【技术干货】缆绳结构用碳纤维复合材料：材料的发展与分类
摘 要
缆绳结构是指将缆绳系统作为主要承载结构元素的结构，早期的人造缆绳结构采用天然植物纤维如藤蔓和爬山虎等，如今应用广泛的是钢索材料，但随着具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性的碳纤维出现，使其成为最具发展潜力的材料。
本公众号将针对缆绳结构用碳纤维复合材料（CFRP）进行系列专题综述，主要内容涉及缆绳概念及材料发展、CFRP缆绳主要形式、CFRP缆绳在桥梁结构中的应用实例并展示了设计草图，并分析CFRP缆绳面临主要问题。作为系列文章的开篇，本文将首先介绍CFRP缆绳材料的几种常见的形式和性能。
《碳纤维在体育休闲领域的应用》
《国外碳纤维索具材料在工业领域的应用》
《碳纤维在桥梁工程中的应用》
《用于建筑物修加固的纤维复合材料钢筋材料》
《碳纤维在体育休闲领域应用实例》
《碳纤维在医疗领域应用实例》
《简述碳纤维在建筑补强中的应用》
《碳纤维复合材料在海洋领域中的应用》
《碳纤维在舰艇潜艇用螺旋桨中的应用》《碳纤维加固补强及其在建筑工程领域应用》
1 缆绳材料的发展
缆绳结构可以简单定义为将缆绳系统作为主要承载结构元素的结构，常见的钢索、电缆等。人造缆绳结构的应用历史可以追溯到石器时代。
当时，人们通过使用植物纤维材料如藤蔓和爬山虎作为缆绳来建造吊床和悬索桥，除了陆地上缆绳结构外，缆绳在海上航行的帆船上已经使用了数前年。而如今缆绳所用的材料已经从古时候的天然植物纤维发展到今天的众所周知的锻铁和高强度钢（图1）。
图1 具有典型钢索结构的希腊埃夫里波斯大桥斜拉桥
回顾缆绳结构的发展历史，可以发现其材料的发展对结构发展有着重要的推动作用。这主要体现在两个方面，即缆绳结构的跨度和结构形式。例如，高强度钢索使大跨度缆索结构成为可能，如跨度超过1000米的现代悬索桥；它也使具有新形式的缆索结构的建造成为现实，如缆绳加工的屋顶等（图2）。
图2 钢索材质的勒沃库森湾竞技场辐条轮屋顶
碳纤维增强聚合物（CFRP）是由碳纤维增强的聚合物树脂基体制备而成的一种先进的非金属复合材料。它具有强度高、重量轻、耐腐蚀、抗疲劳等一系列优异特性。因此，CFRP可以制成缆绳并替代传统的钢索，CF与钢性能对比如表1所示，碳纤维体密度小但是拉伸强度显著高于金属钢。
表1 碳纤维与钢结构材料性能对比
2 CFRP缆绳结构
自上世纪70年代碳纤维问世以来，CFRP目前已经在航空航天、国防工业等领域实现广泛应用，最早在1977年国外就已经提出将碳纤维用于缆绳结构，但由于高昂的成本阻止了碳纤维这种用途。
CFRP首次正式在出现在建筑业中是在1991年，当时通过使用CFRP对瑞士卢塞恩的Ibach桥进行。从此以后，CFRP不仅在加固、修补、加固等方面得到了越来越多的应用，而且在缆绳结构中也作为拉索使用。
在拉索结构中通常采用单向CFRP材料制造，依靠CFRP纤维方向上高强度来承载外部拉力。上世纪90年代，瑞士联邦材料测试与研究机构EMPA的Urs Meier教授在该领域做了开拓性工作，1996年他在悬索桥中首次使用了该技术，安装了2条长度为35 m的CFRP缆绳（图3）。
图3 1996年全球首条带捆绑碳纤维缆绳的公路桥梁
根据不同的结构形式，现有的CFRP缆绳（拉索结构）可分为四种主要类型：
a、薄片型CFRP缆绳材料，主要采用拉挤成型或层压成型工艺加工；b、条形环形式的CFRP缆绳，通过将连续的CFRP条带缠绕在两个插针上制成，条形环可以选择分层或不分层；c、杆式CFRP缆绳，通常采用拉挤成型工艺加工；d、钢绞线形CFRP缆绳，它是通过将多根CFRP线缠绕成螺旋状制成的，所用的CFRP通常是拉绕工艺生产。四种不同类型的CFRP绳索结构如图4所示。
图4 四种常见的CFRP缆绳结构
目前市场销售的几种CFRP缆绳产品结构形式、主要特征及力学性能等与钢索结构对比如表2所示。在表2中的CFRP产品均是采用标准模量级碳纤维（性能见表1），CFRP中碳纤维体积约为60%，而全锁钢丝绳（Steel full-locked coil rope）是一种常用的缆索型现代缆索结构。
从表2可以看出，全锁钢丝绳结构强度为1.5 GPa要明显低于其他形式的CFRP缆绳材料，虽然钢索结构具有模量上的优势，但是CFRP缆绳优势还体现在，其体密度仅为钢索密度的1/5左右。
CFRP缆绳材料除了具有高强度和低重量外，相比钢索具有更好的耐腐蚀性、抗疲劳性以及更低的热膨胀性。除此以外，由于碳纤维具有优异的抗蠕变性能，CFRP缆绳的应力松弛很小，无需限制持续的拉伸应力。
在下期精彩文章中，将会详细介绍CFRP绳索在国外各种桥梁结构中的应用实例。
（精彩待续…………）