【技术干货】缆绳结构用碳纤维复合材料：CFRP缆绳应用发展趋势
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，在前两期文章《缆绳结构用碳纤维1：材料的发展与分类》、《缆绳结构用碳纤维2：结构应用实例》中介绍了CFRP缆绳材料的几种常见的形式和性能，以及CFRP绳索在国外各种桥梁结构中的应用实例。
从上期CFRP缆绳应用实例发现，目前CFRP缆绳大多依靠优异的抗拉特性而应用于斜拉桥领域，但是CFRP缆绳在建筑结构是否存在其他应用？针对于此，柏林工业大学设计了CFRP缆绳屋顶结构，文章还详细介绍了一种用于CFRP屋顶和墙面用缆绳的一种新型设计：连续带式缠绕系统。
《缆绳结构用碳纤维1：材料的发展与分类》
《缆绳结构用碳纤维2：结构应用实例》
《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》
在上期CFRP缆绳在各国桥梁结构应用实例中可以看出，现有的CFRP缆绳结构绝大多数用于斜拉桥。目前，国内外还没有CFRP缆绳屋顶或外墙，但由于大多数CFRP缆绳屋顶和外墙都是外部荷载作用下的正交受力结构，因此CFRP缆绳是理想结构形式。
在正交受力缆绳结构中，结构刚度主要由几何刚度组成，而几何刚度又由缆绳的预拉力控制，而不是由缆绳的弹性模量控制。这意味着，对于这种缆绳结构，增加缆绳的抗张强度以增加预张力是一种更有效的方法，既可以在缆绳使用量不变的情况下提高结构刚度，也可以在保持结构刚度的情况下减少缆绳使用量。
该现象还表明，在正交受力的缆绳结构中，尽管CFRP缆绳的弹性模量通常比钢索的弹性模量小，但使用抗拉强度比钢索大得多的CFRP索，将提高结构的经济性，因此未来在屋顶和外墙采用CFRP缆绳是一个重要发展方向。
1、CFRP缆绳屋顶原型
为了研究CFRP缆绳在屋顶和外墙应用的可行性，2013年在柏林工业大学建造了一个小型CFRP缆绳屋顶（图1），该原型结构直径为4m，包含了真正轮辐索顶的三个主要结构元素：压缩环、张力环和径向钢索。
图1 柏林工业大学设计的CFRP缆绳屋顶及结构设计图
所有受拉构件，如张力环和八根径向钢索，均采用CFRP制作。压缩环、支柱和节点材料为铝，径向绳索为环形CFRP受拉构件，张力环为封闭式CFRP八边形环。它们都是由嵌在聚合物基体中的平行碳纤维组成，SGL的C30纤维与环氧树脂基体一起使用。径向电缆和张力环的横截面为30mmˆ1.2mm，其中含有约2000万根碳纤维，可承受近80千牛的张力。这两种CFRP结构元件都是在柏林工业大学通过将涂有环氧树脂的连续碳纤维丝束以旋转的形式层压并使用真空技术固化来制造的。
径向缆绳和两个环之间的连接由铝节点构成。由于所有CFRP缆绳都是环形的，铝节点也有圆柱形表面（见图1c和2），为了预张紧CFRP缆绳，张力环的每个节点被分成两部分，四个螺栓连接在一起。通过拧紧螺栓，从而缩短这两部分之间的距离，轮辐式缆索屋盖的CFRP缆索系统被预张至足够的水平，该原型证明CFRP缆索屋盖在的可行性，根据构建此原型的经验，应根据CFRP绳索的特点，开发与钢缆不同的新电缆形状和锚固策略。
图2 柏林工业大学CFRP屋顶的内外张力环
2、CFRP连续带式缠绕系统
CFRP连续带式缠绕系统是一种将CFRP绳索应用于屋顶和墙面的新型设计。顾名思义，这类系统中使用的电缆是CFRP连续带，它将缠绕在所有中间节点上，只在两端节点锚固，或者形成闭合环而不需要任何锚固。CFRP连续带式缠绕系统的最大优点是可将锚固的数量减至最少，从而充分利用CFRP缆绳的有利条件，避免出现不利情况。
CFRP连续带缠绕系统有多种形式，其中之一如图3所示，图3是游泳池电缆膜屋顶的缆绳系统。
图3 采用CFRP带式缠绕系统的游泳池
CFRP连续带的使用细节和节点如图4所示。从图中可以看出，结构中只有一根索，即CFRP连续带，这使得绳索结构非常简洁美观，而且CFRP连续带仅锚固在两端节点（见图4c）。
图4 CFRP带式缠绕系统的使用细节
另一种带CFRP连续带缠绕系统的轮辐拉索顶结构如图5所示，它是一个CFRP辐条的车轮电缆车顶，详细的结构设计细节如图6所示。
图5 采用CFRP连续缠绕带的轮辐拉索顶
图6 采用CFRP连续缠绕带的轮辐拉索顶结构细节
由图6可以看出，结构中只有两根电缆，即一根作为轮辐电缆CFRP连续带和一根CFRP内环。CFRP连续带形成闭环，缠绕在所有节点上，没有任何固定点。
无可否认，除了优点外，CFRP连续带缠绕系统也存在一些缺点。例如，CFRP连续带的某一段失效可能导致整个系统的失效，因此CFRP连续带的安全系数可能比普通电缆的安全系数要高。
总的来说，CFRP连续带绕线系统是在电缆屋顶和外墙中使用CFRP的有趣且有前途的方式，但它的实现还需要更多的研究。