橋梁結構用CFRP筋研究現狀與未來展望

李登華呂春祥杜素軍楊禹舒興旺崔東霞林浩

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

橋梁結構用CFRP筋研究現狀與未來展望

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

近年來，碳纖維增強復合材料（CFRP）作為新一代高性能結構材料在交通領域獲得了長足的發展。文章就此綜述了國內外針對CFRP作為橋梁等建筑結構預應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，并對當前產業發展中存在的問題和未來發展趨勢進行了分析。

碳纖維增強復合材料 預應力筋 斜拉索

在現代橋梁技術中，預應力橋梁因其優越的結構性能、跨越能力及良好的經濟性能在公路、鐵路橋梁建設領域得到大規模應用，是我國中等以上跨徑橋梁的主要結構形式［1］。與普通混凝土橋梁相比，預應力橋梁雖然能夠較好地抑制混凝土裂縫的產生，但受材料特性所限，混凝土裂縫依然是預應力橋梁普遍存在的問題，它的存在會使腐蝕介質進入混凝土結構內部，引起預應力鋼筋腐蝕，從而導致預應力結構受損或失效，進而影響預應力橋梁的耐久性［2］。因鋼筋腐蝕而導致預應力橋梁耐久性破壞的事件在世界范圍內越來越多，如廣西柳州市壺西大橋發生了因預應力鋼筋腐蝕疲勞失效而導致人行道墜落事故；英國南威爾士Ynysy-Gwas的一座節段拼裝式混凝土橋梁因預應力鋼索灌裝不飽滿而受到氯鹽腐蝕破壞并最終發生結構垮塌事故。全球因鋼筋腐蝕造成的直接和間接經濟損失巨大，不容忽視［3］。為解決預應力鋼筋的腐蝕問題，保證結構耐久性，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、鋼筋表面設置鋅基鍍層和環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雜性，且無法從根本上解決預應力鋼筋的銹蝕問題。鑒于現有的腐蝕控制辦法未能從根本上解決預應力鋼筋的銹蝕問題，開發一種強度高、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性能，其類石墨結構也賦予了碳纖維優異的耐腐蝕性能。利用碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic， CFRP）增強水泥，不僅可以提高材料整體的力學性能，還可以有效地解決其使用壽命的問題，實現橋梁結構的全生命周期設計。以CFRP增強的絞線和棒材用作橋梁的預應力筋和體外筋在日本、歐美等國家已經得到廣泛的使用［4］。應用實例表明，CFRP具有多項優良性能，是鋼結構預應力筋的潛在替代選項，在建筑橋梁上具有廣闊的應用前景。在過去的幾年，我國也針對碳纖維這類新材料在交通領域的推廣應用做了戰略布局，其中高性能復合材料是“十二五”規劃在材料領域重點支持的研究方向之一，“‘十三五’交通運輸發展規劃”也把復合材料列為橋梁領域中橋梁材料的研究對象之一。有鑒于此，本文對當前CFRP在橋梁結構中的應用基礎研究及工程示范探索做了梳理，并對這種新材料的未來發展進行了展望。

1　國外CFRP筋應用研究及工程化現狀

表1　國外商業CFRP筋的基本力學特性

表2　國外CFRP筋及錨索典型應用案例

在CFRP科學研究領域，國外的企業和研究機構進行了大量的探索。其中日本科學家立足于其高性能碳纖維的技術優勢，最早開始將碳纖維應用到橋梁工程中，陸續實現了一批預應力筋用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，在此基礎上針對CFRP筋在具體的酸堿環境、強紫外線環境、濕熱環境（海洋與內陸環境等）、高溫環境、動態環境、凍融作用下的變化規律及適用性進行了評估，奠定了這類新材料的應用理論基礎［4-8］。與此同時，歐美等國家也陸續把目光投入到這類新材料的研究與開發。Sayed-Ahmed等人針對CFRP筋的設計、性能及施工等方面進行了系統的研究，對熱載荷及常規載荷下CFRP筋的預應力損失及其力學性能變化規律進行了總結和探討，證實了這類材料應用于橋梁結構的可行性［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和預緊力對錨具錨固能力的影響。美國科學家發現在混凝土中加入碳纖維后其電阻會隨外加應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力探測功能［10］。此外，陸續有專家針對碳筋的錨固、施工問題提出見解和設計方案，為碳纖維預應力筋走向工程試用奠定了基礎。

表3　國內主要CFRP筋品牌情況

表4　國內針對CFRP應用于橋梁領域的研究進展情況

科學研究的深入也有力帶動了CFRP筋的產業化，以日本和歐美國家為代表的高性能CFRP筋材陸續面市（如表1所示），采用CFRP替代鋼結構作為預應力筋應用于橋梁領域的著名工程也已屢見不鮮。日本于70年代開始研究CFRP，其制造及應用相關技術處于世界領先水平。其研究領域涵蓋了CFRP筋、板及網格產品的研制，CFRP應用于混凝土構件、地下工程中的設計方法和試驗方法等［6，7］。此外，針對CFRP材料在基礎設施建設中的應用，日本工業界制定了大量的規程、指南，主要有《FRP加固混凝土結構設計指南》、《使用連續纖維補強材料的混凝土結構設計、施工指南》、《連續纖維補強材料的質量規范》、《連續纖維補強材料的試驗方法》等［11］。當前針對不同類型的CFRP預應力筋性能試驗及研究以及所需錨固系統都已完成。為了探測采用CFRP預應力筋的混凝土構件的承載力和耐久性，做了靜載及疲勞試驗。在此基礎上，日本應用CFRP材料作為預應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應力混凝土橋梁，瑞士Storchen的斜拉橋等均采用了CFRP筋的結構設計［12］。歐美國家還相繼成立了相應的專業委員會指導相關研究工作，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筋及錨索典型應用案例。

2　國內CFRP筋應用技術現狀

我國對CFRP的研究較早，但是由于種種原因CFRP在橋梁等基礎設施中的應用基礎研究進展相對緩慢，具有較大影響力的工程化示范項目較少，工程實踐經驗相對匱乏。在CFRP筋制備技術與性能方面，國外早期工程應用多是10 mm以上的大尺寸筋材，國內科學研究則傾向于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，國外規范中更注重于對力學性能的嚴格控制［21］。從經驗來看，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力傳遞到中心處會發生剪力滯后現象，過大的橫向剪切荷載將破壞環氧樹脂的粘接力，導致各根纖維絲的連鎖失效［17］。因此建議廠家在生產碳筋時應以較小直徑為主，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，當前國內具備CFRP筋生產能力的廠家約有3~5家，基本能滿足小規模的鋼筋替代。各廠家產品質量和產能水平參差不齊，但技術細節和綜合水平與國外產品仍存在較大的差距，尚未形成具有國際影響力的產品品牌。筋材產業化不足的原因是多方面的，與早期我國碳纖維生產技術及產能的不足有很大關聯，一定程度上也制約了CFRP筋向交通建筑領域的大規模推廣。

在施工配套條件方面，研究人員把主要精力放在CFRP筋專用錨具的技術開發上，如武漢理工大學的呂國玉研究了碳纖維增強塑料預應力筋錨具的設計問題，對鋼筋楔緊型錨具進行了受力分析，設計出直徑8mm碳筋的不銹鋼錨具和混凝土錨具［22］；廣西工學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預應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、預緊力對錨具錨固性能的影響［23］。表4列出了國內主要研究單位的科研進展情況。

CFRP筋示范工程方面，國內的進展較慢。如表5所示，見諸報道的江蘇大學人行橋是CFRP筋應用的第一次嘗試，橋的斜拉索采用日本三菱公司生產的直徑為8 mm的Leadline變形棒材制作。根據受力要求，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筋作為錨桿通過構筑高性能巖錨體系以提高巖錨體系的耐久性［55］?？偠灾?，目前國內針對這一領域研究的項目還是比較基本的，研究內容較窄，研究數量也不多，且存在著低水平的重復現象。對比國外同行業的研究積累與工程化示范項目，國內在這一領域的研究水平和工程化化水平都亟待提高。

表5　國內CFRP筋及錨索典型應用案例

3　亟待解決的問題

當前國內CFRP筋研究與工程化進展慢于國外，其原因是多方面的。其中，筆者認為如下幾點是當前產業發展的當務之急：

（1）加快實現CFRP的性能穩定化和產品升級。目前CFRP材料生產及錨固系統制造主要依賴于國外，主要原因是當前國內CFRP筋的生產技術和質量均難以充分滿足高性能橋梁設計的要求。隨著CFRP材料在交通建設和養護工程中越來越多的應用，這塊市場將非常廣闊，高性能、多層次的材料研發必須走在首要位置，因此國內有關機構和企業應加強對相關產品的研發和生產。

（2）夯實CFRP橋梁的設計基礎。盡管CFRP筋較現有鋼筋和鋼絞線具有一些獨特的優勢，將其作為鋼筋替代進行橋梁結構的設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上CFRP應用于橋梁結構的設計理論亟待成熟。為此，相關科研和工程技術人員應繼續深入研究CFRP橋梁的設計理論，形成系統的設計規范和方法。對試驗橋梁進行運營階段的長期監控，豐富基礎設計數據。

（3）做好配套條件與施工技術的系統研發。CFRP筋有其獨特的結構特征，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、結構連接、錨固、施工工藝等關鍵問題需逐項解決。為此，應繼續深入研究CFRP筋的錨固問題，開發簡單有效的新型錨具，完善施工工藝。實現CFRP筋的現場下料，為CFRP橋梁的進一步發展奠定基礎。

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

4　未來發展趨勢分析

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

首先，隨著預應力混凝土結構的不斷發展，預應力結構在使用環境的長期作用下的失效現象越來越突出，其耐久性問題日益嚴峻。文獻資料表明，鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土結構的過早破壞已成為世界各國普遍關注的一大災害。美國標準局1975年的調查表明，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，就出現大面積因鋼筋腐蝕引起的混凝土開裂、剝蝕。我國早期建設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重。長期以來，形成了混凝土結構在復雜環境下的“未老先衰”現象，耐久性嚴重受損，需要后期不斷的維護與加固，帶來巨大的經濟損失。鑒于現有的腐蝕控制和修復加固辦法未能從根本上解決預應力鋼筋的銹蝕問題，開發一種強度高、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筋作為預應力橋梁的關鍵結構單元，也必將有助于解決橋梁結構因鋼筋銹蝕與應力腐蝕等帶來的嚴重問題，緩解因維修加固帶來的經濟問題。另一方面還將為目前國產中高端碳纖維材料開辟廣闊的下游市場，帶來碳纖維國產市場新的發展契機。

其次，《國家中長期科學與技術發展規范綱要（2006-2020年）》規劃的重點領域及其優先主題第31項：基礎原材料強調“重點研究開發滿足國民經濟基礎產業發展需求的高性能復合材料及大型、超大型復合結構部件的制備技術，高性能工程塑料，輕質高強金屬和無機非金屬結構材料”。CFRP其作為一種新型的復合材料，與現有鋼筋相比，具有質輕、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勢之處。未來在我國經濟穩定發展的保證下，隨著《中長期鐵路網規劃（2008年調整）》、《國家高速公路網規劃》等鐵路、公路規劃的逐步推進和各地道路建設計劃的實施，以及城市化帶來的城市立體交通網的規?；ㄔO，我國的橋梁建設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芷诮洕砸笕找嫣岣叩慕裉?，CFRP材料在橋梁工程中的應用日益廣泛，其優勢也越來越被社會認可，發展前景將更加廣闊。

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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，工學博士，工程師，主要從事纖維復合材料在交通領域的應用基礎研究。