碳纤维增强聚合物在桥梁工程中的应用

李博彦

（广西大学 土木建筑工程学院，广西南宁 530004）

0 引言

随着我国经济社会的发展，交通运输业取得了前所未有的发展，这必然要求桥梁具有更好的营运功能与更长的服役时间，但是超负荷承载车辆的传统钢筋混凝土桥梁较易产生一系列病害问题，如钢筋锈蚀、混凝土开裂等，会严重影响桥梁的正常使用功能与寿命。碳纤维具有高强度、高模量和低密度的特点，其与聚合物材料复合形成碳纤维增强聚合物（CFRP）应用于桥梁结构，可以有效减轻桥梁的自重负荷，从而降低了桥梁结构的应力和变形。可见，CFRP可广泛应用于斜拉桥拉索、桥梁梁板、桥墩、桥面铺装和桥梁加固等方面[1]，其独特性和优势在桥梁工程建设中发挥着重要作用[2-3]。

1 碳纤维增强聚合物优势与特点

碳纤维是由聚丙烯腈、沥青、粘胶等高分子材料在1000 ℃以上高温的惰性气体下碳化而制成的一种含碳量在90%以上的纤维。碳纤维是一种力学性能优异的高性能纤维，比重不到钢的1/4，比强度可达到2000 MPa/(g/cm3)以上，比强度和比模量均比钢材高。碳纤维还具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等。碳纤维增强聚合物是由碳纤维与聚合物材料，通过物理或化学的方法形成具有新性能的复合材料，各种材料组份在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同工况的要求。碳纤维增强聚合物具有重量轻、耐腐蚀、强度大等优点。此外，碳纤维增强聚合物具有良好的阻尼特性、抗疲劳性能和优异的抗震性能，正被广泛用作各种形式的桥梁结构材料，结合良好的抗腐蚀性能，可延长桥梁的使用寿命[4]。

碳纤维增强聚合物的基体树脂具有良好的可塑性，这为大批量化生产CFRP提供了技术可行性。依据所用基体树脂的不同类别，碳纤维增强聚合物主要分为热固性树脂基碳纤维复合材料和热塑性树脂基碳纤维复合材料。热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团高分子量的聚合物组成，成型过程中在固化剂或热作用下进行交联固化，形成不熔不溶的交联体型结构，常用环氧树脂、不饱和树脂、酚醛树脂等；热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在一定条件下溶解和熔融，只发生物理变化，常用聚乙烯、聚丙烯、尼龙等。结合树脂成型加工技术特点，碳纤维增强聚合物成型加工技术发展了手糊成型、模压成型、拉挤成型、缠绕成型、树脂传递模塑、热压罐成型等成型加工技术，极大地提高了产品的生产效率，碳纤维增强聚合物进而可适合模块化桥梁结构建造、环保维护与养护需求等技术领域。

2 碳纤维增强聚合物在桥梁中的应用

近年来，碳纤维增强聚合物在自身的成型工艺方面取得了长足发展，批量制造桥梁或桥梁部件成为现实，产品标准化程度高，能满足大工程量的使用需求。目前，纤维增强聚合物在桥梁工程中得到广泛应用，主要体现在桥梁拉索、桥梁梁板、桥梁加固、桥墩和桥面铺装中。

2.1 斜拉桥拉索

传统斜拉桥钢索在使用中普遍存在两大技术瓶颈[5]：一是拉索的锈蚀问题，拉索长期受空气环境温度与湿度等作用而锈蚀，严重时会发生断索事故；二是拉索跨度增大引起承载效率低下的问题。桥梁跨度增长导致拉索长度更大，承担更重的主梁使得拉索自重呈几何倍数增加，结构承载效率降低。CFRP兼具良好的抗腐蚀性和轻质高强两大优势，有利于解决钢索遭遇的两大难题，CFRP优异的耐疲劳、低松弛等物理性能亦能满足斜拉桥索结构承力的基本需求[6]，这使CFRP作为钢拉索的替代材料成为可能。

世界上首次将CFRP与钢索混合应用于1996年建成的瑞士Stork桥。随后，美国、法国、日本在桥梁中陆续使用CFRP-Steel混合拉索，也有在荷载轻、跨度小的人行天桥中使用全CFRP索。我国首座CFRP斜拉桥诞生于2004年，梅葵花、吕志涛[7]采用CFRP作为江苏大学人行天桥全桥拉索结构，该桥采用独塔双索式结构，共计使用16根CFRP拉索。虽然CFRP材料在桥梁领域一经出现便受到了广泛青睐，但材料本身造价昂贵，制作工艺复杂，目前它作为斜拉桥拉索还处于理论试验阶段。随着技术的发展，CFRP拉索必将越来越多地应用于桥梁拉索中。

2.2 桥梁梁板

随着复合材料成型加工技术的发展，碳纤维增强聚合物或玻璃纤维/碳纤维混合复合材料制造的桥梁梁板重量轻，可被运输到建造现场或在现场组装。与传统钢筋混凝土桥面板相比，纤维增强材料制成的桥面板优势突出[8]：一是CFRP桥面板具有优异的抗腐蚀和耐久性，养护成本低；二是CFRP桥面板自重较轻，利于桥梁安全使用；三是CFRP桥面板为弹性材质，抗疲劳性能强。采用拉挤成型批量制成工字形、T形、槽形、箱形、多边形、管形等型材，可建造轻质纤维增强复合材料型材桥面板或与钢筋混凝土组合桥梁梁板，减轻桥梁自重，提高桥梁跨越能力和耐久性能。可见，通过使用碳纤维增强聚合物材料制造桥梁梁板具有高强度、轻质化和耐久性等优势，提高梁板的承载能力、抗震性能和耐久性，同时减轻结构自重，简化施工工艺。同时，材料成本、设计规范和可持续性等方面仍需综合考虑。

2.3 桥梁加固

快速、经济和有效的加固技术对于在服役钢筋混凝土结构损伤修复是桥梁工程的一个研究热点。采用外粘接预应力玻璃钢板[9]和近表面安装玻璃钢条[10]是两种重要的纤维增强材料加固混凝土结构的热门技术。使用预应力近表面安装CFRP条可以结合上述两种技术优点，显著改善构件的弯曲承载力[11]。Nguyen-Minh L等研究了FRP-U形包加固无粘结后张梁的剪切性能，变量包括混凝土强度、玻璃钢层数、玻璃钢u形包层方案(连续和间隔)、玻璃钢类型以及有效深度的剪切跨度变化，结果表明，混凝土强度越高，CFRP抗剪加固效果越好，CFRP层数、加固方案和CFRP类型对梁的抗剪性能影响较小[12]。Rafael Alves de Souza和 Vladimir José Ferrari在MATLAB平台上开发了基于CFRP的钢筋混凝土梁的抗弯加固设计程序[13]。

与其他加固方法(如添加钢筋或钢板)相比，碳纤维具有经济、重量轻、耐用性高等优点。Bahareh Nader Tehrani使用预应力CFRP板通过在外部粘结槽上加固的方法（EBROG）对钢筋混凝土梁进行弯曲加固实验，结果表明，在没有任何端部锚固的情况下，EBROG技术能够很好地将预应力传递给梁，降低了加固成本[14]。M. Zoghi和 D. C. Foster采用CFRP复合带对预应力混凝土箱梁桥的筋膜梁进行强化修复，并成功应用于升级霍普金斯街大桥[15]。Zhou C.等[16]提出了使用CFRP- U形条对T形RC梁进行抗剪加固，抗剪承载力比未加固对照试件平均提高约60%，当CFRP配筋比例较高且分布均匀时，试件强度最大可提高近75%，延性显著提高。

通过使用CFRP可以加固桥梁梁板、墩柱和梁柱等关键部位，提高结构的承载能力和抗震性能。纤维复合材料具有高强度、轻质化和耐久性等优势，可以延长桥梁的使用寿命，并减少维护成本。

2.4 桥墩改造

CFRP在桥墩的应用中表现出优越的性能。CFRP片材加固改造桥墩方式有两种。一是在桥墩受拉侧沿轴向粘贴CFRP片材，提高桥墩受拉侧的抗拉强度和抗弯能力；二是粘贴纤维方向与桥墩中心线垂直，提高其抗剪能力。粘贴方式有间隔式条带法、全包法等。其中，与桥墩中心线垂直包裹的方式可对桥墩混凝土产生约束效应，提高桥墩承载力。

CFRP加固桥墩可以有效提高桥墩抗车辆冲击能力。Chen X. 等[17]将钢和CFRP用于铁路重力桥墩的改造，经CFRP包覆和粘结钢加固后，桥墩承载力提高了100%以上，改善了加固桥墩的抗震性能。Zhou S.C.等[18]对16座圆形钢筋混凝土桥墩进行了纵横向三种不同加固方式的抗震加固试验，通过比较使用和不使用CFRP抗震加固以及静态和动态加载条件下，对瞬态动力特性、损伤演变和冲击后损伤进行研究，CFRP抗震加固降低了圆形钢筋混凝土桥墩在横向冲击荷载作用下的易损性，满足了多灾害预防要求，提高了桥梁耐用性。Li R.等[19]通过对裸柱和CFRP增强RC柱进行横向冲击试验，从纤维取向、层数、加固高度以及FRP类型等方面探讨加固桥墩抗车辆冲击的有效方案。研究发现，与裸桥墩相比，CFRP加固桥墩可提高桥梁抗车辆冲击的安全域度，并在一定程度上避免了高速卡车碰撞下的桥梁倒塌。Xue J.等[20]对强震后受损的钢筋混凝土桥墩采用CFRP加固，提高了桥墩延性和抗剪强度。

通过使用CFRP或与其组合的复合材料，可以加固和增强老化、损伤或结构不足的桥墩。碳纤维复合材料具有高强度、轻质化和耐久性等优势，一方面可以提高桥墩的承载能力和抗震性能；另一方面它们可以用于包裹和加固桥墩柱体、增加抗弯和抗剪能力，并提供防腐蚀保护。

此外，碳纤维网格用于桥梁路面的铺装，可以提高水泥、沥青铺装路面的耐久性[21]。

综上，CFRP材料的抗腐蚀性、耐久性、轻质高强等特性能满足桥梁工程建设要求，通过充分发挥纤维增强材料的高强度和轻质化优势，提高桥梁的承载能力和抗震性能，纤维增强材料的耐久性和抗腐蚀性能可以延长桥梁的使用寿命，CFRP在桥梁建设领域中的应用潜力巨大。

3 结语

学科交叉正推动各行各业技术进步，材料学科与桥梁工程的结合势必促进桥梁工程的大发展，新材料的不断涌现给桥梁工程发展带来机遇与挑战。碳纤维增强复合材料因其轻质高强、耐腐蚀、耐久性优良等诸多优势与传统混凝土材料实现了有效的互补，甚至在相关领域实现了替代。随着材料科学与技术的不断进步，通过升级材料性能、改进施工技术、完善设计规范、开发可循环利用的纤维增强材料等技术手段，碳纤维增强材料将在桥梁工程领域持续推广应用，有望在桥梁工程中发挥更重要的作用，实现更安全、更耐久和更可持续的桥梁建设。