李登華呂春祥杜素軍楊禹舒興旺崔東霞林浩

（1.山西省交通科學(xué)研究院 新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西太原 030006；2.中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所 碳纖維制備技術(shù)國家工程實驗室，山西太原 030001）

橋梁結(jié)構(gòu)用CFRP筋研究現(xiàn)狀與未來展望

李登華*1呂春祥2杜素軍1楊禹1舒興旺1崔東霞1林浩1

（1.山西省交通科學(xué)研究院 新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西太原 030006；2.中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所 碳纖維制備技術(shù)國家工程實驗室，山西太原 030001）

近年來，碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）作為新一代高性能結(jié)構(gòu)材料在交通領(lǐng)域獲得了長足的發(fā)展。文章就此綜述了國內(nèi)外針對CFRP作為橋梁等建筑結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋和斜拉索等的研究和工程化情況。探討了近年來新建CFRP梁橋和CFRP纜索承重橋梁取得的新進展，并對當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的問題和未來發(fā)展趨勢進行了分析。

碳纖維增強復(fù)合材料 預(yù)應(yīng)力筋 斜拉索

在現(xiàn)代橋梁技術(shù)中，預(yù)應(yīng)力橋梁因其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能、跨越能力及良好的經(jīng)濟性能在公路、鐵路橋梁建設(shè)領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用，是我國中等以上跨徑橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式［1］。與普通混凝土橋梁相比，預(yù)應(yīng)力橋梁雖然能夠較好地抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生，但受材料特性所限，混凝土裂縫依然是預(yù)應(yīng)力橋梁普遍存在的問題，它的存在會使腐蝕介質(zhì)進入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，引起預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕，從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)受損或失效，進而影響預(yù)應(yīng)力橋梁的耐久性［2］。因鋼筋腐蝕而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性破壞的事件在世界范圍內(nèi)越來越多，如廣西柳州市壺西大橋發(fā)生了因預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕疲勞失效而導(dǎo)致人行道墜落事故；英國南威爾士Ynysy-Gwas的一座節(jié)段拼裝式混凝土橋梁因預(yù)應(yīng)力鋼索灌裝不飽滿而受到氯鹽腐蝕破壞并最終發(fā)生結(jié)構(gòu)垮塌事故。全球因鋼筋腐蝕造成的直接和間接經(jīng)濟損失巨大，不容忽視［3］。為解決預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕問題，保證結(jié)構(gòu)耐久性，目前工程界和科研界提出了許多抗腐蝕的方法，如采用高性能混凝土保護層、鋼筋表面設(shè)置鋅基鍍層和環(huán)氧樹脂涂層等防腐材料、在混凝土中添加阻銹劑或表面涂敷防水材料等。遺憾的是上述方法均屬消極的防護性措施，作用效果并不明顯，同時增加了施工工藝的復(fù)雜性，且無法從根本上解決預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕問題。鑒于現(xiàn)有的腐蝕控制辦法未能從根本上解決預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕問題，開發(fā)一種強度高、耐腐蝕性好的新型替代材料可能是解決鋼筋銹蝕問題的可行途徑。

研究資料表明，碳纖維不僅具有較高的力學(xué)性能，其類石墨結(jié)構(gòu)也賦予了碳纖維優(yōu)異的耐腐蝕性能。利用碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic， CFRP）增強水泥，不僅可以提高材料整體的力學(xué)性能，還可以有效地解決其使用壽命的問題，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的全生命周期設(shè)計。以CFRP增強的絞線和棒材用作橋梁的預(yù)應(yīng)力筋和體外筋在日本、歐美等國家已經(jīng)得到廣泛的使用［4］。應(yīng)用實例表明，CFRP具有多項優(yōu)良性能，是鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋的潛在替代選項，在建筑橋梁上具有廣闊的應(yīng)用前景。在過去的幾年，我國也針對碳纖維這類新材料在交通領(lǐng)域的推廣應(yīng)用做了戰(zhàn)略布局，其中高性能復(fù)合材料是“十二五”規(guī)劃在材料領(lǐng)域重點支持的研究方向之一，“‘十三五’交通運輸發(fā)展規(guī)劃”也把復(fù)合材料列為橋梁領(lǐng)域中橋梁材料的研究對象之一。有鑒于此，本文對當(dāng)前CFRP在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究及工程示范探索做了梳理，并對這種新材料的未來發(fā)展進行了展望。

1　國外CFRP筋應(yīng)用研究及工程化現(xiàn)狀

表1　國外商業(yè)CFRP筋的基本力學(xué)特性

表2　國外CFRP筋及錨索典型應(yīng)用案例

在CFRP科學(xué)研究領(lǐng)域，國外的企業(yè)和研究機構(gòu)進行了大量的探索。其中日本科學(xué)家立足于其高性能碳纖維的技術(shù)優(yōu)勢，最早開始將碳纖維應(yīng)用到橋梁工程中，陸續(xù)實現(xiàn)了一批預(yù)應(yīng)力筋用CFRP的試制，并針對這些新材料的性能（抗拉特性、抗彎特性及疲勞性能等）和配套條件展開研究，在此基礎(chǔ)上針對CFRP筋在具體的酸堿環(huán)境、強紫外線環(huán)境、濕熱環(huán)境（海洋與內(nèi)陸環(huán)境等）、高溫環(huán)境、動態(tài)環(huán)境、凍融作用下的變化規(guī)律及適用性進行了評估，奠定了這類新材料的應(yīng)用理論基礎(chǔ)［4-8］。與此同時，歐美等國家也陸續(xù)把目光投入到這類新材料的研究與開發(fā)。Sayed-Ahmed等人針對CFRP筋的設(shè)計、性能及施工等方面進行了系統(tǒng)的研究，對熱載荷及常規(guī)載荷下CFRP筋的預(yù)應(yīng)力損失及其力學(xué)性能變化規(guī)律進行了總結(jié)和探討，證實了這類材料應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的可行性［9］。Khaled等人進行了碳筋不銹鋼錨具的試驗分析研究，對設(shè)定的夾片式錨具進行了有限元分析和試驗分析，著重分析了夾片式錨具各接觸面間的摩擦系數(shù)和預(yù)緊力對錨具錨固能力的影響。美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在混凝土中加入碳纖維后其電阻會隨外加應(yīng)力等的變化而成比例改變，并利用這一特性制成具有傳感器功能的混凝土，利用它制造的橋梁具備壓力和應(yīng)力探測功能［10］。此外，陸續(xù)有專家針對碳筋的錨固、施工問題提出見解和設(shè)計方案，為碳纖維預(yù)應(yīng)力筋走向工程試用奠定了基礎(chǔ)。

表3　國內(nèi)主要CFRP筋品牌情況

表4　國內(nèi)針對CFRP應(yīng)用于橋梁領(lǐng)域的研究進展情況

科學(xué)研究的深入也有力帶動了CFRP筋的產(chǎn)業(yè)化，以日本和歐美國家為代表的高性能CFRP筋材陸續(xù)面市（如表1所示），采用CFRP替代鋼結(jié)構(gòu)作為預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)用于橋梁領(lǐng)域的著名工程也已屢見不鮮。日本于70年代開始研究CFRP，其制造及應(yīng)用相關(guān)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。其研究領(lǐng)域涵蓋了CFRP筋、板及網(wǎng)格產(chǎn)品的研制，CFRP應(yīng)用于混凝土構(gòu)件、地下工程中的設(shè)計方法和試驗方法等［6，7］。此外，針對CFRP材料在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用，日本工業(yè)界制定了大量的規(guī)程、指南，主要有《FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計指南》、《使用連續(xù)纖維補強材料的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工指南》、《連續(xù)纖維補強材料的質(zhì)量規(guī)范》、《連續(xù)纖維補強材料的試驗方法》等［11］。當(dāng)前針對不同類型的CFRP預(yù)應(yīng)力筋性能試驗及研究以及所需錨固系統(tǒng)都已完成。為了探測采用CFRP預(yù)應(yīng)力筋的混凝土構(gòu)件的承載力和耐久性，做了靜載及疲勞試驗。在此基礎(chǔ)上，日本應(yīng)用CFRP材料作為預(yù)應(yīng)力筋修建了一系列橋梁，不同類型的CFRP筋性能試驗以及所需錨固系統(tǒng)的研究也都已完成［11］。歐美等國家也對CFRP筋進行了一系列的研究并建成了一批示范工程。近十年來，歐美國家修建了一百多座采用FRP材料的橋梁，其中德國的路德維希港預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，瑞士Storchen的斜拉橋等均采用了CFRP筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計［12］。歐美國家還相繼成立了相應(yīng)的專業(yè)委員會指導(dǎo)相關(guān)研究工作，如美國的ACI Committee 440，歐洲的“歐洲混凝土”（Euroercte）的泛歐合作計劃等，表2給出了國外CFRP筋及錨索典型應(yīng)用案例。

2　國內(nèi)CFRP筋應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀

我國對CFRP的研究較早，但是由于種種原因CFRP在橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究進展相對緩慢，具有較大影響力的工程化示范項目較少，工程實踐經(jīng)驗相對匱乏。在CFRP筋制備技術(shù)與性能方面，國外早期工程應(yīng)用多是10 mm以上的大尺寸筋材，國內(nèi)科學(xué)研究則傾向于8-10 mm的較小尺寸的樣品［17-21］。而實際工程應(yīng)用更傾向于和鋼筋的尺寸相靠近，更利于配筋和施工。因此，國外規(guī)范中更注重于對力學(xué)性能的嚴(yán)格控制［21］。從經(jīng)驗來看，工程中用的碳筋的直徑也并不是越粗越好，碳筋抗拉強度隨直徑的增加而降低。因為碳筋束表面處的粘接應(yīng)力傳遞到中心處會發(fā)生剪力滯后現(xiàn)象，過大的橫向剪切荷載將破壞環(huán)氧樹脂的粘接力，導(dǎo)致各根纖維絲的連鎖失效［17］。因此建議廠家在生產(chǎn)碳筋時應(yīng)以較小直徑為主，目前碳筋形式有單股、7股、19股、37股等，直徑從3mm到40mm不等。

如表3所示，當(dāng)前國內(nèi)具備CFRP筋生產(chǎn)能力的廠家約有3~5家，基本能滿足小規(guī)模的鋼筋替代。各廠家產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能水平參差不齊，但技術(shù)細(xì)節(jié)和綜合水平與國外產(chǎn)品仍存在較大的差距，尚未形成具有國際影響力的產(chǎn)品品牌。筋材產(chǎn)業(yè)化不足的原因是多方面的，與早期我國碳纖維生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)能的不足有很大關(guān)聯(lián)，一定程度上也制約了CFRP筋向交通建筑領(lǐng)域的大規(guī)模推廣。

在施工配套條件方面，研究人員把主要精力放在CFRP筋專用錨具的技術(shù)開發(fā)上，如武漢理工大學(xué)的呂國玉研究了碳纖維增強塑料預(yù)應(yīng)力筋錨具的設(shè)計問題，對鋼筋楔緊型錨具進行了受力分析，設(shè)計出直徑8mm碳筋的不銹鋼錨具和混凝土錨具［22］；廣西工學(xué)院的張鵬研制了碳筋的夾片式錨具和灌漿式螺絲端桿錨具，并進行了錨具靜載試驗和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力碳纖維筋混凝土梁的受彎試驗，取得了試驗效果［2］；湖南大學(xué)的梁棟對碳筋灌漿式錨具和夾片式錨具進行了研究，利用有限元程序分析了錨具長度、錨具錐角、預(yù)緊力對錨具錨固性能的影響［23］。表4列出了國內(nèi)主要研究單位的科研進展情況。

CFRP筋示范工程方面，國內(nèi)的進展較慢。如表5所示，見諸報道的江蘇大學(xué)人行橋是CFRP筋應(yīng)用的第一次嘗試，橋的斜拉索采用日本三菱公司生產(chǎn)的直徑為8 mm的Leadline變形棒材制作。根據(jù)受力要求，共采用16ф8mm、11ф8mm及6ф8mm三種類型的斜拉索，各類型拉索在橋上分別布置［54］。矮寨懸索橋則主要是以CFRP筋作為錨桿通過構(gòu)筑高性能巖錨體系以提高巖錨體系的耐久性［55］。總而言之，目前國內(nèi)針對這一領(lǐng)域研究的項目還是比較基本的，研究內(nèi)容較窄，研究數(shù)量也不多，且存在著低水平的重復(fù)現(xiàn)象。對比國外同行業(yè)的研究積累與工程化示范項目，國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究水平和工程化化水平都亟待提高。

表5　國內(nèi)CFRP筋及錨索典型應(yīng)用案例

3　亟待解決的問題

當(dāng)前國內(nèi)CFRP筋研究與工程化進展慢于國外，其原因是多方面的。其中，筆者認(rèn)為如下幾點是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急：

（1）加快實現(xiàn)CFRP的性能穩(wěn)定化和產(chǎn)品升級。目前CFRP材料生產(chǎn)及錨固系統(tǒng)制造主要依賴于國外，主要原因是當(dāng)前國內(nèi)CFRP筋的生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量均難以充分滿足高性能橋梁設(shè)計的要求。隨著CFRP材料在交通建設(shè)和養(yǎng)護工程中越來越多的應(yīng)用，這塊市場將非常廣闊，高性能、多層次的材料研發(fā)必須走在首要位置，因此國內(nèi)有關(guān)機構(gòu)和企業(yè)應(yīng)加強對相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)。

（2）夯實CFRP橋梁的設(shè)計基礎(chǔ)。盡管CFRP筋較現(xiàn)有鋼筋和鋼絞線具有一些獨特的優(yōu)勢，將其作為鋼筋替代進行橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計仍然需要一個漸進的過程。其中，針對CFRP筋的性能驗證及在此基礎(chǔ)上CFRP應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論亟待成熟。為此，相關(guān)科研和工程技術(shù)人員應(yīng)繼續(xù)深入研究CFRP橋梁的設(shè)計理論，形成系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范和方法。對試驗橋梁進行運營階段的長期監(jiān)控，豐富基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)。

（3）做好配套條件與施工技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)。CFRP筋有其獨特的結(jié)構(gòu)特征，為此其配套條件和施工問題也有別于鋼筋和鋼絞線。受力分析、結(jié)構(gòu)連接、錨固、施工工藝等關(guān)鍵問題需逐項解決。為此，應(yīng)繼續(xù)深入研究CFRP筋的錨固問題，開發(fā)簡單有效的新型錨具，完善施工工藝。實現(xiàn)CFRP筋的現(xiàn)場下料，為CFRP橋梁的進一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

（4）CFRP橋梁的經(jīng)濟上的可行性評價。盡管CFRP橋梁在技術(shù)、安全和適用性上是可行的，并且較現(xiàn)有鋼材具有一些獨特的優(yōu)勢，但是CFRP橋梁要得到進一步發(fā)展還必須在經(jīng)濟上具有可行性。需要注意的是科學(xué)的經(jīng)濟性評估應(yīng)是基于橋梁全壽命周期的經(jīng)濟性（包括建設(shè)投資、后期運營維護投資等），而不僅限于初始建設(shè)費用。在此基礎(chǔ)上，對CFRP橋梁的優(yōu)點應(yīng)該加大宣傳和推廣，促進CFRP在新建橋梁上的研究和應(yīng)用。

4　未來發(fā)展趨勢分析

就目前而言，CFRP筋應(yīng)用于橋梁等結(jié)構(gòu)的整體發(fā)展趨勢良好。而經(jīng)濟社會和國家政策兩大方面的助理則將為CFRP筋的應(yīng)用研究打開新的更廣闊的局面：

首先，隨著預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在使用環(huán)境的長期作用下的失效現(xiàn)象越來越突出，其耐久性問題日益嚴(yán)峻。文獻資料表明，鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞已成為世界各國普遍關(guān)注的一大災(zāi)害。美國標(biāo)準(zhǔn)局1975年的調(diào)查表明，混凝土中鋼筋的腐蝕已占全美各種腐蝕的40%。日本新干線使用不到10年，就出現(xiàn)大面積因鋼筋腐蝕引起的混凝土開裂、剝蝕。我國早期建設(shè)中由于對早強或抗凍的要求，造成含氯鹽外加劑的大量使用，使得鋼筋銹蝕更為嚴(yán)重。長期以來，形成了混凝土結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境下的“未老先衰”現(xiàn)象，耐久性嚴(yán)重受損，需要后期不斷的維護與加固，帶來巨大的經(jīng)濟損失。鑒于現(xiàn)有的腐蝕控制和修復(fù)加固辦法未能從根本上解決預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕問題，開發(fā)一種強度高、耐腐蝕性好的新型替代材料成為解決鋼筋銹蝕問題的可行途徑。而將CFRP筋作為預(yù)應(yīng)力橋梁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，也必將有助于解決橋梁結(jié)構(gòu)因鋼筋銹蝕與應(yīng)力腐蝕等帶來的嚴(yán)重問題，緩解因維修加固帶來的經(jīng)濟問題。另一方面還將為目前國產(chǎn)中高端碳纖維材料開辟廣闊的下游市場，帶來碳纖維國產(chǎn)市場新的發(fā)展契機。

其次，《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)范綱要（2006-2020年）》規(guī)劃的重點領(lǐng)域及其優(yōu)先主題第31項：基礎(chǔ)原材料強調(diào)“重點研究開發(fā)滿足國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的高性能復(fù)合材料及大型、超大型復(fù)合結(jié)構(gòu)部件的制備技術(shù)，高性能工程塑料，輕質(zhì)高強金屬和無機非金屬結(jié)構(gòu)材料”。CFRP其作為一種新型的復(fù)合材料，與現(xiàn)有鋼筋相比，具有質(zhì)輕、強度高、耐腐蝕性能好等特點，由于具有上述特性，在橋梁設(shè)計、施工，尤其是后期的維修加固中具有鋼筋所不可比擬的優(yōu)勢之處。未來在我國經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的保證下，隨著《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃（2008年調(diào)整）》、《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》等鐵路、公路規(guī)劃的逐步推進和各地道路建設(shè)計劃的實施，以及城市化帶來的城市立體交通網(wǎng)的規(guī)?；ㄔO(shè)，我國的橋梁建設(shè)將邁入一個新的歷史時期，這也意味著CFRP這種新型的建筑材料將迎來它的廣闊市場?？傊谌藗儗蛄耗途眯院腿珘勖芷诮?jīng)濟性要求日益提高的今天，CFRP材料在橋梁工程中的應(yīng)用日益廣泛，其優(yōu)勢也越來越被社會認(rèn)可，發(fā)展前景將更加廣闊。

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As a new kind of high performance structural materials， carbon fiber reinforced polymer/plastic （CFRP） has obtained rapid development in the field of transportation in the past few years. The paper reviewed the current developments on the research and industrialization prograss of CFRP in the field of prestressed tendons and stayed-cables of bridge etc. architectural structures. Some typical strcutures using CFRP reinforced beams or CFRP cables have also been explored as well as the problems and future development of this advanced materials.

CFRP； Prestressed tendons； Tayed-cable

?李登華（1982—），男，山東濟南人，工學(xué)博士，工程師，主要從事纖維復(fù)合材料在交通領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。