系杆拱桥用CFRP吊杆索的设计及应用研究 *

2021-07-31刘礼华朱元林黄盛彬陈启权曹伟星尹发聪

现代交通与冶金材料 2021年1期

刘礼华，朱元林，黄盛彬，陈启权，曹伟星，尹发聪

(1.法尔胜泓昇集团有限公司, 江苏江阴 214434； 2.高邮市交通运输局, 江苏高邮 225600； 3.华设设计集团股份有限公司, 江苏南京 210014； 4.中铁十局集团有限公司, 山东济南 250001)

1 概述

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等优点[1-4]。将CFRP筋用于桥梁缆索，已成为提高桥梁跨径与耐久性的一个发展方向。

吊杆索是组成系杆拱桥、悬索桥以及大型空间结构等索承结构的关键传力构件。传统的吊杆索主要由高强度镀锌钢丝和锚具组成(简称钢吊杆)，在运营过程中，吊杆内钢丝在侵蚀性环境及轴向拉力的双重影响下极易发生腐蚀，特别是在锚具等容易积水的部位，相应，吊杆的断裂韧性和疲劳抗力也将显著降低，严重影响桥梁的安全和寿命。据报道[5]，国内已有多起桥梁吊杆服役期间发生严重腐蚀问题而进行更换的工程案例(桂平黔江大桥、珠海淇澳大桥、汕头海湾大桥、张家港南桥等)，而时间多发生在通车后8-20年间，远远低于桥梁结构的使用寿命。此外，一些系杆拱桥由于没有及时发现和更换吊杆而发生了桥梁坍塌，2001年宜宾南门大桥(1990年通车)、2011年新疆孔雀河大桥(1998年通车)、2011年武夷山公馆大桥(1999年通车)、2019年台湾南方澳跨海大桥(1999年通车)的坍塌，就是典型的吊杆腐蚀疲劳引起结构破坏的案例。目前，我国在役的大部分桥梁已经入维修养护周期，这些桥梁大多面临换索工程，若仍采用钢吊杆，其二次维护周期依然很短，桥梁就会陷入短周期换索的循环中。为提高吊杆的耐久性，除了进一步研究防护措施外，采用耐蚀性和疲劳性都优良的CFRP 吊杆索替换钢吊杆，可从根本上解决钢吊杆的腐蚀和疲劳问题，不仅可降低桥梁整个使用寿命期的维修成本，提高桥梁的安全性，而且也会大大降低因换索而需封桥带来的交通等一系列社会问题。

国内外对CFRP索的研究始于20世纪80年代，已经建有一些应用CFRP索的桥梁，如表1所示。1996年瑞士材料测试与研究联邦实验室[6](EMPA)开发出了带有锥形树脂浇铸端头的CFRP索，在苏黎世Stork桥上应用了2根CFRP索，这是世界上第一座采用CFRP索的公路桥。2006年美国Penobscot Narrows桥所用CFRP索是由多根1×7规格CFRP绞线制成，其强度为2200 MPa[7]。2020年德国Stadtbahn桥应用了72根CFRP吊杆，这是世界上第一座全桥采用CFRP吊杆索的网式斜吊杆拱桥。国内梅葵花等[8]针对CFRP索进行了大量的试验，探索了CFRP索的制索工艺，于2005年在镇江设计并建造了国内首座CFRP索独塔斜拉人行桥，其CFRP索强度为2300 MPa，锚固效率为93%；朱元林等[9]设计并初步研制了19丝规格的CFRP索，在国内首次进行了疲劳应力上限为45%标准抗拉强度、应力幅为250 MPa的250万次疲劳试验。

表1 国内外CFRP索的应用情况

目前，国外有以瑞士Carbo-Link和日本东京制纲为代表的企业进行CFRP索的小批量生产及公路桥应用，但国内对CFRP索及应用技术还缺乏系统研究，公路桥应用案例鲜有报道。本文将结合国内首座应用CFRP吊杆索公路桥的建造，研究CFRP索的设计及应用。

2 国内首座应用CFRP吊杆索系杆拱桥概况

三垛西桥位于高邮三垛镇，桥跨组成为：9×20 m+92.64 m+10×20 m，全桥长479.12 m，桥面宽度12.8 m。主桥上部结构为下承式钢管混凝土系杆拱桥；下部结构为柱试墩，引桥上部结构为20 m先张法预应力砼空心板，下部结构为柱试墩，薄壁式桥台，钻孔灌注桩基础。

桥型半立面结构图如图1所示，全桥效果图如图2所示。全桥共采用32根吊杆，其中2#索及对称位置采用CFRP吊杆索，共应用4根，其余28根采用规格为15-9环氧涂层钢绞线吊杆索，设计索力为800 kN。目前三垛西桥的CFRP吊杆索已完成挂索安装施工，计划2021年9月通车验收。

图1 半立面桥型图(单位:cm)

图2 三垛西桥效果图

3 CFRP吊杆索设计及制造

3.1 CFRP吊杆索设计

用于该桥的CFRP吊杆索由法尔胜泓昇集团制作提供，CFRP吊杆索规格采用Φ7-31 mm，长度10.56 m，公称破断索力为3100.2 kN。CFRP吊杆索与原方案采用环氧钢绞线吊杆索的性能对比如表2所示。

表2 CFRP吊杆索与钢绞线索性能对比

CFRP筋是由T700级碳纤维和环氧树脂基体复合而成，纤维体积含量为72%。

CFRP索的结构示意图如图3所示，索体剖面图如图4所示。将索体中筋材进行扭绞，锚固端筋材发散开来进行锚固。提高了CFRP索中筋材的受力均匀性及锚固性能，同时便于CFRP索的盘卷与运输。

图3 CFRP索结构示意图

图4 Φ7-31 mm规格CFRP索剖面图

3.2 CFRP吊杆索制造

CFRP吊杆索的制索工艺如下：筋材放丝切割→扭绞编索→缠绕聚酯纤维带→热挤PE护套→精下料→锚固部位剥套→分丝板穿丝→灌锚→力学性能检验。针对CFRP筋的特点，重点研究了CFRP筋扭绞编索工艺、锚固端发散工艺及锚固工艺，保证整个制索过程中CFRP筋不受到损伤。制作完成的CFRP吊杆索如图5所示。

图5 CFRP吊杆索

4 CFRP吊杆索力学性能研究

4.1 CFRP吊杆索疲劳性能研究

疲劳试验索采用Φ6.7-37 mm规格，制作工艺同3.2节。索体中间自由段长度为3.5 m，有效承载面积为1303.83 mm2。疲劳试验采用INSTRON疲劳试验机，如图6所示，设备吨位为250 t，拉伸试验通过锚杯端面承压方式加载。试验索中间部位加持标距为2 m的引伸计，测量拉索的弹性模量。

图6 CFRP吊杆索拉伸疲劳试验

疲劳试验的应力水平上限取1170 MPa，应力幅值取375 MPa。疲劳上限载荷为1526.3 kN，幅值载荷为489.2 kN，疲劳下限载荷为1037.1 kN，加载频率为0.7 Hz ，经过250万次循环疲劳试验后，CFRP吊杆索无断丝，锚固系统无异常，不同循环加载次数下载荷-位移曲线如图7所示。疲劳试验后进行静载拉伸试验，载荷-位移曲线如图8所示，呈线性关系，试验最大载荷为3394 kN，拉伸强度大于2603 MPa，弹性模量为179 GPa，拉索无断丝，铸体及锚具无异常。在疲劳试验不同循环次数及疲劳后静载拉伸试验中，分别进行了索体弹性模量及筋材回缩量测量，如表3所示。从图7及表3中可以看出，不同循环次数下的载荷-位移曲线基本重合，拉索弹性模量基本不受疲劳载荷的影响，随着疲劳加载循环次数的增加，锚杯后端筋材的回缩量不超过0.5 mm，表明锚固系统稳定可靠。

图7 不同循环次数下载荷-位移曲线

图8 疲劳后静载拉伸载荷-位移曲线

表3 不同循环次数下弹性模量与筋材回缩量

4.2 CFRP吊杆索静载及超张拉检验

对Φ7-31 mm规格CFRP吊杆索进行静载拉伸试验，索长5.1 m。静载试验张拉设备如图9所示，拉伸试验通过锚杯端面承压方式加载，加载速度不大于100 MPa/min。试验索中间部位加持标距为2.003 m的引伸计，测量弹性模量。静载试验先进行预张拉，张拉至1429 kN，持荷10 min，卸载后再进行正式加载，最终试验结果如表4所示。

图9 CFRP吊杆索超张拉检验

从表4可以看出，Φ7-31规格吊杆索的实测破断拉力为3150.0 kN，高于表2中的公称破断索力3100.2 kN，按该批次筋材拉伸试验测出有效强度最低值2780 MPa计算，静载效率系数为95.0%。

表4 Φ7-31规格CFRP吊杆索静载拉伸试验结果

Φ7-31规格CFRP吊杆索静载拉伸破坏如图10所示，最终破坏形式为中间索体自由段筋材发生断裂破坏，锚固系统无异常，充分发挥了CFRP筋的拉伸强度。

图10 Φ7-31规格CFRP吊杆索静载拉伸破坏图片

图11为Φ7-31规格CFRP吊杆索正式加载的载荷-位移曲线，从图中可以看出载荷与位移基本上呈线性增长关系。

图11 Φ7-31规格CFRP拉索载荷-位移曲线

静载前后对CFRP吊杆索锚固后端外露筋材的回缩量进行了测量，测试结果如表5所示，整体回缩量小于5.1 mm，表中数据表明回缩量主要集中在预张拉过程中，正式加载产生的回缩量相对较小。

表5 Φ7-31规格CFRP吊杆索筋材回缩量

对实桥应用的4根Φ7-31规格CFRP吊杆索进行超张拉检验。超张拉载荷取1000 kN，并分为5级加载，加载速度不大于100 MPa/min，每级加载持荷5 min。超张拉过程中，检测CFRP吊杆索的弹性模量及锚杯后端筋材回缩量，如表6所示，其中弹性模量≥166 GPa，筋材回缩量≤1.07 mm，参考GB/T 18365《斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索》中规定的超张拉后内缩值≤6 mm，检验结果符合技术指标。