鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際服役環(huán)境下，由于構(gòu)件老化、鋼筋銹蝕，結(jié)構(gòu)的使用壽命受到影響。因此，通過(guò)開(kāi)發(fā)新型材料來(lái)提高結(jié)構(gòu)性能已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域的一個(gè)趨勢(shì)。其中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）憑借其比強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)良性能脫穎而出，成為土木工程的研究熱點(diǎn)。CFRP 材料問(wèn)世于20 世紀(jì)40 年代，其最初應(yīng)用局限于航天、軍事和船舶工程領(lǐng)域，后來(lái)范圍逐步擴(kuò)大到土木工程領(lǐng)域。我國(guó)于1975 年召開(kāi)了全國(guó)第一次碳纖維復(fù)合材料會(huì)議，將CFRP 材料納入國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)近40 年的發(fā)展，我國(guó)CFRP 材料在土木工程中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究取得了一定成果，但距大規(guī)模工程應(yīng)用還存在一定差距。

    碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP） 的物理特性和碳纖維基體及與其復(fù)合的樹(shù)脂、塑料、橡膠等基體材料的性能有關(guān)，對(duì)其后期使用性能有重要影響。

    碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的物理特性

    碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主要由兩大部分組成：碳纖維和樹(shù)脂基體。碳纖維主要由高分子材料如黏膠纖維、聚丙烯腈纖維、瀝青纖維等經(jīng)高溫?zé)贫?。?shù)脂基體主要采用環(huán)氧樹(shù)脂和聚酰亞胺樹(shù)脂。碳纖維復(fù)合材料的制作過(guò)程一般如下：先將碳纖維在樹(shù)脂中預(yù)浸后，按一定方式鋪層，再經(jīng)過(guò)加溫加壓、固化等工序成型，形成的復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，如環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維（EP/CF） 復(fù)合材料的比強(qiáng)度為鋼的4.8~7.2 倍，比模量為鋼的3.1~4.2 倍，疲勞強(qiáng)度約為鋼的2.5 倍、鋁的3.3 倍，而且高溫性能好，工作溫度達(dá)400℃時(shí)，其強(qiáng)度與模量基本保持不變。此外，還具有密度和線膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、抗蠕變、整體性好、抗分層、抗沖擊等。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)最高。在加工成型過(guò)程中，EP/CF 復(fù)合材料具有易大面積整體成型、成型穩(wěn)定等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。不同纖維種類的CFRP 的基本力學(xué)性能如下表所示。

    常用CFRP的基本力學(xué)性能

    碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料其他方面的物理特性如下。

    熱導(dǎo)率

    樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料的熱導(dǎo)率在中溫區(qū)100~400K，隨著碳纖維體積含量的增加而增大；在100K 以下，變化較小，在極低溫區(qū)變化消失。強(qiáng)度不同的碳纖維復(fù)合材料，只要碳纖維是同類型、同排布、同體積含量，則熱導(dǎo)率相差不大。平行于纖維排布方向的熱導(dǎo)率一般要大于垂直于纖維排布方向的熱導(dǎo)率。

    熱膨脹性能

    樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹性一般較小，平行于纖維方向的系數(shù)比垂直于纖維方向的系數(shù)約小一個(gè)數(shù)量級(jí)，且熱膨脹系數(shù)與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度下降時(shí)，平行于纖維方向的系數(shù)略有上升或基本不變，垂直于纖維方向的系數(shù)下降。影響樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料熱膨脹的因素主要是排布方式、比例、溫度和濕度。其中影響較大的是排布方式和比例。對(duì)于同樣材料比例的樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料，單層、有規(guī)律排布的熱膨脹系數(shù)可由理論推導(dǎo)的公式計(jì)算。對(duì)于多層復(fù)雜排布的熱膨脹系數(shù)，可從單層估計(jì)其變化趨勢(shì)。

    硬度

    樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料具有一定的硬度。但此硬度會(huì)隨碳纖維含量的變化而發(fā)生相應(yīng)變化。研究表明，當(dāng)碳纖維含量從5％提高到30％時(shí)，復(fù)合材料的平均硬度從77HV 提高到367HV，可以看出復(fù)合材料的硬度提高幅度很大，但并非線性增加。開(kāi)始增加較小，當(dāng)碳纖維含量大于10％以后，硬度增加非?？?；當(dāng)碳纖維含量大于25％以后，硬度值變化趨于平緩。

    電阻率

    碳纖維復(fù)合材料具有一定的導(dǎo)電性。研究表明，在碳纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合體系中，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的電阻值下降，導(dǎo)電性能提高。電阻值的下降與纖維含量的增加并不成正比，而是有一個(gè)滲濾閾值，這個(gè)滲濾閾值約為15％。當(dāng)碳纖維含量高于15％時(shí)，復(fù)合材料具有一定的導(dǎo)電能力。

    耐磨性

    研究表明，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的耐磨性提高，但其提高程度隨著碳纖維含量的增加而減小，碳纖維含量大于20％后趨于不變。

    CFRP 材料作為橋梁索結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究

    大跨系桿拱橋

    現(xiàn)代大跨系桿拱橋造型優(yōu)美、跨越能力良好，是現(xiàn)代大跨橋梁結(jié)構(gòu)中一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的橋型。目前關(guān)于CFRP 在系桿拱橋中的應(yīng)用的研究相對(duì)較少。

    斜拉橋

    斜拉橋具有外形美觀、結(jié)構(gòu)剛度大、跨越能力較強(qiáng)、相比于自錨式懸索橋和拱橋施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。CFRP材料用于大跨徑斜拉橋的拉索，不僅可以充分利用其高強(qiáng)性能，還可減輕斜拉橋上部結(jié)構(gòu)自重，提高斜拉橋跨越能力和承載效率。瑞士于1996 年在Stork 斜拉橋上成功應(yīng)用了CFRP斜拉索，其拉索匯集于塔頂，在A形塔頂部的箱錨室內(nèi)錨固。丹麥于1999 年建成總長(zhǎng)80m 的Herning 人行斜拉橋，使用了16 根CFRP 斜拉索。2005 年，中國(guó)首座CFRP 索人行斜拉橋在江蘇大學(xué)建成。該橋總長(zhǎng)度51.5m，最大跨徑30m，為獨(dú)塔雙索面鋼筋混凝土斜拉橋。索塔兩側(cè)各布置4 對(duì)拉索，斜拉索全部采用Leadline 型CFRP 筋材，有6-D8、11-D8、16-D8 三種索型，拉索錨固系統(tǒng)采用了套筒黏結(jié)型錨具，并在固定端錨下設(shè)置了永久性應(yīng)力傳感器，用于長(zhǎng)期監(jiān)控。

    江蘇大學(xué)CFRP試驗(yàn)橋

    由于索自重垂度的影響，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性，索在不同構(gòu)形和荷載條件下的靜動(dòng)力特性和地震響應(yīng)分析較為復(fù)雜，并且結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的敏感程度很高，極易在風(fēng)和雨的激勵(lì)下發(fā)生大幅度風(fēng)雨激振。

    懸索橋

    懸索橋具有受力性能好、抗震性能好、橋型美觀、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是特大跨度橋梁的首選橋型。隨著跨徑的增大，高強(qiáng)鋼絲主纜中的恒載應(yīng)力比例增加，選用CFRP 材料可以在一定程度上緩解超大跨徑懸索橋主纜自重問(wèn)題。1999 年日本在跨徑為1030m 的Kurushima 懸索橋中，首次采用CFRP 束作為貓道的主要纜索。在尚未完全了解CFRP 在實(shí)際環(huán)境中的長(zhǎng)期性能的情況下，還無(wú)法將CFRP用于懸索橋的主纜，因而目前CFRP 在懸索橋建設(shè)中的應(yīng)用十分有限。

    懸索橋由于主纜靠自身變位來(lái)平衡外荷載，使其具有明顯的幾何非線性特征，在跨度增大后，結(jié)構(gòu)趨于輕柔，對(duì)風(fēng)的作用更加敏感，抗風(fēng)穩(wěn)定性往往成為控制設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵的問(wèn)題。

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責(zé)任編輯：劉洋

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