桥梁用CFRP筋/索锚固系统力学性能研究进展

赵 军，蒋振雄，朱元林，黄盛彬，周祝兵，樊秋杨

（1.江苏法尔胜缆索有限公司，江苏 江阴 214445；2.江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210004；3.江苏法尔胜纤维材料科技有限公司，江苏 江阴 214445）

引 言

缆索是现代桥梁的核心承力构件，其强度级别和耐久性能是两个最重要的指标。近20年来，桥梁钢丝缆索强度级别从1570 MPa逐步发展至2100 MPa，与耐久性相关的耐腐蚀镀层也由镀锌发展为镀锌铝合金［1］。由于高碳钢丝所用原材料本身存在着强度提升塑韧性相对下降的材料特性，钢丝缆索的强度级别不可能无限提升，在临海腐蚀环境与疲劳应力共同作用下，钢丝缆索的耐久性会大幅度下降，无法做到与桥梁主体同寿命。

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）是指由碳纤维与环氧树脂复合形成的高性能材料，具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、热膨胀系数低等优点［2］。轻质（CFRP筋密度约为钢丝的1/5）的优势使得桥梁跨径在设计上可以取得进一步突破，拉索的轴向受力特点可充分发挥CFRP筋轴向强度高的优点，进一步提高缆索产品的强度级别，优异的耐腐蚀和抗疲劳性能可从根本上解决钢丝缆索的腐蚀和疲劳问题。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。

CFRP筋是由碳纤维和树脂基体通过拉挤成型工艺制成。CFRP筋作为单向复合材料，沿碳纤维轴向性能优异，但横向性能较差，容易被锚固系统较大的横向夹紧力造成损伤而发生锚固失效，导致CFRP筋锚固困难，难以充分发挥其轴向高强度。CFRP筋的锚固问题已成为制约CFRP筋大规模应用于桥梁缆索的关键问题。

近年来，国内外学者对CFRP筋/索锚固系统力学性能及环境影响因素开展了一系列的试验研究及数值模拟等工作，本文重点回顾了上述研究工作进展，对已有研究工作进行总结分析并对今后的研究方向进行展望。

1 CFRP筋锚固系统介绍

为解决CFRP筋的锚固难点，国内外开发了多种多样的CFRP筋锚固系统。目前，主流的CFRP筋锚固系统主要分为夹片式锚固系统、粘结型锚固系统［3］。

夹片式锚具是由锚环和夹片组成，如图1所示。工作时，CFRP筋受到夹片的内锥作用，产生的摩擦力和机械咬合力对CFRP筋进行锚固。该类型锚具操作方便，便于现场施工安装，但是该锚固系统中CFRP筋容易发生滑移现象，并且夹片的牙纹和过大的径向剪切应力会对筋材带来“切口效应”，破坏锚固系统。

粘结型锚具主要由粘结介质和套筒组成。根据套筒的结构形式分为2种类：直筒式锚具（如图2（a）所示）、内锥式锚具（如图2（b）所示）。该类锚具主要靠粘结介质与CFRP筋的化学胶着力、粘结介质与锚具内壁的摩擦力和机械咬合力对CFRP筋进行锚固。该类锚固系统疲劳性能优异，并且锚固系统不会对CFRP筋带来损伤。但其灌锚工艺较为复杂、锚固效果受环境因素影响较大。

2 CFRP筋夹片型锚固系统力学性能研究进展

针对CFRP筋夹片型锚固系统，主要采用试验与数值模拟相结合的方法进行研究。

梁栋等［4］通过试验主要研究了夹片预加力、锚杯内壁倾角和长度对CFRP筋锚固系统静载性能的影响规律。试验表明在预加力不会使夹片对CFRP筋造成剪切破坏的前提下，预加力越大，则CFRP筋与夹片相对与锚杯的滑移量越小，锚固效率越高。锚具组件的极限拉力随锚具长度的增加而增加，锚具内壁倾角为3°时，锚固系统的锚固效率及稳定性相对最佳。

张军等［5］对CFRP筋的夹片型锚具进行改进，通过试验分析了锚具锥度、预紧力、铝套管厚度等参数对锚具锚固性的影响。结果表明：锥度为1：15时，锚具实现了筋材在外部的爆断理想破坏，锥度的降低可减小锚具内筋材上的应力集中。夹片内壁做牙纹处理以及采用表面为橘印花纹的铝套管可减小锚具的滑移，筋材直径大的锚具适合厚度大的铝套管，反之则用厚度小的套管。预紧力的增加会减小锚具各组成部件的滑移量，但不会影响锚具的极限拉力。

徐平等［6］通过试验分析了夹片型锚固系统失效的原因。证明了CFRP筋本身的性能及表面类型与锚固系统静载性能有关，表面（表面类型主要分光圆筋、带肋筋、缠丝筋等）越光滑锚固难度越高，纤维体积含量越大，锚固越困难。

张云峰［7］等预开发一种新型夹片型CFRP筋锚固系统并对该锚固系统的夹持效果做了定性研究分析。根据锚固系统对称性，利用二维轴对称单元进行有限元分析，模型涉及到几何、状态非线性，材料按弹性设置。摩擦接触对采用面-面接触。试验结果表明夹片与锚环采用变角度设计、CFRP筋套上钢套管保护，可以降低筋材表面剪应力使得预应力筋发生“应力重分布”，锚环锥度2.09°、夹片锥度2.19°的变角度设计及90 mm的锚具长度为该锚固系统的最佳设计参数。

蒋田勇［8］对CFRP筋夹片式锚具系统进行数值模拟，采用轴对称模型，考虑了夹片锚具弹塑性和接触非线性，采用Tsai-Wu失效准则判定CFRP筋的失效，计算获得的CFRP筋荷载-滑移曲线与实际情况接近。

侯苏伟［3］对夹片型锚固系统进行参数优化，主要参数有夹片凹槽、套筒、预紧力、组装工艺。对最优参数的夹片型锚固系统进行拉伸疲劳试验研究，研究发现：夹片型锚固系统可以通过200万次疲劳加载试验，但疲劳后剩余强度大幅度下降，为初始强度的50%～60%。

丁汉山［9］对夹片型锚具应用于CFRP筋的实际锚固性能进行了试验研究。试验结果表明，当锚具长度为95 mm，夹片与锚环之间的锥角差为0.3°左右时，锚具锚固性能较好。此外，预紧力对筋材的极限张拉强度没有影响，但会影响锚具体系各部分的滑移量，预紧力越大，各部分的滑移量越小。

综上所述，通过对夹片型锚固系统的参数研究及优化，目前已开发出了适用于CFRP筋的夹片型锚固系统，可对CFRP筋的静载拉伸性能进行测试，但夹片型锚固系统的抗疲劳性能不佳，疲劳后的锚固性能急剧下降，无法发挥CFRP筋优异的抗疲劳性能。此外，由于夹片型锚固系统对组装工艺及加工精度要求较高，并不适用于CFRP索股的群锚。CFRP索股由几十至几百根CFRP筋组成，夹片型锚固系统很难保证索股中CFRP筋的受力均匀性。

3 CFRP筋粘结型锚固系统力学性能研究进展

与研究夹片型锚固系统类似，粘结型锚固也主要采用试验与数值模拟相结合的方法进行研究。

李彪等［10］针对粘结型锚固系统，研究了筋材表面处理方式及纤维体积含量对锚固系统的力学性能影响。通过分析筋材的破坏形态及锚固系统的拉伸力学性能，证明了筋材纤维体积含量在不超过70%的情况下，锚固系统拉伸强度随纤维体积含量的增加呈上升趋势。筋材表面环氧胶膜黏砂对锚固性能的提升效果最好，其次分别是打磨处理和环氧树脂粘砂。

朱浮生等［11］研究了CFRP筋与混凝土的粘结机理，考虑的因素主要有CFRP筋的直径、表面形式、混凝土强度等。试验结果显示带肋CFRP筋与混凝土的粘结强度达到18.18 MPa，光圆CFRP筋仅为2.12 MPa；7 mm直径的CFRP筋与混凝土的粘结强度为8.69 MPa，10 mm直径的CFRP筋与混凝土的粘结强度为6.954 MPa，14 mm直径的CFRP筋与混凝土的粘结强度为4.99 MPa。试验得出以下结论：CFRP筋与混凝土间的粘结力由化学粘结力、摩擦力和机械咬合力三部分组成且以机械咬合力为主；CFRP筋的泊松效应和剪切滞后现象导致CFRP与混凝土的粘结强度随CFRP筋直径的增大而减小。

朱元林等［12］等选取了多种锚固料来研究粘结型锚固系统的锚固性能。四种锚固填料载荷-位移曲线如图3所示。试验证明Wirelock在固化过程中易收缩，胶体与锚具内壁间易发生滑移；冷铸填料为高温固化，整个固化过程高温对CFRP筋本身性能带来损伤，降低了锚固系统的极限拉伸载荷；配制的环氧砂浆填料，在锚固长度达到40倍筋材直径的情况下能有效锚固CFRP筋，并通过了200万次拉伸疲劳试验［13］，锚固系统没有任何损伤，疲劳加载后筋材的强度及模量不下降。

黎健等［14］等采用提高CFRP筋与粘结介质间的界面抗剪能力来提高CFRP筋锚固系统的锚固性能。他们将铝合金管通过挤压的方式在CFRP筋表面形成附加肋，结构如图4所示。分析了铝合金管附加肋硬度、壁厚和长度对CFRP筋-附加肋界面抗剪性能的影响，并对比分析了CFRP筋-附加肋界面抗剪强度和CFRP筋-粘结介质界面抗剪性能。结果表面：附加肋可有效提升CFRP筋的锚固性能。但该方法仍需优化，铝合金管径向无法同步均匀挤压，CFRP筋会受到一定程度的损伤。

方志等［15］通过对不同粘结介质CFRP筋锚固系统的静载试验，提出高性能混凝土RPC综合性能优良，可以对表面有压纹的高强CFRP筋提供有效锚固。当粘结胶为环氧树脂时，不同的骨料下的锚固系统，锚固性能基本一致。

针对CFRP粘结型锚具理论分析相对滞后的现状，梅葵花［16］用解析法及有限元分析法对三种不同结构的粘结型锚具进行了受力分析，为CFRP粘结型锚具的优化设计提供理论基础。分析出较长直筒式锚具粘结应力分布越不均匀，平均应力越小，但极限抗拉强度越高；采用有限元分析的方法，建立轴对称模型，进行面-面接触分析，证实内锥式锚具结构可通过增大摩擦力，来提高CFRP筋与锚固料之间的粘结强度；直筒+内锥式锚具在提高残余粘结强度的同时，直筒端可避免受荷端处的应力集中现象，因此，直筒+内锥式锚具最适合CFRP筋粘结型锚固系统。

朱元林等［17］及刘桂荣等［18］对 CFRP筋粘结型锚固系统进行了数值模拟，考虑了锚具内壁摩擦系数、锥段角度、锚具前端有无直筒过渡段等影响因素。各考虑因素与筋材剪应力的关系如图5所示。研究表明［17］：适当提高锚具内壁粗糙程度，可减小CFRP筋的位移与径向压力；随着锥段角度增大，CFRP筋在锚具锥段所受的径向挤压应力峰值逐渐减小，所受剪应力峰值逐渐增大；在锥段末端增设直筒过渡段可以缓解CFRP筋所受到的径向挤压应力与剪应力峰值，缓解系数分别为76.78%与52.90%。

综上所述，针对粘结型锚固系统主要对CFRP筋规格及表面形式、锚固料类型、锚具几何结构等参数进行研究，来提高CFRP筋与锚固料的粘结性能及降低CFRP筋在锚具锥段产生的剪应力峰值。相较于夹片型锚固系统，粘结型锚固系统对CFRP筋的损伤较小，易于发挥CFRP筋的力学性能，具有较好的疲劳性能。由于粘结型锚固系统为整体灌锚固化，适用于CFRP索股的群锚。

4 环境因素对粘结型锚固系统影响研究进展

4.1 温度对CFRP筋锚固系统影响

对于CFRP筋粘结型锚固系统，温度会对CFRP筋及锚固料的性能产生影响。

张春雷等［19］对CFRP筋开展了高低温人工加速老化试验。为验证老化试验对筋材的整体性能影响，对做完老化试验后的CFRP筋进行了弯曲和抗拉强度测试，同时还通过SEM观察了老化后CFRP筋的内部形貌。试验证明老化前期筋材的抗弯和抗拉强度会有略微下降，后期将处于稳定状态，高低温老化对筋材整体性能影响不大。

付成龙等［20］对不同直径的CFRP筋进行了不同温度下的弯曲和压缩性能测试，试验表明CFRP筋的弯曲和压缩强度随温度的升高呈下降趋势，其中在 70℃和150℃条件下保温30 min后，CFRP筋材的弯曲强度分别下降了6%～18%和31%～43%；压缩强度分别下降了15%～22%和36%～40%。可见高温对CFRP筋锚固系统承载构件影响较大。

张新越等［21］开展了CFRP筋冻融耐久性试验研究。冻融试验将CFRP筋直接放入水中，每天进行8各循环（每个循环中1 h冷冻时间，2 h解冻时间），冻融循环温度为-17.8～7℃。冻融循环试验后，CFRP筋强度和刚度变化不大，具有很好的抗冻融性。

Hamed等［22］对30～200℃温升处理3h后CFRP筋的轴向拉伸性能进行了试验研究，结果表明：处理温度低于玻璃化转变温度Tg=110℃时，筋材抗拉强度的退化幅度可忽略不计；处理温度高于Tg时，筋材轴向抗拉强度显著下降；由于温度对成型环氧树脂的影响，325℃临界温度下，CFRP筋的抗拉强度和弹性模量分别下降了55%和30%，CFRP筋与混凝土之间的粘结强度下降率高达81.25%。

方志等［23］等研究了高温下CFRP筋粘结型锚固系统的力学性能。试验主要研究高温对CFRP筋及CFRP筋与混凝土粘结强度两个方面的影响，建立了适于分析高温后CFRP筋临界锚固长度及粘结型锚固区粘结强度的实用计算公式。试验中采用的CFRP筋为12.2 mm粗的带肋筋材，筋材Tg值为211.6℃。试验结果表明：对于筋材轴向拉伸的试件，处理温度为100℃，筋材静力性能与常温相比未发生变化，筋材经过200℃和300℃温升作用后，其抗拉强度与弹性模量较常温试验件分别下降了6.4%、8.2%和16.6%、18.3%；对于锚固性能试验，试件的粘结强度随处理温度和粘结长度的增加而降低。粘结长度一定时，处理温度为200℃与300℃试件的粘结强度较常温试件分别下降了31.5%～36.3%和44.2%～47.4%。

谢剑等［24］等通过试验分析了低温工况对筋材与混凝土粘结性能的影响规律。试验表面：极低温下CFRP筋粘结型锚固系统的锚固性能会发生明显下降，CFRP筋与混凝土的粘结界面趋于脆性，试件破坏形式以CFRP筋拔出为主。但粘结强度在-80～-18℃的范围内并不呈现单一趋势的变化规律，如图6所示，低温下粘结性能受到多种耦合因素影响（如混凝土的逆膨胀等）。

从上述研究可以看出，当处理温度低于CFRP筋玻璃化温度时，温度对CFRP筋拉伸性能影响忽略不计，当处理温度高于CFRP筋玻璃化温度时，CFRP筋拉伸性能有较大幅度下降。高温处理会使CFRP筋与混凝土之间的粘结强度发生明显下降，但针对采用环氧砂浆作为锚固料的粘结型锚固系统，温度对其锚固性能的影响研究还鲜有报道，有待开展系统研究。

4.2 腐蚀环境对CFRP筋锚固系统影响

国内对CFRP筋锚固系统的耐腐蚀性能研究较少，但对锚固系统中承载构件CFRP筋的研究分析较多且具有明确结论。

张新越等［21］开展过CFRP筋酸碱盐介质腐蚀试验研究。腐蚀试验选用3种不同腐蚀介质溶液，碱性溶液采用NaOH和Ca（OH）2组成，酸性溶液采用HCl，盐溶液由NaCl和CaCl2组成。结果表明CFRP筋具有很好的耐酸、耐碱、耐溶液腐蚀的性能。

董志强等［25］通过试验研究了CFRP筋的耐腐蚀性能。通过不同温度腐蚀溶液的浸泡后，对筋材进行拉伸性能测试，结果表明CFRP筋的抗拉强度基本不发生变化，但弹性模量发生了一定程度的下降。

张玉亮［26］也对CFRP筋的耐腐蚀性能展开了一定研究，并在试验数据的基础上建立了腐蚀模型。由于环氧树脂基体具有吸水的特性，在碱性溶液中，基体中的酸酐与OH-发生酯键造化反应；在酸溶液中，基体材料与酸溶液发生醚键水解和氯代水解反应，整体而言吸水率都在两个月后趋于稳定。整个试验过程中，主要承载作用的碳纤维不与酸碱发生反应，环氧树脂基体发生一定的分解反应，所以CFRP筋的力学性能发生了小幅下降，且随着腐蚀程度的增加，CFRP筋最终的抗拉强度存在一个临界值，达到临界值后筋材的剩余强度不会再随腐蚀程度的增加而下降。

田飞［27］根据CFRP可能所处的服役环境，用清水、碱溶液和人工海水溶液分别模拟实际工况研究CFRP筋的耐腐蚀性能。CFRP筋在碱溶液和人工海水溶液中浸泡后抗拉强度、弹性模量等比清水仅有略微下降。

龚永智等［28］研究了海水环境对CFRP筋的抗压及抗拉性能影响。其中试验表明：110 d人工海水的浸泡条件下，进口与国产CFRP筋的抗拉强度分别下降了3.2%和4.1%，弹性模量分别下降了4.1%和5.5%。可见海洋环境下CFRP筋的轴向力学性能变化不大。

刘生纬等［29］分析了在硫酸盐干湿循环作用下CFRP筋与混凝土界面间的粘结性能。试验证明随着作用时间的延长，界面粘结强度逐渐降低，且在腐蚀后期下降速率明显加快。

朱街禄等［30］将CFRP筋锚固系统放入酸碱盐溶液中浸泡90 d。锚固系统为直筒40Cr锚具，粘结介质为环氧砂浆。三种溶液浸泡下筋材表面均变化不大，酸溶液和盐溶液中锚具都出现了锈蚀现象。通过拉拔试验后发现，酸碱盐腐蚀降低了CFRP筋与粘结介质的粘结性能，腐蚀越严重，筋材滑移越严重，且碱性溶液中筋材的滑移量最大。

谢桂华等［31］将CFRP筋粘结型锚固系统放入在23℃盐溶液中浸泡30 d、50℃盐溶液中浸泡30 d和50℃盐溶液中浸泡60 d，浸泡后经拉伸CFRP筋与环氧砂浆锚固料间的粘结强度平均值分别下降了8.89%，22.27%和42.20%，分析为吸水率是影响界面粘结力的主要因素，体现了湿度和温度对粘结型锚固系统锚固性能的重要影响。浸泡拉伸后滑移区筋材表面状态如图7所示，锚固系统的失效主要表现为筋材从锚固料中拔出，破坏模式为筋材-锚固料之间的界面滑移破坏。

从上述研究可以看出，酸碱盐腐蚀环境下CFRP筋的力学性能下降不多，但对粘结型锚固系统而言，酸碱盐腐蚀环境会明显降低CFRP筋与锚固料之间的粘结强度。

5 CFRP索锚固系统力学性能研究进展

由于CFRP筋抗剪性能较差，制成碳纤维复合材料索后，筋材容易在锚杯前端产生剪应力集中，使筋材发生剪切破坏。国内外不少学者针对这一点对CFRP索的锚固系统进行了研究。

瑞士材料测试与研究联邦实验室［32］（EMPA）针对CFRP筋在粘结型锚具中锚固端应力集中的问题，开发出了一种载荷传递介质弹性模量渐变的粘结型锚固系统，如图8所示。采用弹性模量渐变的荷载传递介质，从锚具前端到后端，载荷传递介质的弹性模量逐渐提高，避免了在锚具前端CFRP筋表面产生很高的剪应力集中，同时又保证了锚具内部筋材的受力均匀性。EMPA进行了大量静力试验和疲劳试验，结果证实了这种锚固系统的可靠性，该锚固系统下的静力承载力可达到所有单根CFRP筋极限承载力之和的92%。

Feng等［33］采用分级灌锚，形成锚固料变刚度的锚固方式，如图9所示，减少了锚固前端应力集中的同时提高灌锚密实度。研制的CFRP索静载锚固效率达97%，在最大应力0.45标准强度值和应力幅值200 MPa下循环200万次，索股和锚固均未出现宏观裂缝，与初始性能相比，残余强度和刚度分别达到95%和96%。

吕志涛等［34］主持了国内首座CFRP索试验人行桥的设计和应用研究。在设计研究中，阐述了该桥主要部件的设计要点，采用有限元法分析其整体受力性能；结合该桥的建造，分析各种黏结型锚具的受力性能，研制一种粘结型CFRP索锚具，并对5组试验索进行试验研究；阐述CFRP索的制备工艺和安装工艺；根据施工过程仿真分析结果，提出对拉索一次性张拉到位的张拉方案，并对张拉期间的各项测试结果进行分析。通过本试验桥的研究，基本解决CFRP索在中等跨径斜拉桥中应用的设计和施工方面的问题。

以上CFRP拉索中的筋材为平行排列方式，存在索股盘卷困难，受力不均的问题。为解决上述问题，法尔胜泓昇集团［35］开发了带轻微扭绞的37丝规格CFRP索，如图10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。该索锚固效率为95%，通过应力上限为45%标准强度，应力幅值为375 MPa的250万次疲劳试验，并应用于高邮三垛西桥，实现了CFRP拉索在国内应用于公路桥梁零的突破。

6 结语与展望

CFRP筋轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳的优异性能，将其用于桥梁缆索，已成为提高桥梁跨径与耐久性的一个发展方向。目前，常泰长江大桥拟采用CFRP水平索［36-37］，利用其热膨胀系数低的特性形成温度自适应塔梁纵向约束体系，此外川藏高原铁路桥梁拟采用大吨位CFRP索，利用其耐腐蚀性能及良好的冻融性能来提高桥梁缆索在恶劣环境下的服役寿命。针对CFRP筋在缆索领域的发展，还需重点研究以下几个方面：

（1）CFRP索锚固系统与单孔CFRP筋锚具存在一定的差异，若不采用单根CFRP筋作为拉索承力构件，从缆索制作工艺及缆索设计安全上分析，粘结型锚固系统更适合用于CFRP索的锚固，粘结型锚固系统的冻融循环试验及湿热老化后疲劳性能有待研究。

（2）CFRP索应用后的安全监测工作亟待解决，来保证前沿产品的应用安全性。在CFRP筋的拉挤成型过程中植入光纤光栅传感器制成智能筋，CFRP智能筋具有自感知特性，可用于CFRP索的实时索力监测。

（3）CFRP筋的横向抗剪、抗冲击及防火性能较差，工程应用时服役环境随机性较大，为保证CFRP筋/索的服役安全，CFRP筋/索的横向抗冲击性能、防撞及阻燃防火保护措施应进一步研究。

（4）为进一步推进CFRP索的应用市场，CFRP索行业标准体系需尽快制定，来规范CFRP索产品的技术质量，保证CFRP索应用安全。