万米大桥中的碳纤维复材索

影子鹰

1、桥的变迁

追溯到人类诞生时，桥梁与人类是共同发展的，桥梁的历史就是人类的发展史。在远古，原始人在追逐猎物时，经过小河流，原始人就会用树干搭在两岸来过河，这就是桥梁的由来；在古代，人们发明了人造建筑材料的砖，还创造了砖石构成的拱桥结构；在近代，第二次工业革命后，钢桁架桥成为大跨度桥梁的主要结构形式；在现代，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。

随着人类社会经济的不断发展，桥梁的跨度越来越大。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。 目前世界跨度前十的桥梁
（数据来源：https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_longest_bridges）
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。 西堠门大桥（悬索桥） 苏通长江大桥（斜拉桥） 2、碳纤维复材索的优势

碳纤维增强复合材料（简称碳纤维复材）具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点，在最近十几年中随着研究和工程实践的不断发展已经越来越被了解和肯定。实际上早在1982年，Meier等就提出了以碳纤维复材索替代钢索的想法。

钢索与碳纤维索（图片来源于Urs Meier相关研究）
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。 国内首座碳纤维复材索斜拉桥 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。 日本明石海峡大桥

悬索桥的极限跨度、垂度与应力水平存在着一定的关系：在其自重作用下桥索的主索形成悬链线，当垂度一定时，随着主缆跨度的增大，悬索的拉力增大，因此当悬索桥的主缆垂度因桥塔高度而受到限制时，存在一个极限跨度，此时悬索自重产生的张力恰好达到索的抗拉强度。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。 由于钢索的疲劳强度不足导致的索断桥毁事故屡屡发生，造成了巨大的经济损失和人员死亡事件。碳纤维复材索的抗拉强度可达高强钢丝的2倍以上，同时碳纤维复材索的疲劳性能也远优于钢索，根据瑞士联邦材料科学研究所对19 根单丝的碳纤维复材索进行的疲劳试验表明：在200万次循环荷载下碳纤维复材索未发生破坏, 其疲劳强度约为相同条件下钢索的4倍。 钢索与碳纤维复材索的极限跨度—垂度关系

钢索的一个致命弱点是耐腐蚀性差，在潮湿的大气环境中，钢索面临着严重的腐蚀问题；如果要在海上修建桥梁，海洋大气中含有大量的氯化物微粒，其中的氯离子有很强的腐蚀性，环境条件更为恶劣。因此在钢索使用时需要经过繁琐的防腐涂装工序，同时在成桥营运后 ,还需要进行贯穿始终的日常维护和定期换索。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。

锈蚀的钢索（图片来源：http://www.cnbridge.cn/2010/0623/5235.html）

碳纤维复材虽然有许多优良的性能，但是作为桥索材料有一重大难题——锚。碳纤维复材索的有效锚固是将其应用为大拉力构件的前提，而碳纤维复材的横向性能较弱，使得碳纤维复材索的锚固比较困难。根据拉索的结构形式可以将碳纤维复材索分为平行棒索、平行板索、绞线索和拉杆索。清华大学土木工程系冯鹏教授课题组对不同类型的锚固形式开展了大量的研究。 不同类型的碳纤维复材索

（图片来源：GB/T 35156-2017, 结构用纤维增强复合材料拉索[S].） 3、碳纤维平行棒索

与单根索的锚具不同，多根索的锚具应力状态相对复杂，不同索之间的应力均匀程度较难控制，为了研究多根索锚具的受力性能，设计并加工了一种7根CFRP索的内锥粘结式锚具，并进行了拉伸性能试验。
7根CFRP平行索的内锥粘结式锚具拉伸试验得到锚固效率为42%，破坏模式为CFRP索在锚具外逐根断裂。部分CFRP索在试验中发生滑移，导致CFRP索之间的应力分布不均匀的现象，大大降低了群锚锚具的锚固效率。所以CFRP索与粘结材料表面间的粘结性能仍是粘结式锚具锚固效率的主要控制因素。

碳纤维平行棒索及试验研究 4、碳纤维平行板索

相对于圆形截面复材索，方形截面的周长更大，单位长度锚固面积更大，更容易实现有效锚固。因此我们提出一种碳纤维复材平行板拉索以及曲面板锚具，并开发出单片与多片的平行板索试件。

碳纤维平行板索及试验研究

研究表明，单片板试件的锚固效率可达到95%以上；与单片板试件相比，包含2至4片碳纤维复材板的平行板拉索在轴向拉伸试验中测得的强度效率显著降低，包含2至4片平行板的试件组平均值分别为62.96%，80.84%以及72.92%；破坏模式均为锚固失效；锚固滑移刚度差异不大，整体滑移刚度相对单片板试件有所改善。多片板试件相对单片板试件在对碳纤维复材板拉伸强度发挥以及性能稳定性方面有所下降，板件单元锚固承载力下降与不同板件失效过程差异是降低平行板拉索强度效率的主要因素。 5、索锚一体化碳纤维复材索

我们知道，想要拽住一根绳子最有效的办法是将绳子绕在手上，而不是紧紧握住。对于碳纤维复材索，也是同样的道理，碳纤维的横向强度较弱，依靠拉索表面的摩擦力或粘结力往往不能充分发挥碳纤维的材料强度。

不同锚固形式及其受力特点

基于此原理，我们开发出一种新型索锚一体化碳纤维复材索，拉索和锚具一体化成型，构造简单且结构轻盈。 索锚一体化碳纤维复材索

国外相关学者对此类型碳纤维复材索也做了大量研究。图（a）为瑞士联邦材料科学研究所（EMPA） A. Winistörfer 等设计的碳纤维片材环状索，每层片材的厚度为0.1mm，该拉索最大荷载为3000kN；图（b）为柏林科技大学Mike Schlaich等设计的柔性碳纤维环状索，该拉索最大荷载为2000kN；图（c）为清华大学冯鹏教授课题组设计的索锚一体化碳纤维复材索。

国内外此类型碳纤维复材索 （图片来源于相关作者的研究）

试验研究表明，索锚一体化碳纤维复材索极限荷载达到1220kN，索体名义应力达到2000MPa，索体呈爆炸式破坏，锚固效率可达到100%。

索锚一体化碳纤维复材索试验研究 6、万米大桥成为可能

直布罗陀海峡是地中海通向大西洋的唯一出口，最窄处13公里，平均深达310米；北为西班牙，南为摩洛哥，将欧、非两洲隔开。目前海峡两岸每年过往旅客400万人，货物1亿多吨。人们长期梦想架一座桥梁，将两个大陆联结起来。国际著名桥梁专家美籍华裔林同炎教授在1991年提出，在欧非大陆之间14公里的直布罗陀海峡上建造跨度达5公里的悬索桥，他大胆而科学的方案得到普遍赞赏，以此内容撰写的论文获得1993年国际桥梁和结构工程协会(IABSE)的最高奖。

直布罗陀海峡大桥方案

（图片来源：Lin T Y, Chow P. Gibraltar Strait Crossing–A Challenge to Bridge and Structural Engineers[J]. Structural Engineering International, 1991, 1(2): 53-58.）
“乡愁是一湾浅浅的海峡，我在这头，大陆在那头。”余光中这首名诗，曾经让两岸同胞因道路阻隔而生发无限感伤。但是，未来的一天我们也许会驾私家车轻易越过台湾海峡。中国工程院院士林元培2007年便提出“台湾海峡大桥全天候通道方案”，并表示“台湾海峡大桥海上跨径要尽可能大，上部结构选3500米悬索桥”。 台湾海峡大桥方案

（图片来源：林元培,窦文俊. 台湾海峡大桥-全天候通道方案[A]. 中国科学技术协会学会、福建省人民政府.经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会（第三卷）[C].中国科学技术协会学会、福建省人民政府:中国科学技术协会学会学术部,2010:4.）

随着碳纤维复材索的技术不断成熟，应用前景也越来越广阔，相关国家标准GB/T 35156-2017《结构用纤维增强复合材料拉索》已发布并开始实施，有了碳纤维复材索，万米级跨海大桥离我们越来越近。 相关论文
[1] 齐玉军,冯鹏,叶列平.FRP索与钢索的求解计算和极限跨度[J].土木建筑与环境工程,2011,33(04):52-59.
[2] 乌尔斯·梅耶尔, 张攀, 冯鹏. 碳纤维复合材料拉索:为什么?为什么不?会怎么样?[J]. 玻璃钢/复合材料, 2011(5):3-11.
[3] 张攀. 碳纤维复合材料平行束索及锚具受力性能与设计方法研究[D].清华大学,2014.
[4] 黎伟捷. 碳纤维复材平行板拉索及曲面板锚具性能研究[D].清华大学,2016.
[5] Feng Peng, Zhang Pan, Meng Xinmiao, et al. Mechanical analysis of stress distribution in a carbon fiber-reinforced polymer rod bonding anchor. Polymers, 2014, 6(4):1129-1143.
[6] Feng Peng, Zhang Pan. Theoretical and numerical analysis of stress distribution in CFRP rod bond anchor. The 19th international conference on composite materials. 7976-7983
[7] Ai Pengcheng, Feng Peng. Mechanical behavior of CFRP laminated strip-loop cables. Proceedings of the 6th Asia-Pacific Conference on FRP in Structures (APFIS 2017) Singapore, 19-21st July 2017, p.175–179.

相关专利

[1] 冯鹏,艾鹏程. 用于桥梁的拉索[P]. 北京：CN106284076A,2017-01-04.
制 作 人：艾鹏程 博士生（主要研究碳纤维复材索以及索在结构中的应用）
指导教师：冯鹏 教授

清华大学土木系

新材料结构及新型结构研究组

荣誉出品