【技术干货】缆绳结构用碳纤维复合材料：桥梁结构应用实例
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。
在前期文章《缆绳结构用碳纤维复合材料：材料的发展与分类》中介绍了CFRP缆绳材料的几种常见的形式和性能，而本文将继续介绍CFRP绳索在国外各种桥梁结构中的应用实例。
《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》
由于CFRP优异的性能，自1982年以来，CFRP一直就被考虑用于电缆和电缆结构中。1987年，EMPA的Meier教授提出了建造横跨直布罗陀海峡主跨8400米的CFRP斜拉桥的构想，但CFRP缆绳在拉索结构中的首次应用可追溯到1996年。从那时到现在，世界上已经有十种CFRP拉索结构，尽管它们都是或多或少的试验性建造的。现将现有的CFRP拉索结构列举如下：
1、Tsukuba FRP Bridge
Tsukuba FRP桥是世界上第一座CFRP索结构桥梁。此外，它也是一个完整的纤维复合材料结构。该建筑位于日本茨城，由筑波公共工程研究所设计，于1996年3月竣工。Tsukuba FRP桥的照片和草图如图6所示
图1 Tsukuba FRP桥和设计草图
Tsukuba大桥是一座三跨人行斜拉桥，主跨11.0米，边跨4.5米， 在这座桥中，塔架由GFRP制成，桥面是由CFRP薄板加强的GFRP型材，所有24根斜拉索均由CFRP制成。具体来说，该桥采用了三菱化学公司的缩进式引线杆和日本东京绳索制造有限公司的CFCC七股钢索两种CFRP拉索。设计了一种由CFRP管和膨胀砂浆组成的特制锚具对这些碳纤维布斜拉索进行锚固。这个锚系统如图2所示。
图2 Tsukuba FRP采用的系统结构材料
上图所示的CFRP拉索是缩进的引线杆。CFCC7钢丝束的锚固完全相同。在该锚固体系中，采用CFRP管作为锚固管座，采用膨胀砂浆产生足够的粘结力来锚固CFRP拉索。
2、Stork Bridge
Stork Bridge是世界上第一座采用CFRP拉索的公路斜拉桥。这座桥位于瑞士温特图尔，由OMG和合作建筑师公司以及Hóltschi&Schurter公司设计。经过一年半的建设，这座桥于1996年10月27日竣工通车。鹳桥的照片和草图如图8所示。
Stork Bridge是一座具有双电缆平面的单塔斜拉桥（见图3）。它有24根拉索，其中两条是CFRP拉索，另一条是普通钢缆。这两条CFRP拉索是35m长的平行杆束。每束由241根直径5mm的碳纤维加固钢筋组成。每根电缆的承载能力为12MN。为了承受如此巨大的力量，EMPA研制了一种特殊的锚具，称为梯度锚具系统。该锚具的示意图如图4所示。
图4 Stork Bridge中的锚固系统
上述锚具由圆锥形钢套筒和称为荷载传递介质（LTM）的砂浆组成，该砂浆是通过将约Φ2 mm（图4b中的浅黄色颗粒）的氧化铝陶瓷颗粒混合到环氧树脂（图4b中的暗锥）中制成的。从钢套筒的口到端部，分布树脂中颗粒的密度逐渐增大，从而得到具有梯度弹性模量的锚固砂浆。图5显示了这种锚固的原理，并与普通锥形砂浆锚固进行了比较。
图5 梯度锚具系统的原理
在普通锥形砂浆锚固中，锚固砂浆的弹性模量是恒定的。这将导致CFRP杆在锚管座口处产生严重的剪应力集中（见图5a）。然而，由于从承插口到承插端的砂浆弹性模量逐渐增加，在梯度锚固系统中，CFRP杆的应力峰值可以大大降低（见图5b）。因此，锚固效率将大大提高。
在将CFRP索锚固系统应用于Stork Bridge前，进行了EMPA试验分析，试验和理论分析结果表明，梯度锚固系统的锚固效率均大于92%
3、Neigles CFRP Footbridge
Neigles CFRP人行天桥是世界上第一座采用CFRP拉索的悬索桥。这座桥位于瑞士弗里堡横跨在拉萨林河上。最初的Neigles 人行天桥是用钢索建造的。然而，由于严重的腐蚀，在1998年11月钢主缆被拆除，并更换为CFRP拉索。Neigles CFRP人行天桥的照片和示意图如图6所示。
图6 Neigles CFRP人行天桥及设计图
Neigles CFRP人行天桥是一座单跨度的行人悬索桥（见图6），两根CFRP主缆由东京绳索制造公司Tokyo Rope Manufacturing Co.，Ltd制造，每根绳索由16根平行的CFCC 7线股组成，其承载能力为2272kN。这些电缆由聚乙烯护套保护，并由多树脂填充储存系统固定。该锚固系统的示意图如图7所示。
图7 Neigles CFRP人行天桥中的锚固系统
该锚具系统由一个锚头和16个树脂填充锚具组成。每根HCFCC 7线股采用树脂填充锚具锚固，这是东京绳索公司为CFCC股绳开发的锚固。在这种锚具中，绞线使用一种特殊的树脂粘结到末端，锚固长度约为绞线直径的13.5倍。树脂填充锚具不仅在这座桥梁中使用，而且在包括以下Herning CFRP桥梁在内的许多其他项目中也使用。
4、Herning CFRP Bridge
Herning CFRP桥是一座人行天桥，横跨丹麦赫宁附近的铁路开关站。该桥由COWI A/S设计，于1999年6月竣工。该桥结构及设计图如图8所示。
图8 Herning CFRP桥及设计图
Herning 人行天桥为单塔双索面斜拉桥（见图8），共有斜拉索16根，均为CFRP斜拉索。这些CFRP拉索为由东京绳索制造有限公司生产的CFCC 37钢丝绳，直径为40毫米。每根绳索的承载能力为1070kN，所有绳索均由工厂以固定长度与树脂填充锚固一起提供。该锚具的示意图如图9所示。
上述锚固系统主要由直管形钢套筒和专用树脂填料组成。锚定长度约为缆索直径的13.5倍。锚定螺母设置在钢制插座的后部，用于将锚定连接到桥梁的其他部分。该锚固与Neigles CFRP人行天桥中使用的树脂填充锚固非常相似。唯一的区别是这种锚具的尺寸更大，可用于用更多的钢丝绳锚固较大的CFCC绞线。
5、Laroin CFRP Footbridge
Laroin CFRP人行天桥横跨Given du Pau河，位于法国拉鲁恩Laroin。这座桥由Freyssinet International公司设计，于2002年竣工。Laroin CFRP人行天桥照片及示意图如图10所示。
Laroin CFRP人行天桥是一座单跨双塔双索面斜拉桥（见图10）。主跨长110m、宽2.5m，由8对CFRP斜拉索支撑。后撑杆是标准钢索，固定在地面的混凝土锚块上。这16根CFRP电缆长度从20米到45米，是模块化的材料，每个模块由一个CFRP平行7杆束组成。根据不同的荷载条件，靠近塔架的四对电缆包含两个模块（即两个7杆束），而靠近中跨的另四对电缆包含三个模块（即三个7杆束）。
由SOFICAR公司生产的CFRP棒直径为6mm，承载能力为70kN。为了锚固这些CFRP拉索，Freyssinet公司开发了一种被称为模块式夹紧锚固的专利锚固系统。该锚具（一个模块）的示意图如下图11所示。
图11显示了模块化夹式锚具系统的一个模块。在该图中，一个CFRP绳索模块，即一个CFRP 7杆束，被楔形锚固器作为一个整体夹紧。为了防止CFRP的横向损伤被直接夹持，每根导线均采用铝护套保护。上面所示的每个锚具都是一个模块，CFRP绳索的每一端都包含两个或三个模块锚具。
采用模块化锚索和模块化锚固有两个主要优点：一是将一束CFRP筋整体锚固在一个模块中，而不是分别锚固，这样可以使锚具紧凑并减小尺寸；二是，与传统CFRP锚具不同，这种锚具是由标准的独立模块组装而成，由于每一个模块都已经有了成熟的研究，所以对于不同尺寸的电缆，只需要通过几个模块进行简单的组装即可。这有利于锚具的设计，降低成本。
6、Jiangsu University CFRP Footbridge
江苏大学CFRP人行天桥是由东南大学、江苏大学和北京TXD科技公司共同设计的斜拉桥，经过一年的施工，于2005年5月底竣工。这座桥的照片和草图如图12所示。
图12 江苏大学CFRP桥及设计图
江苏大学CFRP人行天桥为单塔双索面斜拉桥（见图12）。所有16根斜拉索均采用CFRP平行杆束。所采用的CFRP棒为三菱化学公司生产的Φ8mm引线凹进棒。根据不同的承载要求，采用三种不同杆数的电缆。这些缆绳的承载能力分别为720kN（6ˆ8毫米）、1320kN（11ˆ8毫米）和1920kN（16ˆ8毫米）。CFRP索锚固是专门设计的，称为直管内锥锚固。该锚地的示意图如图13所示。
图13 直管内锥锚固系统
这种锚具由一个钢插座和内部的砂浆（环氧树脂或膨胀水泥）组成。插座的形状是特别设计的。靠近嘴的前部是直管，后部是圆锥体。这种设计的优点是直管锚固和锥形锚固相结合。与常规圆锥形锚固相比，这种锚定的原理如图14所示。
图14 直管内锥锚固机理分析
普通锥形锚具能有效地抑制蠕变，但在承插口处会产生较大的剪应力集中和CFRP杆的径向应力集中（见图14a）。然而，在直管和内锥锚固（见图14b）中，CFRP杆的剪切和径向应力峰值都将在直管和锥的连接处附近开始，并不断地持续到桩口。这样应力峰值就大大减小了，这也同时提高了蠕变约束和锚固效率。
7、Penobscot Narrows Bridge
Penobscot窄桥是美国第一座斜拉桥，斜拉索采用CFRP钢绞线。这座桥位于美国密苏里州佩诺布斯科特市，归缅因州交通部所有。这座桥的设计者是菲格工程集团（FIGG Engineering Group），经过三年的建设，这座桥于2006年12月30日竣工通车。竣工半年后，拆除6根不同斜拉索的钢绞线，更换为6根CFRP绞线。Penobscot窄桥的照片和草图如下图15所示。
Penobscot窄桥是一座双桅杆斜拉桥，具有单索面（见图15）。跨度146m+354m+146m，桅杆高度136m，斜拉索40根，均为7股平行拉索。这些缆绳不是固定在桅杆上，而是穿过桅杆上的托架，固定在桥面上。从总共40根电缆中，选择三根不同长度的电缆（分别约86m、198m和300m）穿过西塔安装CFRP支架。在每根选定的电缆中，卸载两个钢绞线，并在同一位置安装两个新的CFRP绞线。这6根CFRP绞线均为东京绳索制造有限公司生产的CFCC 1ˆ7钢绞线，在现有CFCC钢绞线树脂填充锚具的基础上，由Penobscot窄桥设计团队与劳伦斯理工大学合作开发了一种新型CFRC钢绞线锚具。该锚固可命名为“高膨胀材料填充锚固”，如图16所示。
图16 高膨胀材料填充锚固系统
该锚固件由一个带有中空直管和砂浆的长螺纹套筒组成，套筒外面有一个用于将锚具固定到结构上的锚定螺母。该空心承窝的内径比钢绞线的直径稍大。绞线和承窝壁之间的空间由水泥基砂浆填充，称为高度膨胀材料。通过在固化过程中的膨胀，HEM在硬化后将产生足够的径向压力（在这种情况下约为75.8MPa），以便固定CFRP绞线。图17显示了高膨胀材料（HEM）填充锚固与普通砂浆直管锚固对比。
图17 高膨胀材料（HEM）填充锚固机理
高度膨胀材料填充锚固装置的插座是直管。这样可以缓解锚口附近的应力集中，但如果使用普通砂浆，则可能导致严重的蠕变（见图17a）。但HEM蠕变系数远小于普通环氧砂浆，它可以帮助锚具成功避免严重的蠕变（见图17b）。
8、EMPA Bowstring Arch Footbridge
EMPA弓弦拱人行桥是瑞士材料科学与技术实验室（EMPA）上一个小池塘上方的人行天桥。它位于瑞士苏黎世附近的杜本多夫。该桥是由EMPA的研究人员设计的，于2007年春季安装。EMPA弓形拱形人行桥的照片和草图如图23所示。
图18 EMPA弓形拱形人行桥的照片和草图
EMPA系杆拱桥是一座跨度为12m、宽度为3m的弓弦拱桥（见图18）。桥面主要由瑞士种植的挪威云杉（Picea abies）制成，后者通过CFRP条进行横向加固。在纵向上，将六根CFRP无层压带状环索布置在桥面下，在其宽度上均匀分布，作为弓弦。每根电缆宽30mm，标称截面为60平方毫米。CFRP电缆和针式锚固如图19所示。
图19 CFRP电缆和针式锚固
所用CFRP缆绳是一种非层压的针式带状环路（见图23b）。这种缆绳由瑞士Carbo-Link GmbH提供，是通过在两个圆销周围连续缠绕一条非常薄（约0.1mm厚）的CFRP带制造的。缠绕后，只有最外层的端部与下一层最外层熔合形成一个闭合回路。与层合带环相比，非层合带环锚固区（特别是与销接触的层）的剪应力和径向应力分布更均匀，因为非层合带环的不同层可以相互滑动，从而比层合带环获得更均匀的应变分布。这将导致CFRP非层合销载带状环索的应力峰值相对较小，有助于提高其极限承载力。
9、TU Berlin CFRP Stress-Ribbon Footbridge
柏林工业大学的CFRP应力带人行天桥是世界上第一座CFRP应力带桥，它位于德国柏林，由柏林工业技术大学（TU Berlin）的Schlaich教授的研究团队设计。这座桥于2007年5月竣工。竣工后，在桥梁上安装了一个主动振动控制系统。这座桥的照片和草图如图20所示。
图20 柏林工业大学的CFRP应力带人行天桥
TU Berlin CFRP应力带人行天桥是一座单跨应力带桥，垂跨比为1/60。本桥采用六根50mm宽的CFRP非层压插销带状环路缆绳作为承重构件，瑞士Carbo-Link GmbH公司也提供了这些构件。每根电缆有2ˆ5层，总厚度约为1.1 mm。单索承载能力为105kN。这些钢索与EMPA系杆拱人行天桥中使用的CFRP钢带环索相似，但不同之处在于，钢带采用钢销，钢带起点与钢带终点之间通过熔合连接在一起。缆索锚固图如图21所示。
图21 TU Berlin CFRP应力带人行天桥缆索锚固
上述锚固系统主要由两个圆销、一个三角形钢箱和两个接地螺栓组成。在两个销中，直径为80mm的锚销用于锚固，直径为100mm的转向销用于改变力的方向以便于预紧和固定。
10、Cuenca Stress-Ribbon Footbridge
横跨Jucar河的Cuenca Stress Ribbon人行天桥位于西班牙的Cuenca。该桥为Cuenca City所有，由ACCIONA，S.A.设计和施工。该桥于2011年竣工并对外开放。该桥照片及示意图如图22所示。
图22 Cuenca Stress Ribbon人行天桥及设计图
Cuenca Stress Ribbon人行天桥为三跨（72mˆ3m）应力带状桥。桥宽3m，总长度为216 m使其成为西班牙最长、世界第八的预应力带状桥梁。这座桥有两个混凝土桥墩，高度分别为21.6米和16.98米。桥面为3m×3.5m的钢筋混凝土板，支撑桥面的应力带由16根CFRP拉索组成。将CFRP拉索横向分为4组，固定在混凝土板下，纵向分为5段，每段为长43.7m，直径41mm的CFRP拉索。这些碳纤维布电缆通过一个“8”形插脚相互连接。这种分割措施是为了便于制造和运输。电缆外部是用于保护电缆的芳纶编织套管。
Cuenca Stress Ribbon人行天桥中使用的CFRP缆绳是Future Fibers为本项目专门制造的。与EMPA系杆拱桥和TU-Berlin CFRP应力带式人行天桥中使用的CFRP电缆不同，这些电缆是采用不锈钢环端接的CFRP层压带环线电缆。事实上，CFRP非层压和层压销载带状环线既有优点也有缺点。一般而言，前者具有较高的极限承载力，而后者具有较大的刚度和较小的蠕变。因此，与其判断哪个更好，不如说它们有不同的用途。
为了在Cuenca Stress Ribbon人行天桥中锚固和连接CFRP缆绳，ACCIONA的工程师设计了销钉锚固的锚固和连接，如图23所示。图28a为CFRP拉索的锚固结构，由钢叉、钢筋和锚销组成。图28b所示为两条CFRP缆绳之间的连接结构，由“8”形钢板和锚定销构成。锚具钢筋采用球形螺母和锚定板在台背墙处进行预张拉锚固。
图23 专门设计的销钉锚固