比钢筋水泥还要坚固？看碳纤维增强复合材料在土木工程领域新趋势【荐书】

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钢筋混凝土结构在实际服役环境下，由于构件老化、钢筋锈蚀，结构的使用寿命受到影响。因此，通过开发新型材料来提高结构性能已经成为土木工程领域的一个趋势。其中，碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)凭借其比强度高、抗疲劳、耐腐蚀等优良性能脱颖而出，成为土木工程的研究热点。CFRP 材料问世于20 世纪40 年代，其最初应用局限于航天、军事和船舶工程领域，后来范围逐步扩大到土木工程领域。我国于1975 年召开了全国第一次碳纤维复合材料会议，将CFRP 材料纳入国家滚球体育 攻关项目。经过近40 年的发展，我国CFRP 材料在土木工程中的应用基础研究取得了一定成果，但距大规模工程应用还存在一定差距。

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP) 的物理特性和碳纤维基体及与其复合的树脂、塑料、橡胶等基体材料的性能有关，对其后期使用性能有重要影响。

碳纤维增强树脂基复合材料的物理特性

碳纤维增强树脂基复合材料主要由两大部分组成：碳纤维和树脂基体。碳纤维主要由高分子材料如黏胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等经高温烧制而成。树脂基体主要采用环氧树脂和聚酰亚胺树脂。碳纤维复合材料的制作过程一般如下：先将碳纤维在树脂中预浸后，按一定方式铺层，再经过加温加压、固化等工序成型，形成的复合材料具有优异的性能，如环氧树脂基碳纤维(EP/CF) 复合材料的比强度为钢的4.8~7.2 倍，比模量为钢的3.1~4.2 倍，疲劳强度约为钢的2.5 倍、铝的3.3 倍，而且高温性能好，工作温度达400℃时，其强度与模量基本保持不变。此外，还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整体性好、抗分层、抗冲击等。在现有结构材料中，其比强度、比模量综合指标最高。在加工成型过程中，EP/CF 复合材料具有易大面积整体成型、成型稳定等独特的优点。不同纤维种类的CFRP 的基本力学性能如下表所示。

常用CFRP的基本力学性能

碳纤维增强树脂基复合材料其他方面的物理特性如下。

热导率

树脂基碳纤维复合材料的热导率在中温区100~400K，随着碳纤维体积含量的增加而增大；在100K 以下，变化较小，在极低温区变化消失。强度不同的碳纤维复合材料，只要碳纤维是同类型、同排布、同体积含量，则热导率相差不大。平行于纤维排布方向的热导率一般要大于垂直于纤维排布方向的热导率。

热膨胀性能

树脂基碳纤维复合材料的热膨胀性一般较小，平行于纤维方向的系数比垂直于纤维方向的系数约小一个数量级，且热膨胀系数与温度有关，当温度下降时，平行于纤维方向的系数略有上升或基本不变，垂直于纤维方向的系数下降。影响树脂基碳纤维复合材料热膨胀的因素主要是排布方式、比例、温度和湿度。其中影响较大的是排布方式和比例。对于同样材料比例的树脂基碳纤维复合材料，单层、有规律排布的热膨胀系数可由理论推导的公式计算。对于多层复杂排布的热膨胀系数，可从单层估计其变化趋势。

硬度

树脂基碳纤维复合材料具有一定的硬度。但此硬度会随碳纤维含量的变化而发生相应变化。研究表明，当碳纤维含量从5％提高到30％时，复合材料的平均硬度从77HV 提高到367HV，可以看出复合材料的硬度提高幅度很大，但并非线性增加。开始增加较小，当碳纤维含量大于10％以后，硬度增加非常快；当碳纤维含量大于25％以后，硬度值变化趋于平缓。

电阻率

碳纤维复合材料具有一定的导电性。研究表明，在碳纤维/酚醛树脂复合体系中，随着碳纤维含量的增加，复合材料的电阻值下降，导电性能提高。电阻值的下降与纤维含量的增加并不成正比，而是有一个渗滤阈值，这个渗滤阈值约为15％。当碳纤维含量高于15％时，复合材料具有一定的导电能力。

耐磨性

研究表明，随着碳纤维含量的增加，复合材料的耐磨性提高，但其提高程度随着碳纤维含量的增加而减小，碳纤维含量大于20％后趋于不变。

CFRP 材料作为桥梁索结构的应用研究

大跨系杆拱桥

现代大跨系杆拱桥造型优美、跨越能力良好，是现代大跨桥梁结构中一种极具竞争力的桥型。目前关于CFRP 在系杆拱桥中的应用的研究相对较少。

斜拉桥

斜拉桥具有外形美观、结构刚度大、跨越能力较强、相比于自锚式悬索桥和拱桥施工简单等优点。CFRP材料用于大跨径斜拉桥的拉索，不仅可以充分利用其高强性能，还可减轻斜拉桥上部结构自重，提高斜拉桥跨越能力和承载效率。瑞士于1996 年在Stork 斜拉桥上成功应用了CFRP斜拉索，其拉索汇集于塔顶，在A形塔顶部的箱锚室内锚固。丹麦于1999 年建成总长80m 的Herning 人行斜拉桥，使用了16 根CFRP 斜拉索。2005 年，中国首座CFRP 索人行斜拉桥在江苏大学建成。该桥总长度51.5m，最大跨径30m，为独塔双索面钢筋混凝土斜拉桥。索塔两侧各布置4 对拉索，斜拉索全部采用Leadline 型CFRP 筋材，有6-D8、11-D8、16-D8 三种索型，拉索锚固系统采用了套筒黏结型锚具，并在固定端锚下设置了永久性应力传感器，用于长期监控。

江苏大学CFRP试验桥

由于索自重垂度的影响，呈现出较强的非线性，索在不同构形和荷载条件下的静动力特性和地震响应分析较为复杂，并且结构对风的敏感程度很高，极易在风和雨的激励下发生大幅度风雨激振。

悬索桥

悬索桥具有受力性能好、抗震性能好、桥型美观、跨越能力强等优点，是特大跨度桥梁的首选桥型。随着跨径的增大，高强钢丝主缆中的恒载应力比例增加，选用CFRP 材料可以在一定程度上缓解超大跨径悬索桥主缆自重问题。1999 年日本在跨径为1030m 的Kurushima 悬索桥中，首次采用CFRP 束作为猫道的主要缆索。在尚未完全了解CFRP 在实际环境中的长期性能的情况下，还无法将CFRP用于悬索桥的主缆，因而目前CFRP 在悬索桥建设中的应用十分有限。

悬索桥由于主缆靠自身变位来平衡外荷载，使其具有明显的几何非线性特征，在跨度增大后，结构趋于轻柔，对风的作用更加敏感，抗风稳定性往往成为控制设计的最关键的问题。

《高性能CFRP材料及其在预应力结构中的应用》以我国首座CFRP 索斜拉桥为工程背景，论述了碳纤维增强复合材料的主要性质及其在工程结构中的应用。全书主要内容如下：碳纤维增强复合材料的发展及应用现状、碳纤维增强复合材料的基本物理力学特性；CFRP 筋用黏结式、夹持式及复合式锚具的研制及性能分析；碳纤维复合材料的热性能、电性能及磁性能等主要功能特性；CFRP 斜拉索非线性静动力特性分析、CFRP 索斜拉试验桥静力学试验研究与分析、CFRP 索长大跨斜拉桥静动力学分析；碳纤维混凝土材料及其结构的智能特性等。这些研究成果为进一步拓展CFRP 材料在土木工程中的应用提供了很好的技术支持，也为相关规范与规程的修订与完善作出了宝贵贡献。

本书可供从事碳纤维复合材料研究、开发与应用的科研人员、工程设计人员和管理人员参考，也可供高校结构工程、桥梁工程和交通工程等学科的本科生、研究生学习。

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