碳纤维复合材料（CFRP）的应用（XIII）——桥梁篇
近年来，新材料一直是桥梁创新的重点。在德国斯图加特，新建造了一座供轻轨通行的拱桥-施塔特伯恩桥（如图1、2所示），采用的是日本帝人公司生产的碳纤维TenaxTM生产的碳纤维复合材料（CFRP）。拱桥上部结构全长130米，主跨80米，拱高8.5米，两拱肋间距最窄处8.5米宽，最宽处达11.7米，桥梁总占地面积1424平方米。与传统桥梁相比，CFRP系杆拱桥是一种极具创新性和高效的结构体系。这种结构体系，不仅体现了裸露结构的独特设计美感和结构力学性能，更兼具耐久性、安全性和可持续性，同时还减少了施工对交通的中断、降低了成本预算。是世界上第一座所用的缆索均采用碳纤维复合材料（CFRP）的桥梁。在斯图加特近郊的A8高速公路上架设的这座施塔特伯恩桥全长127米，通过使用比强度高的CFRP缆索，无支柱横跨在8车道的高速公路上方。如图3所示，该拱桥的72根CFRP制电缆使用了帝人公司碳纤维TenaxTM，与钢铁制的缆索相比，截面面积仅为1/4，却具有同等的强度，实现了低成本化。在安装结构时，CFRP吊杆几乎没有受到任何环境的影响。由于吊杆的重量很轻，所以不需要起重设备。一或两个工人就可以很容易地用手将吊杆搬运到现场。与钢吊杆相比，不需要焊接。吊杆仅用螺栓固定即可。在使用阶段，CFRP可以发挥极好的耐腐蚀性和抗疲劳性能。与使用钢铁制电缆时相比，CO?排放量为1/3，能源消耗量为1/2。在斯图加特的网状斜吊杆系杆拱桥案例中，CFRP吊杆首次在基于初始成本的竞争中战胜了钢材。CFRP与这种类型的桥梁所需的特定材料特性最为匹配。这使得未来网状斜吊杆系杆拱桥的跨度大大扩展到300米以上。这是第一座完全依靠CFRP吊杆的大型桥梁（图4），将为CFRP在后续结构上的应用建立更多和更广泛的认可。帝人公司以这次的实际应用为契机，在推进面向碳纤维在建筑领域的应用的同时，提供面向可持续发展社会的解决方案。帝人株式会社 コーポレートコミュニケーション部社内，2021
碳纤维复合材料（CFRP）的应用（XIIII）——缆绳篇作为碳纤维复合材料缆绳（CFCC）材料的PAN基碳纤维在湿法纺丝时成为12000根束，在碳化工序中成为直径7μm的长丝，然后经过浸渍树脂，成为纤维束（预浸料）。选择浸渍的树脂根据CFCC所需的耐热等级。另外，通过选择浸渍的树脂和碳纤维的重量比率，可以最大限度地满足作为缆绳的剪切强度。将多根预浸料捻合在一起，在其周围施加特殊被覆，制成一条线状体，将该线型体看作钢丝，再进行捻合，最后进行固化处理。
如表1所示CFCC标准规格的一个例子，也可生产绞线类型1×19.1×37的缆绳，这种情况下，缆绳的直径约为20mm~40mm，剪切载荷约为30t～100t，生产的最大长度为600m。为了更好的了解CFCC的特性，这里以CFCC1×7- 12.5mm和PC钢绞线1×7-12.4mm作比较，其特性如表2所示。CFCC的应变曲线直到其断裂为止是线性的，可以说是完全弹性的。因此，CFCC的剪切强度小于PC钢胶丝，但显示弹性模量的上限值几乎相同。按碳纤维的横截面面积计算，拉伸强度为334kgf/mm2，相当于作为原材料的碳纤维的拉伸强度360kgf/mm2的90%以上，弹性模量为21900kgf/mm2，与PC钢绞线相当，充分发挥了原材料的优势。表1 CFCC规格例
表2 CFCC1X7-12.5和PC钢绞线1X7-12.4的特性比较
括号内是根据碳纤维+树脂的截面积计算得出
（注）#1: 130°C X 60% Pu X1,000小时
#2: 20°C X 80% Pu X10小时
#3: 60°C X 80% Pu X16小时
CFCC的单位重量为164g/m，是PC钢胶丝的单位重量729g/m的1/5。作为缆绳的弯曲刚度，CFCC为5800kgf/cm2，PC钢胶丝为21000gf/cm2，CFCC的弯曲容易度约为PC钢胶丝的1/4，更易于现场使用。施加剪切载荷60%的负荷，在130℃的环境中保持1000小时，CFCC的蠕变为0.04%，小于PC钢胶丝的0.07%。而且，分别在20°CX10小时和60°CX16小时的环境下，施加剪切强度80%的负荷，CFCC的应力松弛均小于PC钢绞线的。CFCC的热膨胀系数也比PC钢绞线的小。通过分析可知CFCC的热特性比PC钢绞线好。埋入混凝土中再拔出时的附着强度，CFCC为73.7kgf/cm2，远远大于PC钢绞线的29.1kgf/cm2，在实际应用中，CFCC的另一个优势是防腐性好，适用于各种恶劣的环境。
碳纤维复合材料缆绳（CFCC）是充分利用碳纤维特性的产品。由于是单向增强复合材料，非常适合应用于支撑索（张紧梁）等，其应用场景可以是混凝土加固，木材加固，桥梁和ACSR和游艇支撑索等。随着碳纤维成本的逐渐降低，期待其广泛的用途和市场。
白島信令，炭素繊維複合材 ケーブル，新技術情報，2021
