碳纤维复合材料在桥梁拉索上的五大应用优势

人们最初用天然木材、石材建造桥梁，后慢慢发展到用混凝土、钢材及特种人造材料，材料的不断进步推动了桥梁工程的不断发展。近年来，除了致力于如何提高混凝土与钢材的性能外，还探索如何将纤维材料、智能材料、纳米材料等复合材料应用到桥梁工程中，提高桥梁的安全性和使用性。尤其是，高强钢丝受拉性能的充分利用，斜拉桥和悬索桥不断刷新桥梁的记录。

悬索桥和斜拉桥是目前国际上大跨径桥梁采用的主要桥型，在目前世界上跨度前十的桥梁中，悬索桥占8座，斜拉桥2座。桥索是悬索桥和斜拉桥的核心组成部分。桥索的性能已成为桥梁设计、施工、使用寿命和安全性能等方面决定性因素。

桥梁拉索和吊索发生破坏的主要原因也是锈蚀，这对材料的抗疲劳和抗腐蚀能力要求较高。而碳纤维材料具有优良的耐腐蚀、抗疲劳性、强度、弹性模量等，故有学者尝试将碳纤维增强材料作为制作斜拉索和吊索的材料。

例如，建于1996年瑞士著名的Winterthern Storchenbrucke桥中的斜拉索就部分采用了碳纤维复合材料。该桥使用了2根由碳纤维复合材料制成的斜拉索，每根拉索又是由241根5mm的碳纤维复合材料筋束组成。

碳纤维拉索（CFCC）和增强筋目前还处于开发阶段，正在不断地应用到桥梁工程中，特别是碳纤维拉索，在解决斜拉桥/悬索桥的跨度、寿命、抗风雨振动方面，表现出了巨大的潜力。随着科技的不断进步，碳纤维复合材料性能的不断提高及成本的下降，其应用在拉索和吊索中的比例将不断提高。

迄今为止，桥梁工程中使用的揽索还普遍由高强度钢制造，而新型的CFRP也逐步应用到桥梁工程中，对于传统钢索，CFCC的优势在于：

一、徐变小和松弛率低。试验表明，当将CFRP筋应力水平维持在其强度的60%左右时，1000h后的徐变几乎为零，应力松弛不到1%；德国DSI公司用于DYW1CARB体系的CFRP筋经试验得到，1000h后的松弛率0.8%，3000h后的徐变为0.01%。

二、良好的抗疲劳能力、抗腐蚀能力。桥梁的拉索，通常要受到风载和桥面上的动载荷作用，抗疲劳能力决定了桥梁长期的稳定性。纤维复合材料的抗疲劳能力，取决于其破坏形式，即从薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，而这时纤维与基体的结合界面将阻止裂纹扩展，碳纤维在这方面的性能尤为突出。已有试验证明，19根单丝的CFCC在2×106次循环荷载未发生破坏，其疲劳强度约为相同条件下钢索的4倍。

钢材一般不耐酸，尤其是含有氯离子的酸，即使含铝不锈钢在这种介质中，也会很快被腐蚀。但CRFP在含氯离子的酸性介质中能长期使用。耐碱碳纤维制成的复合材料，还能在强碱介质中使用。CRFP的无磁性能和良好的防腐性能，甚至使对结构采取的防锈蚀措施不再必需，进而使维修工作变得轻松。

作为悬索桥的“生命线”，钢索因耐腐蚀性差而严重影响悬索桥的使用寿命。而碳纤维复材索的耐腐蚀性极强 ,可很好地适应高腐蚀性的海洋大气环境，大大提高桥梁的使用寿命。

三、热膨胀系数小。现代斜拉桥多采用悬臂施工的方法，施工工程中由于温差（主要为日照温差）引起结构的内力和变形，给施工的连续性带来较大的影响；同时，在运营阶段，因温差所导致的内力和变形一样存在。用CFCC代替传统钢索可以基本消除拉索变形引起的内力和变形，因为CFCC的热膨胀系数很低，仅为钢拉索的1/12左右或更低。

四、提高桥梁有效承载力和抗风雨振动性能。得益于CFRP较高的比强度和比模量，作为悬索桥主缆时，采用CFRP材料做超大跨径悬索桥主缆将大幅降低主缆应力中的主缆自重应力所占百分比，提高活载应力所占百分比，从而提高材料的利用率，结构的竖弯基频、横弯基频及扭转基频也随之大幅提高。作为斜拉桥拉索时，CFCC能降低工作时共振造成的早期破坏的可能性。此外，碳纤维和基体界面还有吸振能力强、振动阻尼大的特点。

五、实现更大跨度。重大工程结构中85%以上是自重，巨大重量意味着结构的高负荷、高地震响应和高成本。目前桥索都采用钢丝制成，由于钢的材料特性，钢索比重大，这将限制钢索体系桥梁的极限跨径和承载效率。

碳纤维复材的容重仅为钢材的1/5，与钢索相比，采用碳纤维复材索能够提高悬索结构的极限跨度，研究表明，钢索的极限跨度为7.7km，碳纤维复材索为37.5km。因此，桥梁可以实现更大跨度。

2005年，东南大学吕志涛院士等主持设计和修建了国内第一座碳纤维复材索斜拉桥，采用独塔双索面的布置，主梁和桥塔为钢筋混凝土结构，拉索全部采用碳纤维复材索。

2012年3月建成通车矮寨特大悬索桥是位于重庆到长沙的一座大桥，这座大桥与谷底相差335m，主桥跨度长达1176m。大桥结构为了应付受力荷载问题，采用了碳纤维材料的拉索。

去年12月10日，聊城市兴华路跨徒骇河大桥桥梁主体施工已全面完成，这是国内首座应用碳纤维材料斜拉索的千吨级车行桥，创造了国内外材料和土木工程领域的多项第一。所有的力量全部依靠斜拉索传递到基础上，斜拉索安装完成，标志着项目的桥梁主体已经全部完成，具备通车条件，预计今年5月提前通车。