一 橋的變遷

2020，我們攻堅(jiān)克難，一起戰(zhàn)斗。2021，我們賦能未來(lái)，共迎希望

追溯到人類誕生時(shí)，橋梁與人類是共同發(fā)展的，橋梁的歷史就是人類的發(fā)展史。在遠(yuǎn)古，原始人在追逐獵物時(shí)，經(jīng)過(guò)小河流，原始人就會(huì)用樹(shù)干搭在兩岸來(lái)過(guò)河，這就是橋梁的由來(lái)；在古代，人們發(fā)明了人造建筑材料的磚，還創(chuàng)造了磚石構(gòu)成的拱橋結(jié)構(gòu)；在近代，第二次工業(yè)革命后，鋼桁架橋成為大跨度橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式；在現(xiàn)代，高強(qiáng)鋼絲受拉性能的充分利用，斜拉橋和懸索橋不斷刷新橋梁的記錄。

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，橋梁的跨度越來(lái)越大。懸索橋和斜拉橋是目前國(guó)際上大跨徑橋梁采用的主要橋型，在目前世界上跨度前十的橋梁中，懸索橋占8座，斜拉橋2座。

目前世界跨度前十的橋梁

（數(shù)據(jù)來(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_longest_bridges）

橋索是懸索橋和斜拉橋的核心組成部分。橋索的性能已成為橋梁設(shè)計(jì)、施工、使用壽命和安全性能等方面決定性因素。

西堠門大橋（懸索橋）

蘇通長(zhǎng)江大橋（斜拉橋）

二 碳纖維復(fù)材索的優(yōu)勢(shì)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱碳纖維復(fù)材）具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在最近十幾年中隨著研究和工程實(shí)踐的不斷發(fā)展已經(jīng)越來(lái)越被了解和肯定。實(shí)際上早在1982年，Meier等就提出了以碳纖維復(fù)材索替代鋼索的想法。

鋼索與碳纖維索（來(lái)源于Urs Meier相關(guān)研究）

2005年，東南大學(xué)呂志濤院士等主持設(shè)計(jì)和修建了國(guó)內(nèi)第一座碳纖維復(fù)材索斜拉橋，采用獨(dú)塔雙索面的布置，主梁和橋塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拉索全部采用碳纖維復(fù)材索。

國(guó)內(nèi)首座碳纖維復(fù)材索斜拉橋

更大跨度

重大工程結(jié)構(gòu)中85%以上是自重，巨大重量意味著結(jié)構(gòu)的高負(fù)荷、高地震響應(yīng)和高成本。目前橋索都采用鋼絲制成，由于鋼的材料特性，鋼索比重大，這將限制鋼索體系橋梁的極限跨徑和承載效率。

日本明石海峽大橋

懸索橋的極限跨度、垂度與應(yīng)力水平存在著一定的關(guān)系：在其自重作用下橋索的主索形成懸鏈線，當(dāng)垂度一定時(shí)，隨著主纜跨度的增大，懸索的拉力增大，因此當(dāng)懸索橋的主纜垂度因橋塔高度而受到限制時(shí)，存在一個(gè)極限跨度，此時(shí)懸索自重產(chǎn)生的張力恰好達(dá)到索的抗拉強(qiáng)度。碳纖維復(fù)材的容重僅為鋼材的1/5，與鋼索相比， 采用碳纖維復(fù)材索能夠提高懸索結(jié)構(gòu)的極限跨度，研究表明，鋼索的極限跨度為7.7km，碳纖維復(fù)材索為 37. 5km。

鋼索與碳纖維復(fù)材索的極限跨度—垂度關(guān)系

更耐疲勞

由于鋼索的疲勞強(qiáng)度不足導(dǎo)致的索斷橋毀事故屢屢發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員死亡事件。碳纖維復(fù)材索的抗拉強(qiáng)度可達(dá)高強(qiáng)鋼絲的2倍以上，同時(shí)碳纖維復(fù)材索的疲勞性能也遠(yuǎn)優(yōu)于鋼索，根據(jù)瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)研究所對(duì)19 根單絲的碳纖維復(fù)材索進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)表明：在200萬(wàn)次循環(huán)荷載下碳纖維復(fù)材索未發(fā)生破壞, 其疲勞強(qiáng)度約為相同條件下鋼索的4倍。

（來(lái)源于相關(guān)新聞報(bào)導(dǎo)）

更長(zhǎng)壽命

鋼索的一個(gè)致命弱點(diǎn)是耐腐蝕性差，在潮濕的大氣環(huán)境中，鋼索面臨著嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題；如果要在海上修建橋梁，海洋大氣中含有大量的氯化物微粒，其中的氯離子有很強(qiáng)的腐蝕性，環(huán)境條件更為惡劣。因此在鋼索使用時(shí)需要經(jīng)過(guò)繁瑣的防腐涂裝工序，同時(shí)在成橋營(yíng)運(yùn)后 ,還需要進(jìn)行貫穿始終的日常維護(hù)和定期換索。作為懸索橋的“生命線”，鋼索因耐腐蝕性差而嚴(yán)重影響懸索橋的使用壽命。而碳纖維復(fù)材索的耐腐蝕性極強(qiáng) ,可很好地適應(yīng)高腐蝕性的海洋大氣環(huán)境，大大提高橋梁的使用壽命。

銹蝕的鋼索

（來(lái)源：http://www.cnbridge.cn/2010/0623/5235.html）

碳纖維復(fù)材雖然有許多優(yōu)良的性能，但是作為橋索材料有一重大難題——錨。碳纖維復(fù)材索的有效錨固是將其應(yīng)用為大拉力構(gòu)件的前提，而碳纖維復(fù)材的橫向性能較弱，使得碳纖維復(fù)材索的錨固比較困難。根據(jù)拉索的結(jié)構(gòu)形式可以將碳纖維復(fù)材索分為平行棒索、平行板索、絞線索和拉桿索。清華大學(xué)土木工程系馮鵬教授課題組對(duì)不同類型的錨固形式開(kāi)展了大量的研究。

不同類型的碳纖維復(fù)材索

（來(lái)源：GB/T 35156-2017, 結(jié)構(gòu)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉索[S].）

三 碳纖維平行棒索

與單根索的錨具不同，多根索的錨具應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，不同索之間的應(yīng)力均勻程度較難控制，為了研究多根索錨具的受力性能，設(shè)計(jì)并加工了一種7根CFRP索的內(nèi)錐粘結(jié)式錨具，并進(jìn)行了拉伸性能試驗(yàn)。

7根CFRP平行索的內(nèi)錐粘結(jié)式錨具拉伸試驗(yàn)得到錨固效率為42%，破壞模式為CFRP索在錨具外逐根斷裂。部分CFRP索在試驗(yàn)中發(fā)生滑移，導(dǎo)致CFRP索之間的應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象，大大降低了群錨錨具的錨固效率。所以CFRP索與粘結(jié)材料表面間的粘結(jié)性能仍是粘結(jié)式錨具錨固效率的主要控制因素。

碳纖維平行棒索及試驗(yàn)研究

四 碳纖維平行板索

相對(duì)于圓形截面復(fù)材索，方形截面的周長(zhǎng)更大，單位長(zhǎng)度錨固面積更大，更容易實(shí)現(xiàn)有效錨固。因此我們提出一種碳纖維復(fù)材平行板拉索以及曲面板錨具，并開(kāi)發(fā)出單片與多片的平行板索試件。

碳纖維平行板索及試驗(yàn)研究

研究表明，單片板試件的錨固效率可達(dá)到95%以上；與單片板試件相比，包含2至4片碳纖維復(fù)材板的平行板拉索在軸向拉伸試驗(yàn)中測(cè)得的強(qiáng)度效率顯著降低，包含2至4片平行板的試件組平均值分別為62.96%，80.84%以及72.92%；破壞模式均為錨固失效；錨固滑移剛度差異不大，整體滑移剛度相對(duì)單片板試件有所改善。多片板試件相對(duì)單片板試件在對(duì)碳纖維復(fù)材板拉伸強(qiáng)度發(fā)揮以及性能穩(wěn)定性方面有所下降，板件單元錨固承載力下降與不同板件失效過(guò)程差異是降低平行板拉索強(qiáng)度效率的主要因素。

五 索錨一體化碳纖維復(fù)材索

我們知道，想要拽住一根繩子最有效的辦法是將繩子繞在手上，而不是緊緊握住。對(duì)于碳纖維復(fù)材索，也是同樣的道理，碳纖維的橫向強(qiáng)度較弱，依靠拉索表面的摩擦力或粘結(jié)力往往不能充分發(fā)揮碳纖維的材料強(qiáng)度。

不同錨固形式及其受力特點(diǎn)

基于此原理，我們開(kāi)發(fā)出一種新型索錨一體化碳纖維復(fù)材索，拉索和錨具一體化成型，構(gòu)造簡(jiǎn)單且結(jié)構(gòu)輕盈。

索錨一體化碳纖維復(fù)材索

國(guó)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此類型碳纖維復(fù)材索也做了大量研究。圖（a）為瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)研究所（EMPA） A. Winist?rfer 等設(shè)計(jì)的碳纖維片材環(huán)狀索，每層片材的厚度為0.1mm，該拉索最大荷載為3000kN；圖（b）為柏林科技大學(xué)Mike Schlaich等設(shè)計(jì)的柔性碳纖維環(huán)狀索，該拉索最大荷載為2000kN；圖（c）為清華大學(xué)馮鵬教授課題組設(shè)計(jì)的索錨一體化碳纖維復(fù)材索。

(a) A. Winist rfer   (b) Mike Schlaich                   (c)Ai Pengcheng         

國(guó)內(nèi)外此類型碳纖維復(fù)材索 （來(lái)源于相關(guān)作者的研究）

試驗(yàn)研究表明，索錨一體化碳纖維復(fù)材索極限荷載達(dá)到1220kN，索體名義應(yīng)力達(dá)到2000MPa，索體呈爆炸式破壞，錨固效率可達(dá)到100%。

索錨一體化碳纖維復(fù)材索試驗(yàn)研究

六 萬(wàn)米大橋成為可能

直布羅陀海峽是地中海通向大西洋的唯一出口，最窄處13公里，平均深達(dá)310米；北為西班牙，南為摩洛哥，將歐、非兩洲隔開(kāi)。目前海峽兩岸每年過(guò)往旅客400萬(wàn)人，貨物1億多噸。人們長(zhǎng)期夢(mèng)想架一座橋梁，將兩個(gè)大陸聯(lián)結(jié)起來(lái)。國(guó)際著名橋梁專家美籍華裔林同炎教授在1991年提出，在歐非大陸之間14公里的直布羅陀海峽上建造跨度達(dá)5公里的懸索橋，他大膽而科學(xué)的方案得到普遍贊賞，以此內(nèi)容撰寫的論文獲得1993年國(guó)際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)(IABSE)的最高獎(jiǎng)。

直布羅陀海峽大橋方案

（來(lái)源：Lin T Y, Chow P. Gibraltar Strait Crossing–A Challenge to Bridge and Structural Engineers[J]. Structural Engineering International, 1991, 1(2): 53-58.）

“鄉(xiāng)愁是一灣淺淺的海峽，我在這頭，大陸在那頭。”余光中這首名詩(shī)，曾經(jīng)讓兩岸同胞因道路阻隔而生發(fā)無(wú)限感傷。但是，未來(lái)的一天我們也許會(huì)駕私家車輕易越過(guò)臺(tái)灣海峽。中國(guó)工程院院士林元培2007年便提出“臺(tái)灣海峽大橋全天候通道方案”，并表示“臺(tái)灣海峽大橋海上跨徑要盡可能大，上部結(jié)構(gòu)選3500米懸索橋”。

臺(tái)灣海峽大橋方案

（來(lái)源：林元培,竇文俊. 臺(tái)灣海峽大橋-全天候通道方案[A]. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)學(xué)會(huì)、福建省人民政府.經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與自主創(chuàng)新——第十二屆中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì)（第三卷）[C].中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)學(xué)會(huì)、福建省人民政府:中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)部,2010:4.）

隨著碳纖維復(fù)材索的技術(shù)不斷成熟，應(yīng)用前景也越來(lái)越廣闊，相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35156-2017《結(jié)構(gòu)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉索》已發(fā)布并開(kāi)始實(shí)施，有了碳纖維復(fù)材索，萬(wàn)米級(jí)跨海大橋離我們?cè)絹?lái)越近。

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相關(guān)論文

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[2] 烏爾斯·梅耶爾, 張攀, 馮鵬. 碳纖維復(fù)合材料拉索:為什么?為什么不?會(huì)怎么樣?[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2011(5):3-11.

[3] 張攀. 碳纖維復(fù)合材料平行束索及錨具受力性能與設(shè)計(jì)方法研究[D].清華大學(xué),2014.

[4] 黎偉捷. 碳纖維復(fù)材平行板拉索及曲面板錨具性能研究[D].清華大學(xué),2016.

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相關(guān)專利

[1] 馮鵬,艾鵬程. 用于橋梁的拉索[P]. 北京：CN106284076A,2017-01-04.