【復材資訊】橋樑應用碳纖維複合材料拉索的原因

人們最初用天然木材、石材建造橋樑，後慢慢發展到用混凝土、鋼材及特種人造材料，材料的不斷進步推動了橋樑工程的不斷髮展。近年來，除了致力於如何提高混凝土與鋼材的效能外，將纖維材料、智慧材料、奈米材料等複合材料如何應用到橋樑工程中，提高橋樑的安全性和使用性。尤其是，高強鋼絲受拉效能的充分利用，斜拉橋和懸索橋不斷重新整理橋樑的記錄。

懸索橋和斜拉橋是目前國際上大跨徑橋樑採用的主要橋型，在目前世界上跨度前十的橋樑中，懸索橋佔8座，斜拉橋2座。橋索是懸索橋和斜拉橋的核心組成部分。橋索的效能已成為橋樑設計、施工、使用壽命和安全效能等方面決定性因素。

橋樑拉索和吊索發生破壞的主要原因也是鏽蝕，這對材料的抗疲勞和抗腐蝕能力要求較高。而碳纖維材料具有優良的耐腐蝕、抗疲勞性、強度、彈性模量等，故有學者嘗試將碳纖維增強作為製作斜拉索和吊索的材料。

例如，建於1996年的Winterthern Storchenbrucke橋中的斜拉索就部分採用了碳纖維複合材料。該橋使用了2根由碳纖維複合材料製成的斜拉索，每根拉索又是由241根5mm的碳纖維複合材料筋束組成。

碳纖維拉索（CFCC）和增強筋目前還處於開發階段，正在不斷地應用到橋樑工程中，特別是碳纖維拉索，在解決斜拉橋/懸索橋的跨度、壽命、抗風雨振動方面，表現出了巨大的潛力。隨著科技的不斷進步，碳纖維複合材料效能的不斷提高及成本的下降，其應用在拉索和吊索中的比例將不斷提高。

迄今為止，橋樑工程中使用的攬索還普遍由高強度鋼製造，而新型的CFRP也逐步應用到橋樑工程中，對於傳統鋼索，CFCC的優勢在於：

一、徐變小和鬆弛率低。CFCC具有徐變小，鬆弛率低的效能。試驗表明，當將CFRP筋應力水平維持在其強度的60%左右時，1000h後的徐變幾乎為零，應力鬆弛不到1%；德國DSI公司用於DYW1CARB體系的CFRP筋經試驗得到，1000h後的鬆弛率0。8%，3000h後的徐變為0。01%。

二、良好的抗疲勞能力、抗腐蝕能力。橋樑的拉索，通常要受到風載和橋面上的動載荷作用，抗疲勞能力決定了橋樑長期的穩定行。纖維複合材料的抗疲勞能力，取決於其破壞形式，即從薄弱環節開始，逐漸擴充套件到結合面上，而這時纖維與基體的結合介面將阻止裂紋擴充套件，碳纖維在這方面的效能尤為突出。已有試驗證明，19根單絲的CFCC在2×10^6次迴圈荷載未發生破壞，其疲勞強度約為相同條件下鋼索的4倍。

鋼材一般不耐酸，尤其是含有氯離子的酸，即使含鋁不鏽鋼在這種介質中，也會很快被腐蝕。但CRFP在含氯離子的酸性介質中能長期使用。耐鹼碳纖維製成的複合材料，還能在強鹼介質中使用。CRFP的無磁效能和良好的防腐效能，甚至使對結構採取的防鏽蝕措施不再必需，進而使維修工作變得輕鬆。

作為懸索橋的“生命線”，鋼索因耐腐蝕性差而嚴重影響懸索橋的使用壽命。而碳纖維復材索的耐腐蝕性極強 ，可很好地適應高腐蝕性的海洋大氣環境，大大提高橋樑的使用壽命。

三、熱膨脹係數小。現代斜拉橋多采用懸臂施工的方法，施工工程中由於溫差（主要為日照溫差）引起結構的內力和變形，給施工的連續性帶來較大的影響；同時，在運營階段，因溫差所導致的內力和變形一樣存在。用CFCC代替傳統鋼索可以基本消除拉索變形引起的內力和變形，因為CFCC的熱膨脹係數很低，僅為鋼拉索的l/12左右或更低。

四、提高橋樑有效承載力和抗風雨振動效能。得益於CFRP較高的比強度和比模量，作為懸索橋主纜時，採用CFRP材料做超大跨徑懸索橋主纜將大幅降低主纜應力中的主纜自重應力所佔百分比，提高活載應力所佔百分比，從而提高材料的利用率，結構的豎彎基頻、橫彎基頻及扭轉基頻也隨之大幅提高。

作為斜拉橋拉索時，CFCC能降低工作時共振造成的早期破壞的可能性。此外，碳纖維和基體介面還有吸振能力強、振動阻尼大的特點。例如，用同尺寸梁作相同試驗，輕金屬合金梁歷9s停止振動，面碳纖維樹脂複合材料梁僅2。5s即停止振動。從面CFCC具有更好的抗風雨振動效能。

五、實現更大跨度。重大工程結構中85%以上是自重，巨大重量意味著結構的高負荷、高地震響應和高成本。目前橋索都採用鋼絲製成，由於鋼的材料特性，鋼索比重大，這將限制鋼索體系橋樑的極限跨徑和承載效率。

碳纖維復材的容重僅為鋼材的1/5，與鋼索相比，採用碳纖維復材索能夠提高懸索結構的極限跨度，研究表明，鋼索的極限跨度為7。7km，碳纖維復材索為 37。 5km。因此，橋樑可以實現更大跨度。

文章來源：建材網

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