桥梁结构用CFRP筋研究现状与未来展望
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【摘 要】近年来，碳纤维增强复合材料（CFRP）作为新一代高性能结构材料在交通领域获得了长足的发展。文章就此综述了国内外针对CFRP作为桥梁等建筑结构预应力筋和斜拉索等的研究和工程化情况。探讨了近年来新建cfrp梁桥和CFRP缆索承重桥梁取得的新进展，并对当前产业发展中存在的问题和未来发展趋势进行了分析。
【关键词】碳纤维增强复合材料 预应力筋 斜拉索
【Abstract】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.
【Key words】CFRP； Prestressed tendons； Tayed-cable
在现代桥梁技术中，预应力桥梁因其优越的结构性能、跨越能力及良好的经济性能在公路、铁路桥梁建设领域得到大规模应用，是我国中等以上跨径桥梁的主要结构形式[1]。与普通混凝土桥梁相比，预应力桥梁虽然能够较好地抑制混凝土裂缝的产生，但受材料特性所限，混凝土裂缝依然是预应力桥梁普遍存在的问题，它的存在会使腐蚀介质进入混凝土结构内部，引起预应力钢筋腐蚀，从而导致预应力结构受损或失效，进而影响预应力桥梁的耐久性[2]。因钢筋腐蚀而导致预应力桥梁耐久性破坏的事件在世界范围内越来越多，如广西柳州市壶西大桥发生了因预应力钢筋腐蚀疲劳失效而导致人行道坠落事故；英国南威尔士Ynysy-Gwas的一座节段拼装式混凝土桥梁因预应力钢索灌b不饱满而受到氯盐腐蚀破坏并最终发生结构垮塌事故。全球因钢筋腐蚀造成的直接和间接经济损失巨大，不容忽视[3]。为解决预应力钢筋的腐蚀问题，保证结构耐久性，目前工程界和科研界提出了许多抗腐蚀的方法，如采用高性能混凝土保护层、钢筋表面设置锌基镀层和环氧树脂涂层等防腐材料、在混凝土中添加阻锈剂或表面涂敷防水材料等。遗憾的是上述方法均属消极的防护性措施，作用效果并不明显，同时增加了施工工艺的复杂性，且无法从根本上解决预应力钢筋的锈蚀问题。鉴于现有的腐蚀控制办法未能从根本上解决预应力钢筋的锈蚀问题，开发一种强度高、耐腐蚀性好的新型替代材料可能是解决钢筋锈蚀问题的可行途径。
研究资料表明，碳纤维不仅具有较高的力学性能，其类石墨结构也赋予了碳纤维优异的耐腐蚀性能。利用碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic， CFRP）增强水泥，不仅可以提高材料整体的力学性能，还可以有效地解决其使用寿命的问题，实现桥梁结构的全生命周期设计。以CFRP增强的绞线和棒材用作桥梁的预应力筋和体外筋在日本、欧美等国家已经得到广泛的使用[4]。应用实例表明，CFRP具有多项优良性能，是钢结构预应力筋的潜在替代选项，在建筑桥梁上具有广阔的应用前景。在过去的几年，我国也针对碳纤维这类新材料在交通领域的推广应用做了战略布局，其中高性能复合材料是“十二五”规划在材料领域重点支持的研究方向之一，“‘十三五’交通运输发展规划”也把复合材料列为桥梁领域中桥梁材料的研究对象之一。有鉴于此，本文对当前CFRP在桥梁结构中的应用基础研究及工程示范探索做了梳理，并对这种新材料的未来发展进行了展望。
1 国外CFRP筋应用研究及工程化现状
在CFRP科学研究领域，国外的企业和研究机构进行了大量的探索。其中日本科学家立足于其高性能碳纤维的技术优势，最早开始将碳纤维应用到桥梁工程中，陆续实现了一批预应力筋用CFRP的试制，并针对这些新材料的性能（抗拉特性、抗弯特性及疲劳性能等）和配套条件展开研究，在此基础上针对CFRP筋在具体的酸碱环境、强紫外线环境、湿热环境（海洋与内陆环境等）、高温环境、动态环境、冻融作用下的变化规律及适用性进行了评估，奠定了这类新材料的应用理论基础[4-8]。与此同时，欧美等国家也陆续把目光投入到这类新材料的研究与开发。Sayed-Ahmed等人针对CFRP筋的设计、性能及施工等方面进行了系统的研究，对热载荷及常规载荷下CFRP筋的预应力损失及其力学性能变化规律进行了总结和探讨，证实了这类材料应用于桥梁结构的可行性[9]。Khaled等人进行了碳筋不锈钢锚具的试验分析研究，对设定的夹片式锚具进行了有限元分析和试验分析，着重分析了夹片式锚具各接触面间的摩擦系数和预紧力对锚具锚固能力的影响。美国科学家发现在混凝土中加入碳纤维后其电阻会随外加应力等的变化而成比例改变，并利用这一特性制成具有传感器功能的混凝土，利用它制造的桥梁具备压力和应力探测功能[10]。此外，陆续有专家针对碳筋的锚固、施工问题提出见解和设计方案，为碳纤维预应力筋走向工程试用奠定了基础。
科学研究的深入也有力带动了CFRP筋的产业化，以日本和欧美国家为代表的高性能CFRP筋材陆续面市（如表1所示），采用CFRP替代钢结构作为预应力筋应用于桥梁领域的著名工程也已屡见不鲜。日本于70年代开始研究CFRP，其制造及应用相关技术处于世界领先水平。其研究领域涵盖了CFRP筋、板及网格产品的研制，CFRP应用于混凝土构件、地下工程中的设计方法和试验方法等[6，7]。此外，针对CFRP材料在基础设施建设中的应用，日本工业界制定了大量的规程、指南，主要有《FRP加固混凝土结构设计指南》、《使用连续纤维补强材料的混凝土结构设计、施工指南》、《连续纤维补强材料的质量规范》、《连续纤维补强材料的试验方法》等[11]。当前针对不同类型的CFRP预应力筋性能试验及研究以及所需锚固系统都已完成。为了探测采用CFRP预应力筋的混凝土构件的承载力和耐久性，做了静载及疲劳试验。在此基础上，日本应用CFRP材料作为预应力筋修建了一系列桥梁，不同类型的CFRP筋性能试验以及所需锚固系统的研究也都已完成[11]。欧美等国家也对CFRP筋进行了一系列的研究并建成了一批示范工程。近十年来，欧美国家修建了一百多座采用FRP材料的桥梁，其中德国的路德维希港预应力混凝土桥梁，瑞士Storchen的斜拉桥等均采用了CFRP筋的结构设计[12]。欧美国家还相继成立了相应的专业委员会指导相关研究工作，如美国的ACI Committee 440，欧洲的“欧洲混凝土”（Euroercte）的泛欧合作计划等，表2给出了国外CFRP筋及锚索典型应用案例。
2 国内CFRP筋应用技术现状
我国对CFRP的研究较早，但是由于种种原因CFRP在桥梁等基础设施中的应用基础研究进展相对缓慢，具有较大影响力的工程化示范项目较少，工程实践经验相对匮乏。在CFRP筋制备技术与性能方面，国外早期工程应用多是10 mm以上的大尺寸筋材，国内科学研究则倾向于8-10 mm的较小尺寸的样品[17-21]。而实际工程应用更倾向于和钢筋的尺寸相靠近，更利于配筋和施工。因此，国外规范中更注重于对力学性能的严格控制[21]。从经验来看，工程中用的碳筋的直径也并不是越粗越好，碳筋抗拉强度随直径的增加而降低。因为碳筋束表面处的粘接应力传递到中心处会发生剪力滞后现象，过大的横向剪切荷载将破坏环氧树脂的粘接力，导致各根纤维丝的连锁失效[17]。因此建议厂家在生产碳筋时应以较小直径为主，目前碳筋形式有单股、7股、19股、37股等，直径从3mm到40mm不等。
如表3所示，当前国内具备CFRP筋生产能力的厂家约有3～5家，基本能满足小规模的钢筋替代。各厂家产品质量和产能水平参差不齐，但技术细节和综合水平与国外产品仍存在较大的差距，尚未形成具有国际影响力的产品品牌。筋材产业化不足的原因是多方面的，与早期我国碳纤维生产技术及产能的不足有很大关联，一定程度上也制约了CFRP筋向交通建筑领域的大规模推广。
在施工配套条件方面，研究人员把主要精力放在CFRP筋专用锚具的技术开发上，如武汉理工大学的吕国玉研究了碳纤维增强塑料预应力筋锚具的设计问题，对钢筋楔紧型锚具进行了受力分析，设计出直径8mm碳筋的不锈钢锚具和混凝土锚具[22]；广西工学院的张鹏研制了碳筋的夹片式锚具和灌浆式螺丝端杆锚具，并进行了锚具静载试验和无粘结预应力碳纤维筋混凝土梁的受弯试验，取得了试验效果[2]；湖南大学的梁栋对碳筋灌浆式锚具和夹片式锚具进行了研究，利用有限元程序分析了锚具长度、锚具锥角、预紧力对锚具锚固性能的影响[23]。表4列出了国内主要研究单位的科研进展情况。
CFRP筋示范工程方面，国内的进展较慢。如表5所示，见诸报道的江苏大学人行桥是CFRP筋应用的第一次尝试，桥的斜拉索采用日本三菱公司生产的直径为8 mm的Leadline变形棒材制作。根据受力要求，共采用16ф8mm、11ф8mm及6ф8mm三种类型的斜拉索，各类型拉索在桥上分别布置[54]。矮寨悬索桥则主要是以CFRP 筋作为锚杆通过构筑高性能岩锚体系以提高岩锚体系的耐久性[55]。总而言之，目前国内针对这一领域研究的项目还是比较基本的，研究内容较窄，研究数量也不多，且存在着低水平的重复现象。对比国外同行业的研究积累与工程化示范项目，国内在这一领域的研究水平和工程化化水平都亟待提高。
3 亟待解决的问题
当前国内CFRP筋研究与工程化进展慢于国外，其原因是多方面的。其中，笔者认为如下几点是当前产业发展的当务之急：
（1）加快实现CFRP的性能稳定化和产品升级。目前CFRP材料生产及锚固系统制造主要依赖于国外，主要原因是当前国内CFRP筋的生产技术和质量均难以充分满足高性能桥梁设计的要求。随着CFRP材料在交通建设和养护工程中越来越多的应用，这块市场将非常广阔，高性能、多层次的材料研发必须走在首要位置，因此国内有关机构和企业应加强对相关产品的研发和生产。
（2）夯实CFRP桥梁的设计基础。尽管CFRP筋较现有钢筋和钢绞线具有一些独特的优势，将其作为钢筋替代进行桥梁结构的设计仍然需要一个渐进的过程。其中，针对CFRP筋的性能验证及在此基础上CFRP应用于桥梁结构的设计理论亟待成熟。为此，相关科研和工程技术人员应继续深入研究CFRP桥梁的设计理论，形成系统的设计规范和方法。对试验桥梁进行运营阶段的长期监控，丰富基础设计数据。
（3）做好配套条件与施工技术的系统研发。CFRP筋有其独特的结构特征，为此其配套条件和施工问题也有别于钢筋和钢绞线。受力分析、结构连接、锚固、施工工艺等关键问题需逐项解决。为此，应继续深入研究CFRP筋的锚固问题，开发简单有效的新型锚具，完善施工工艺。实现CFRP筋的现场下料，为CFRP桥梁的进一步发展奠定基础。
（4）CFRP桥梁的经济上的可行性评价。尽管CFRP桥梁在技术、安全和适用性上是可行的，并且较现有钢材具有一些独特的优势，但是CFRP桥梁要得到进一步发展还必须在经济上具有可行性。需要注意的是科学的经济性评估应是基于桥梁全寿命周期的经济性（包括建设投资、后期运营维护投资等），而不仅限于初始建设费用。在此基础上，对CFRP桥梁的优点应该加大宣传和推广，促进CFRP在新建桥梁上的研究和应用。
4 未来发展趋势分析
就目前而言，CFRP筋应用于桥梁等结构的整体发展趋势良好。而经济社会和国家政策两大方面的助理则将为CFRP筋的应用研究打开新的更广阔的局面：
首先，随着预应力混凝土结构的不断发展，预应力结构在使用环境的长期作用下的失效现象越来越突出，其耐久性问题日益严峻。文献资料表明，钢筋锈蚀引起钢筋混凝土结构的过早破坏已成为世界各国普遍关注的一大灾害。美国标准局1975年的调查表明，混凝土中钢筋的腐蚀已占全美各种腐蚀的40%。日本新干线使用不到10年，就出现大面积因钢筋腐蚀引起的混凝土开裂、剥蚀。我国早期建设中由于对早强或抗冻的要求，造成含氯盐外加剂的大量使用，使得钢筋锈蚀更为严重。长期以来，形成了混凝土结构在复杂环境下的“未老先衰”现象，耐久性严重受损，需要后期不断的维护与加固，带来巨大的经济损失。鉴于现有的腐蚀控制和修复加固办法未能从根本上解决预应力钢筋的锈蚀问题，开发一种强度高、耐腐蚀性好的新型替代材料成为解决钢筋锈蚀问题的可行途径。而将CFRP筋作为预应力桥梁的关键结构单元，也必将有助于解决桥梁结构因钢筋锈蚀与应力腐蚀等带来的严重问题，缓解因维修加固带来的经济问题。另一方面还将为目前国产中高端碳纤维材料开辟广阔的下游市场，带来碳纤维国产市场新的发展契机。
其次，《国家中长期科学与技术发展规范纲要（2006-2020年）》规划的重点领域及其优先主题第31项：基础原材料强调“重点研究开发满足国民经济基础产业发展需求的高性能复合材料及大型、超大型复合结构部件的制备技术，高性能工程塑料，轻质高强金属和无机非金属结构材料”。CFRP其作为一种新型的复合材料，与现有钢筋相比，具有质轻、强度高、耐腐蚀性能好等特点，由于具有上述特性，在桥梁设计、施工，尤其是后期的维修加固中具有钢筋所不可比拟的优势之处。未来在我国经济稳定发展的保证下，随着《中长期铁路网规划（2008年调整）》、《国家高速公路网规划》等铁路、公路规划的逐步推进和各地道路建设计划的实施，以及城市化带来的城市立体交通网的规模化建设，我国的桥梁建设将迈入一个新的历史时期，这也意味着CFRP这种新型的建筑材料将迎来它的广阔市场。总之，在人们对桥梁耐久性和全寿命周期经济性要求日益提高的今天，CFRP材料在桥梁工程中的应用日益广泛，其优势也越来越被社会认可，发展前景将更加广阔。
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