塔高136 m，如圖10（a），（b）所示［5］。該橋設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和勞倫斯理工大學(xué)在現(xiàn)有CFCC樹脂充填錨固基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種新型“高膨脹材料填充”錨固方式，如圖10（c）所示。這種錨固裝置是中空螺紋套筒結(jié)構(gòu)，套筒外部為錨固螺母，作用是將該錨固裝置固定到結(jié)構(gòu)上。將高膨脹性水泥砂漿填充在絞線和套筒之間。由于在固化過程中膨脹產(chǎn)生足夠的徑向壓力（約為75.8 MPa），以此達(dá)到錨固CFRP索的作用。此外高膨脹性水泥砂漿相比于普通砂漿擁有較小的蠕變系數(shù)，能有效緩解錨固端的蠕變。全橋40對(duì)拉索均由7股平行CFRP絞線組成。這些拉索并沒有固定在索塔上，而是穿過索塔上的支架錨固在梁上，如圖10（d）所示。該橋通車半年后選擇西面索塔三對(duì)不同長度的鋼索（86 m，198 m，300m）替換為CFRP索。替換的CFRP索是由東京制綱生產(chǎn)的CFCC1×7股CFRP絞線。

2.10 矮寨懸索橋

于2007年10月動(dòng)工興建，2012年3月通車運(yùn)營的矮寨懸索橋?yàn)楹鲜〖韪咚俟方ㄔO(shè)的控制性工程［15］，為塔梁分離式懸索橋，如圖11（a）所示。該橋主跨1176 m，采用了一種新型巖錨吊索體系，即吊桿不與加勁梁連接而是與地面連接。同時(shí)，制索采用了東京制綱生產(chǎn)的直徑12.5 mm的CFRP絞線，避免了傳統(tǒng)鋼絞線銹蝕等問題。該CFRP索巖錨體系使用活性粉末混凝土（RPC）［16］作為錨桿的粘結(jié)材料，如圖11（b）所示。CFRP索在矮寨懸索橋的成功應(yīng)用，為今后該巖錨體系在大型懸索橋上的應(yīng)用提供了現(xiàn)實(shí)案例。

圖11 矮寨懸索橋Fig.11 Aizhai suspension bridge

2.11 斯塔德巴恩大橋

于2020年5月竣工的德國斯圖加特的斯塔德巴恩大橋，是世界上第一座完全懸掛在CFRP吊索上的網(wǎng)式斜吊桿拱橋，如圖12（a）所示。該橋跨徑127 m，全橋72根吊桿均采用了EMPA開發(fā)的CFRP吊桿索，其極限拉伸載荷為1800 kN，抗拉強(qiáng)度為2170 MPa，彈性模量為180 GPa，如圖12（b）所示。該案例中，由于CFRP索出色的疲勞性能，其橫截面積約為鋼索的1/4［17］，使CFRP索的初始成本就低于鋼索。該橋的成功應(yīng)用充分證明了CFRP索在其優(yōu)異性能的加持下同樣也能具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，使未來更大跨度的網(wǎng)式斜吊桿拱橋應(yīng)用成為可能。

圖12 斯塔德巴恩大橋Fig.12 Stadbahn bridge

2.12 高郵三垛西橋

于2021年通車的高郵三垛西橋是國內(nèi)首座應(yīng)用CFRP索的公路橋［18］，橋跨組成為：9×20 m+92.64 m+10×20 m，全橋長479.12 m，橋面寬度12.8 m，實(shí)景如圖13（a）所示。全橋共采用32根吊桿，其中4根2#索采用CFRP吊桿索，CFRP吊桿索規(guī)格為Φ7-31，其公稱破斷拉力大于3136 kN，拉伸強(qiáng)度大于2600 MPa，彈性模量大于166 GPa，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖13（b）所示。該橋CFRP索采用了法爾勝泓昇集團(tuán)生產(chǎn)的直徑7.0 mm的CFRP筋，同時(shí)該橋的部分CFRP索配備了光纖光柵智能筋索力自監(jiān)測系統(tǒng)，用于橋梁索力的監(jiān)測，為CFRP索在橋梁工程上的長期應(yīng)用提供了重要參考依據(jù)。

圖13 高郵三垛西橋Fig.13 Gaoyou Sanduo west bridge

2.13 徒駭河大橋

于2022年5月1日正式通車的山東聊城市興華路徒駭河大橋是國內(nèi)首座千噸級(jí)CFRP索公路斜拉橋，如圖14（a）所示。該橋全長384 m，主橋跨徑100 m+100 m，為單索塔雙索面結(jié)構(gòu)。全橋共68根Φ7-121鋼絲斜拉索，4根Φ7-121CFRP斜拉橋索，CFRP索長13.06 m，如圖14（b）所示。其公稱破斷拉力為10075 kN，彈性模量大于160 GPa。該橋的成功應(yīng)用標(biāo)志著國產(chǎn)CFRP索首次應(yīng)用于斜拉橋，推動(dòng)了國產(chǎn)CFRP索在橋梁工程中的發(fā)展。

圖14 徒駭河大橋Fig.14 Tuhai river bridge

2.14 江陰黃山路斜拉橋

于2023年5月完成吊裝的江陰黃山路斜拉橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋，是拓展城市發(fā)展空間的重點(diǎn)工程，如圖15（a）所示。該橋總長248 m，跨徑（30+100+88+30）m，橋?qū)?6.5 m。全橋采用46根Φ7-121鋼絲斜拉索，2根Φ7-91CFRP斜拉索，CFRP索長約67.5 m，如圖15（b）所示。其公稱破斷拉力為9100 kN，拉伸強(qiáng)度為2600 MPa，彈性模量大于160 GPa。該橋是國內(nèi)首次最長CFRP索在斜拉橋上的示范應(yīng)用，為后續(xù)大跨徑橋梁建設(shè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

CFRP索具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、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(gè)發(fā)展方向。本文主要介紹了國內(nèi)外具有代表性的應(yīng)用CFRP索的實(shí)橋案例，充分證明了CFRP用于橋梁的可行性。隨著國產(chǎn)碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展以及CFRP索在實(shí)際工程應(yīng)用中的諸多探索性嘗試，CFRP索在橋梁乃至其他工程領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V泛的應(yīng)用。未來，CFRP索將服務(wù)國家重大戰(zhàn)略工程建設(shè)：常泰長江大橋擬采用CFRP水平索［19-20］，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；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。