試析碳纖維復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用

孫思嘉

南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院（南京　210009）

試析碳纖維復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用

孫思嘉

南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院（南京210009）

碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)是材料研究界里程碑式的事件，作為一種高性能材料被廣泛應(yīng)用于航空航天及軍事領(lǐng)域。近幾十年，碳纖維復(fù)合材料基于其高強(qiáng)度、低質(zhì)量等優(yōu)良的材料性能而受到橋梁界的高度重視并已取得重大進(jìn)展。通過分析碳纖維復(fù)合材料的各項(xiàng)性能并結(jié)合相關(guān)實(shí)例概括性論述其在橋梁工程中的廣泛應(yīng)用及發(fā)展前景。

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）；材料性能；橋梁工程；修建；加固

我國的橋梁事業(yè)起步于五十年代，并在八十年代崛起形成迅猛發(fā)展之勢(shì)，各種結(jié)構(gòu)形式的鋼筋混凝土橋梁建成并投入通車運(yùn)行。但隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近幾年來，我國的交通事業(yè)迎來新的高峰，隨之而來的就是運(yùn)輸總量的激增以及車輛軸載的增加，這使得許多原有的橋梁無法滿足交通發(fā)展的需要而長(zhǎng)期處于超負(fù)荷工作的狀態(tài)，出現(xiàn)不程度的老化甚至損壞，極大影響了交通運(yùn)行的通暢。因此，我國橋梁界開始將視線轉(zhuǎn)向具有優(yōu)良性能的碳纖維復(fù)合材料，并借鑒日本及歐洲各起步較早國家的成功案例，在橋梁的實(shí)驗(yàn)性修建和維修加固中都取得了重大進(jìn)展。

1　碳纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)

（1）抗拉強(qiáng)度高

大量實(shí)驗(yàn)表明，碳纖維復(fù)合材料具有很高的抗拉強(qiáng)度，為普通鋼材的10倍左右，一般情況下約為1 500～1 900Mpa，高則可達(dá)2 400～3 000Mpa：在纖維延伸方向遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通鋼筋，可以與高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋相匹敵。我們都知道，在普通的鋼筋混凝土橋梁中鋼筋協(xié)助混凝土受拉，因而需要進(jìn)行大量計(jì)算來配置數(shù)量、等級(jí)合適的鋼筋來提高橋梁的整體抗拉能力。碳纖維復(fù)合材料的高抗拉強(qiáng)度性能很好的解決了橋梁在設(shè)計(jì)修建過程中對(duì)于抗拉強(qiáng)度的要求。

（2）抗疲勞性能優(yōu)良

疲勞是指材料在荷載的重復(fù)作用下超過極限承載能力而產(chǎn)生的破壞，因而對(duì)于一座橋梁而言抗疲勞性能的好壞直接關(guān)系到整體橋梁結(jié)構(gòu)的安全度。碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能比高強(qiáng)度鋼絲還要高出很多，這是由于纖維與基體的復(fù)合可以在很大程度上能夠緩和表面裂紋的開展，并且存在于纖維內(nèi)部的原有內(nèi)力具有再分配的可能性。一般情況下，碳纖維復(fù)合材料的疲勞極限是靜荷強(qiáng)度的70%～80%，并且在破壞之前有顯著的變形，方便養(yǎng)護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行修復(fù)。

（3）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特殊纖維，是人造化學(xué)纖維經(jīng)過穩(wěn)定的氧化處理、碳化處理以及石墨化處理等工藝制成。雖然不同種類的碳纖維含碳量各不相同，但一般都可以達(dá)到90%以上。碳元素位于元素周期表的中間位置，在這一段的元素均具有極其穩(wěn)定的化學(xué)性能，除非遇到強(qiáng)氧化性酸等特殊的物質(zhì)，在常溫常壓附近，基本表現(xiàn)為化學(xué)惰性，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學(xué)變化。所以，當(dāng)將碳纖維復(fù)合材料用于橋梁結(jié)構(gòu)的修建時(shí)可以極大的提高橋梁穩(wěn)定性，很好的避免了橋梁由于特殊情況下的腐蝕或氧化而造成的失穩(wěn)問題。

（4）質(zhì)量輕

碳纖維復(fù)合材料是利用碳纖維與樹脂、陶瓷、金屬、玻璃等基體制成的復(fù)合材料，密度通常為1.5～2，僅相當(dāng)于鋼材料密度的1/4，鋁合金密度的1/2，因而碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同等體積下的鋼筋混凝土。在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要考慮恒載和活載兩大部分，其中恒載對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)的影響占據(jù)較大的地位。所謂的恒載其實(shí)就是橋梁本身的自重，這直接由修建橋梁所選用的材料決定。所以，當(dāng)采用質(zhì)量很輕的碳纖維復(fù)合材料時(shí)可以很好的減輕橋梁自重對(duì)于橋梁修建的影響，同時(shí)也節(jié)約了搬運(yùn)及安裝的成本。

基于碳纖維復(fù)合材料具有抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、化學(xué)性能穩(wěn)定、抗疲勞性能優(yōu)良等一系列的優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)外已經(jīng)將其作為鋼筋的理想替代品投入到橋梁工程之中。其中日本是最早將碳纖維復(fù)合材料與混凝土相結(jié)合進(jìn)行橋梁修建的國家之一。早在九十年代初，日本便修建了一系列以碳纖維復(fù)合材料作為力筋的橋梁，并對(duì)不同類型的力筋性能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)及研究，這些研究成果均被作為此后運(yùn)用碳纖維復(fù)合材料力筋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計(jì)和施工的指導(dǎo)準(zhǔn)則。我國對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的研究起步較晚，但在近幾年來也取得了許多突破性的進(jìn)展。2012年，運(yùn)用碳纖維復(fù)合材料制成的防撞設(shè)施運(yùn)用于新孟滆大橋上就是一個(gè)成功的案例。新型的防撞設(shè)施質(zhì)量輕強(qiáng)度高，具有很好的緩沖效果，并且在此后的使用過程中可以免維護(hù)，并且維修更換也十分簡(jiǎn)便，克服了傳統(tǒng)利用鋼材和橡膠材料的局限性，具有極強(qiáng)的借鑒意思和應(yīng)用前景。

2　碳纖維復(fù)合材料在橋梁加固中的應(yīng)用

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，客貨交通運(yùn)輸總量逐年攀升，在修建更多新橋梁的同時(shí)，對(duì)于原有橋梁的維修加固同樣是一個(gè)不容忽視的問題。

橋梁的加固不同于修建一座新的橋梁。首先，對(duì)于橋梁的加固是在已有橋梁的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，因而結(jié)構(gòu)形式存在限制；一般情況下，所需要加固的橋梁仍需承擔(dān)一定量的交通運(yùn)輸，不能因?yàn)榧庸潭耆忾]；于此同時(shí)加固后的橋梁與原有橋梁的新老結(jié)合問題也是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)，必須做到兩者能夠和諧過渡。基于上述各項(xiàng)原因，原有的橋梁加固方法由于施工程序復(fù)雜，所需材料繁重等弊端急需尋求突破，而碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)和運(yùn)用就在很大程度上彌補(bǔ)了原有加固方式的缺陷而具有廣闊的發(fā)展前景。

2.1碳纖維復(fù)合材料用于橋梁加固的原理

在前文中對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的性能的論述可以看到其具有及其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，可以耐酸，耐堿，耐高溫等，因而將其包裹在原有結(jié)構(gòu)的表面時(shí)可以起到很好的保護(hù)加固作用；（1）在以往的學(xué)習(xí)中了解到鋼筋和混凝土之所以可以有效的結(jié)合在一起發(fā)揮作用是由于兩者之間有著十分接近的線膨脹系數(shù)，而碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)較鋼筋混凝土要低很多，當(dāng)溫度升高或降低時(shí)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力僅僅是其極限承載力的1%左右，完全可以忽略不計(jì)；（2）原有鋼筋與混凝土之間有著良好的握裹性，這就使得兩者在受力后可以共同變形，然而碳纖維復(fù)合材料則需借助粘結(jié)材料與混凝土結(jié)合。在已有的案例中我們通常的做法是使用粘結(jié)樹脂作為膠結(jié)劑涂在混凝土表面，加強(qiáng)混凝土強(qiáng)度，使之與碳纖維密切結(jié)合從而形成穩(wěn)固的整體；（3）配置在混凝土中的鋼筋很大程度上就是協(xié)助混凝土受拉，改善混凝土抗拉強(qiáng)度低的特性。碳纖維復(fù)合材料雖然具有遠(yuǎn)高于鋼筋的抗拉強(qiáng)度但是彈性模量與鋼筋相差并不大，所以當(dāng)用碳纖維復(fù)合材料代替鋼筋用于混凝土中加固時(shí)并不會(huì)搭配不當(dāng)?shù)膯栴}。

2.2碳纖維復(fù)合材料在橋梁加固中采用的方法

粘貼碳纖維復(fù)合材料板加固法：碳纖維復(fù)合材料是一種柔性材料，施工時(shí)可以直接在現(xiàn)場(chǎng)用剪刀裁剪出加固時(shí)所需的形狀和尺寸而不需要提前在工廠進(jìn)行預(yù)制并搬運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，有著較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因而對(duì)構(gòu)件不同的外形都有著極強(qiáng)的適應(yīng)能力，并且碳纖維復(fù)合材料的重量很輕，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工基本都是手工操作十分有利，不需要大型設(shè)備和施工工具，在較小的空間就可以進(jìn)行施工，施工速度快工期短，粘貼質(zhì)量也可以得到保證。此方法最早是在1991年用于瑞士伊巴赫橋的加固。在加固之前，瑞士的工程師們也進(jìn)行了有關(guān)方案的比選。通過分析，雖然碳纖維復(fù)合材料的初期成本很高，但若采用傳統(tǒng)的鋼材進(jìn)行加強(qiáng)，需要175Kg，并且運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工搬運(yùn)都極其不方便，然而碳纖維復(fù)合材料僅僅需要6.9Kg，并且在一座橋梁的加固過程中材料費(fèi)用僅占到總體費(fèi)用的20%左右，其余的80%則是運(yùn)輸以及工人的工費(fèi)，所以綜合比較下來，利用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行橋梁的加固就具有很大的優(yōu)勢(shì)。

隨著利用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行橋梁加固技術(shù)的不斷成熟，我國也開始逐漸將重心轉(zhuǎn)移到對(duì)于新型材料的使用上。其中比較典型的就是利用碳纖維復(fù)合材料對(duì)哈爾濱原南直舊橋進(jìn)行加固。在加固之前南直橋已有十年的使用時(shí)間，T形梁橫截面多處已出現(xiàn)裂縫。為滿足規(guī)范中對(duì)于抗震性的要求，對(duì)T形梁構(gòu)件進(jìn)行可靠性評(píng)估，其結(jié)果表明T梁的承載力不滿足抗震要求，并且翼緣板和腹板上的大部分裂縫的寬度都超過了規(guī)范的容許范圍。因此，綜合考慮耐久性、安全性、適用性，最后決定對(duì)T梁進(jìn)行加固。進(jìn)行加固之前，專家組對(duì)于多種方案都進(jìn)行了比選，最后確定采用將碳纖維材料粘貼在T形腹板底部進(jìn)行加固。此次的加固施工僅僅用時(shí)15天，這也證明了使用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行橋梁加固施工可以節(jié)約大量的施工時(shí)間并且在整個(gè)施工過程中不需要使用任何大型機(jī)具，只需較少的人力即可完成操作，與粘貼鋼板相比，施工質(zhì)量更易于保證，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

3　碳纖維復(fù)合材料有待解決的問題

（1）目前我國所使用的碳纖維復(fù)合材料大多是依賴于進(jìn)口，這樣不僅大大增加了工程成本也在一定程度上阻礙了此種新型材料的推廣進(jìn)程。并且國外生產(chǎn)的大多是幾種定型成熟的碳纖維材料產(chǎn)品，有時(shí)并不能完全滿足國內(nèi)市場(chǎng)的特定需求。因此，國內(nèi)相關(guān)的材料研究與開發(fā)部門應(yīng)就生產(chǎn)出一款適合我國使用的碳纖維復(fù)合材料做出更多的努力。

（2）利用粘貼碳纖維復(fù)合材料板進(jìn)行橋梁加固時(shí)的核心問題在于粘貼施工工藝。其中包括被加固梁的長(zhǎng)期性能是否受到影響，以及碳纖維復(fù)合材料板在與粘貼劑完成固化后，其老化性能和耐久性能的發(fā)展趨勢(shì)。與此同時(shí)膠粘劑本身隨著時(shí)間的推移也會(huì)產(chǎn)生徐變收縮的現(xiàn)象，這對(duì)與橋梁自身的性能必然會(huì)產(chǎn)生影響。

（3）碳纖維復(fù)合材料在粘貼過程中的橫向連接錨固方式的設(shè)計(jì)一直是一項(xiàng)難題。未來仍需研究出高效、方便、經(jīng)濟(jì)可靠的連接方式。

（4）由于碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度很大，這原本是一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，但是這可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在發(fā)生破壞時(shí)，碳纖維復(fù)合材料制成的加筋尚未屈服但混凝土已經(jīng)壓碎的脆性破壞。因此，在進(jìn)行橋梁修建及加固的過程中碳纖維復(fù)合材料和混凝土的混合比例大小仍需進(jìn)一步的研究討論。

4　結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料作為一種全新的材料自問世以來就憑借其優(yōu)良的性能而受到廣泛的關(guān)注。不論是在航空航天等尖端領(lǐng)域還是在橋梁工程中都發(fā)揮著不可替代的作用。雖然碳纖維復(fù)合材料自身還是存在一些缺陷有待進(jìn)一步的研究與探索改良措施，但這些都不能成為阻礙其發(fā)展的絆腳石。未來碳纖維復(fù)合材料依舊具有無比廣闊的發(fā)展與應(yīng)用空間。

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（責(zé)任編輯：文婷）

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1003-3319（2016）03-00009-03

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