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碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用及其前景

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碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用及其前景作者: nengyuan点击率: 1169碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用及其前景孙杰1，孙峙华1，胡荣根21．武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063；2．浙江浦江县公路段，浙江浦江322200摘要：碳纤维复合材料(CFRP,)在桥梁工程中的应用，是目前国际土木工程领域研究开发的一个热点。

本文在简述CFRP复合材料的特性和国内外的发展情况的基础上，介绍了CFRP力筋在混凝土桥中的应用情况及其对既有桥梁的加固。

最后，本文还指出了CFRP复合材料应用于桥梁工程中存在的问题及其发展前景。

关键词：复合材料；碳纤维加劲塑料(CFRP)；桥梁工程；CFRP力筋；桥梁加固纤维加劲塑料(Fiber Reinforced Plastic，简称FRP)是由包裹在树脂母体中的连续纤维做成的复合材料，纤维起加劲作用，而树脂主要起粘合纤维的作用。

纤维加劲塑料视其所用纤维的不同可分为碳纤维加劲塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，以下简称CFRP)、玻璃纤维加劲塑料(GFRP)及芳纶纤维加劲塑料(AFRP)等3大类。

作为复合材料的杰出代表—一碳纤维复合材料(CFRP)除了具有钢材的一般性能外，还可以根据结构需要进行设计，以满足单一材料无法达到的性能要求，为人们在选择和设计材料等方面提供了更大的自由度及美好前景。

以下是它的一些独有的性能：(1)CFRP具有比钢材高出10几倍的抗拉强度，一般为1500～1900 MPa，高的可达2400～3000MPa：顺纤维方向其抗拉强度远大于普通钢筋，与高强预应力筋相近。

(2)CFRP抗疲劳性能优良，据试验表明，当平均应力为550MPa时，200万次循环荷载应力幅度可达900MPa，高出钢材3倍。

(3)CFRP减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，同时内阻也很大，一旦激震起来，衰减也很快。

(4)CFRP具有优良的耐化学腐蚀性，它是一种优良的电绝缘体，用它制作的设备或构件具有良好的耐酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力。

(5)CFRP材料是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构形式和材料美学的高度统一。

CFRP所具有的高强、轻质等独特的性能和优点，使其作为结构用材在桥梁工程中的应用具有很广阔的前景。

1 CFRP材料在国内外的发展复合材料应用于桥梁工程起始于上世纪70年代末和80年代初期。

美国、保加利亚、以色列和中国均有应用。

但CFRP材料从80年代后期才引起国际工程界的注意，开始作为钢筋、预应力钢材的替代品加以研究。

近几十年来，国内外的碳纤维及其复合材料工业处于高速发展阶段。

CFRP及其复合材料的力学性能取得突破性进展，生产技术和生产效率明显提高，产品成本稳中有降，因此，CFRP 材料用于桥梁工程的研究在一些发达国家开展得十分广泛。

进入90年代末期，这些研究成果已开始大量应用于实际工程，比如工程界将其作为PC桥梁的张拉材料、建筑物的外墙材料、既有桥梁的加固材料等等。

截止到1997年，国外用CFRP力筋修建的PC桥梁已有10余座，采用CFRP对病害桥梁进行修复加固的实例也不少。

直到1997年我国才正式开始这一领域的研究工作，并在1999年开始了实际的工程应用，截至目前为止国内已有近10余个研究所和10余所高等院校对其技术性能进行了约20项研究，已取得了大量的科研成果。

目前，碳纤维及其复合材料的生产能力多年来一直过剩，各大公司还继续扩大生产能力，生产效率也比当初几乎提高100倍，使生产成本进一步降低，为CFRP在结构工程中的应用创造了条件。

2CFRP在桥梁工程中的应用2．1用CFRP修建桥梁由于CFRP绞线和棒材具有耐腐蚀性好、强度重量比高、低松弛及耐疲劳等特性，目前大量用作桥梁的预应力筋或体外筋。

日本是第一个在混凝土桥梁中采用CFRP绞线作预应力筋的国家，并修建了一系列CFRP作力筋的桥梁，不同类型的CFRP力筋性能试验及研究以及所需锚固系统都已完成。

并且为了探测采用CFRP力筋的混凝土构件的承载力和耐久性，做了静载及疲劳试验。

这些结果被用作CFRP力筋预应力混凝土桥设计和施工的指导准则。

准则包括：材料性能、设计原理、容许应力、试验和材料检验，CFRP力筋混凝土桥的指导步骤。

德国也于1991年在一座后张预应力混凝土高速跨线桥中，部分力筋采用了CFRP绞线，4束19根Φ为12．5 min的CFRP绞线组成大型预应力束，用楔形系统锚固在梁上；德国BASF 公司还设想用CFRP拉索制造100m跨径的桥梁；美国加州大学用缠绕方法制造出混杂复合材料的缆索，准备用其替代长滩德曼得桥上80根拉索中的4根；瑞士联邦材料实验室(EMPA)完成了碳纤维增强塑料(CFRP)拉索的室内静动力试验。

CFRP在桥梁中的应用，特别是CFRP 绞线和棒材用作预应力筋和体外筋的实践，也为CFRP用作超大跨桥梁的缆索材料打下了应用基础。

2．2CFRP在既有桥梁的修复加固随着运输量的日益增加以及桥梁使用年限的增加，既有桥梁中相当一部分已不能满足使用要求，需进行维修加固。

由于CFRP复合材料的诸多优良特性，且能以较大长度供应而无需搭接，能施加预应力，可与混凝土、砖石、钢、木材等牢固粘结，故已有越来越多的专家倾向于用CFRP板以加固既有桥梁来恢复和提高既有桥梁的承载能力。

相对于粘贴钢板加固，粘贴CFRP复合材料加固桥梁具有施工方便、适应性好、耐腐蚀、几乎不增加结构自重、不必打孔，因而对原结构不会造成新的损伤等优点。

用粘贴CFRP板加固桥的技术，1991年7月首次用于瑞士伊巴赫桥的加固。

该桥为总长228m 的多跨连续箱梁，腹板的几根钢筋不慎被割断，被损坏的桥跨长39m，原计划用175kg钢板将桥梁承载能力恢复到设计值，后改为CFRP板进行了补强。

补强用了2块1．75×50×5000 CFRP 板和1块2×150×5000 CFRP板，总共用了CFRP板6．2 kg。

尽管CFRP板的价格比钢材高9倍左右，但CFRP与钢材的等功能花费是基本相当的，且用CFRP板加固桥梁操作容易，可大幅度降低劳动成本。

采用CFRP材料进行桥梁加固修复的技术在我国也得到了一定的应用。

其中哈尔滨市原南直旧桥的成功加固修复就是一个典型的实例。

哈尔滨市原南直旧桥经过近10年的使用，T梁多处出现裂缝，因新建东直桥需重复利用13跨南直旧桥，故加固修复。

根据抗震加固设计要求，对T梁结构构件进行可靠性评估和检测。

其结果表明T梁的承载力不满足抗震要求，T梁的腹板和翼缘上普遍存在着裂缝，大部分裂缝的宽度都超过了规范的容许范围。

因此，从安全性、适用性、耐久性3个方面考虑，需要对T梁进行加固。

经过众多方案的比较，最后确定采用在T梁腹板底部粘贴碳纤维材料进行加固。

在东直桥加固旧T梁工程中，共加固20m长的T梁130榀，实际粘贴240 m，仅用15d完成全部加固施工。

这表明用碳纤维复合材料进行桥梁加固施工便捷，工效高，整个施工过程无需使用任何大型机具，与粘贴钢板相比，其施工质量更易于保证。

目前国内外将CFRP用于既有桥梁的加固的实例也很多，其主要有以下两个方面的用途2．2．1用轻质CFRP板对混凝土梁进行外部加固用外贴钢板对既有混凝土梁进行外部加固，国内外已有相当多的实例，但该方法仍有很多不足之处，如钢板剥离、生绣等耐久性的问题等。

而使用CFRP板为桥梁的加固提供了一种新的方法。

CFRP板形同薄布、易于粘贴，可适应任何形状的表面且操作简便、效果良好，大有取代钢材之势。

CFRP板可粘在混凝土梁的顶、底板上用以提高梁的挠曲强度和刚度，也可粘贴在梁的腹板上用以提高其抗剪强度。

把CFRP板进行粘贴施工与普通钢板的粘贴类似，但比钢板粘贴快速、简便。

施工时只需在处理好的底层和CFRP板上涂上胶粘剂，然后人工将CFRP板安放到底层上并加压、滚压到位即可，而无需使用顶杠或栓接。

粘贴CFRP板对提高RC梁刚度是非常有效的。

许多试验结果均表明，使用CFRP板加强RC 梁的强度比未使用CFRP板加强的梁提高了24％～80％。

图1为Urs Meier所做试验结果。

2．2．2用CFRP带材对墩柱进行抗震加固既有桥梁经长期的地震荷载或遭意外撞击，其墩柱常会产生开裂甚至失效而影响桥梁的使用寿命。

调查研究表明，墩柱的脆断破坏主要是纵筋的细节设计不当、横向箍筋的约束不足致使墩柱的强度与韧性指标偏低造成的。

采用在主筋减少的断面粘贴板状CFRP和在环箍方向卷绕CFRP带材，能有效地提高墩柱的强度和韧性，从而提高其抗震性。

因碳纤维束易变形、可紧密地缠绕在墩柱的表面，且碳纤维强度与弹性模量又较高，它形成的约束套箍可对混凝土产生很强的约束作用，它比钢板缠绕施工要简便得多。

用CFRP带材加固墩柱，所使用的缠绕机不需要重型吊装设备，所需的施工空间也小，在2h内即可缠绕一根6m高的墩柱，可节约大量的人力、物力，其经济效果显著。

3CFRP在桥梁中的应用前景及其需进一步解决的问题用CFRP材料建造或修建桥梁，其优越性是明显的。

①耐久性好，CFRP构件已有40年不需特别养护的成功经验。

②质轻高强。

结构恒载减小，有效承载力提高，设计中活载应力的比例由常规材料的10％～20％增加到50％～70％。

使用CFRP复合材料作为斜拉桥的拉索将允许桥梁极限跨度增加到钢索斜拉桥跨度的1．3～2．3倍以上。

表1列出了钢索、复合材料CFRP拉索斜拉桥可能达到的极限跨径。

③CFRP材料建造或补强桥梁，施工方便、维修工作量小、在现场粘贴复合材料CFRP比粘贴钢板容易。

用复合材料CFRP进行桥梁建设和补强加固起步较晚，可是发展较快，已经取得了一定的成绩，但由于CFRP复合材料属结构性材料，其本身的不足或人们研究的不全面，所以致使CFRP 复合材料应用于桥梁工程还存在一些有待进一步解决的问题。

(1)后张法预应力混凝土结构中，CFRP制品的锚固方式。

若利用CFRP的耐久性，作为无粘接力筋CFRP的疲劳问题，含CFRP混凝土结构构件的应力应变关系及其设计、试验方法以及结构材料的耐久性问题；(2)材料的开发问题。

尽管国外已有多种定型成熟的碳纤维材料产品，但国内的大规模开发应用不能完全依赖于进口产品，国产化是实现的一个根本条件。

国产的PAN基碳纤维强度指标一般在2000—2500 MPa之间、弹性模量在2．1×15MPa左右，是有一定保证的，但在预浸料生产及加工成品质量方面仍有较大欠缺，均匀性也较差。

同时，上述单一的性能指标也不可能满足对碳纤维材料多样化的要求。

因此，国内有关材料与建筑的研究、生产与使用单位如何更好协调研究并生产出适合国内市场的碳纤维材料是一个关键问题，也将有很长的路要走；(3)用粘贴CFRP复合材料板加固补强既有结构，其粘贴施工工艺、被加固梁的长期性能，包括cFRP复合材料板和粘贴剂固化后的老化性能、耐久性能，胶粘剂徐变收缩对梁体性能的影响以及梁体的可靠性及疲劳可靠性，都是有待进一步研究的问题。

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浅谈碳纤维复合材料在桥梁梁体加固中的应用

浅谈碳纤维复合材料在桥梁梁体加固中的应用

周 法 既 可 作 为 桥 梁 通 过 重 车 的 临 时 加 固 手 段 ． 可 作 为 永 久 性 提 高 桥 梁 荷 载 又 等 级 的 措 施
２４ 改 变 结 构 受 力体 系 加 固 法 ． 这 类 方 法 是 通 过 改 变 桥 梁 的 受 力
通 的要求 ． 这些 问题 不仅 影 响 到桥 梁 的 正常 使用 ． 重 的还会 给 国家 和人 民带 严
料 一 钢 材 与 混 凝 土 ． 是 作 为 传 统 建 材 而
的一 个 重 要 补 充
梁 或 板 ． 用 对 受 拉 区 施 以 体 外 预 应 力 采 加 固 ． 以 抵 消 部 分 自重 应 力 ． 到度 地 提 高 梁 的 从
是 ２ １世 纪 土 木 工 程 领 域 可 持 续 发 展 的 重 要 研 究 课 题 Ｃ Ｒ 用 于 桥 梁 加 固 由 ＦＰ
性 和抗 裂 性 能不 足 时 ． 常 采用 增 大 构 通
件 截 面 、 加 配 筋 、 高 配 筋 率 的 加 固 增 提
来 巨 大 的 损 失 ． 了适 应 现 代 交 通 的 需 为 要 ． 足桥 梁 设 计 规 范要 求 。 须 对 这 满 必
些 桥 梁 进 行 加 固 补 强
土结 构 的受 拉 区边缘 或 薄 弱部 位 ． 钢 使
板 与 桥 梁 结 构 成 为 整 体 ． 成 一 个 由 混 形
凝土 、 接剂 及 钢板 组 成 的相 复 合 系统 粘
以共 同受力 ． 到提 高 桥 梁承 载 力 的 目 达
的。
体 系 ． 到提 高 承载 力 的 目的 。例 如 在 达
简 支 桥 梁 下 增 设 支 架 或 桥 墩 ． 将 简 支 或
新 世 纪 土 木 工 程 的 发 展 在 很 大 程 度 上 依 赖 于 性 能 优 异 的 新 材 料 的 应 用 和 发 展 。对 于 传 统 的 钢 筋 增 强 材 料 。 应 寻 找 一 种 强 度 高 、 量 轻 、 腐 蚀 和 耐 重 耐
碳纤维复合材料在桥梁建筑中的应用

碳纤维复合材料在桥梁建筑中的应用


普通钢筋
７ ８ ．５
２０ １
４ ０～ ０ ９ ７０
１ ． ００
高 强 度钢 筋 ７ ８ ．５
１０～ ｏ ４ ｏ～１６ ４ ０ ８ ２ ０ 【０ ８￣ ． 【１ ． Ｏ～ｌ２ ＿
碳 纤 维 筋 １５—１ ６ １０—１０ 【ｏ ３ ０ ． ． ． ２ ８ ５ｏ一 ７ ｃ０ ５～１７ ． ｌ一３ 碳 纤 维 绞 线 １５～１６ ． ． １７ ３ 【８ ２ ５ １ ＿ ６０～ ４ Ｃ ～ｌ５ １８ ．
弹 性 模量 抗 拉 强 度 极 限 应 变 ｌ０ｈ ０ 纤 维 筋类 型 （ 松 弛 率 ｇｍｍ （ Ｐ ） ／ ） ＇ Ｇ ａ （ ａ ＭＰ ） （ ） ％ （ ） ％ 密 度
１ 碳 纤维及 其复 合材料 的发展 状况
随着新型复合材料 的研发不断取得成功 ， 生产工 艺的不 断成熟 ， 其在建筑行 业中正不 断得 到大量 的使用 。碳 纤维增 强复合材 料（ Ｆ Ｐ 具 有质量 轻 、 ＣＲ ） 比强度 高 、 比模量 高 、 耐腐 蚀、 耐疲劳 、 耐磨 、 变小 、 蠕 化学惰性 、 动衰减 稳定 、 电磁 振 抗 干扰和生物相 容性好等优点 ， 逐渐得到建筑业 的重视 。目前 世界各国发展的主要是 Ｐ Ｎ基碳纤维 和沥青基 碳纤维 。其 Ａ
新， 碳纤维复合材料必将得 到更 加广泛地应用 。
量轻 、 比强度 高、 比模量高 、 耐腐蚀 、 耐疲 劳、 耐磨 、 蠕变小 、 化
学惰性 、 动衰减稳定 、 振 抗电磁干扰和生物相容性 好等优点 ， 同时具有 良好 的传热和导 电性能 见表 １ 。 作为复合材料 ， 碳纤维增强塑料 （ Ｆ Ｐ 筋 、 Ｃ Ｒ ） 玻璃纤 维增 强塑料 （ Ｆ Ｐ 筋 、 纶纤维增 强塑料 （ Ｆ Ｐ 筋在物 理 、 ＧＲ ） 芳 ＡＲ ） 力 学性能上有许多共性 ， 但也存在许多差异 ： （ ） Ｆ Ｐ筋 纵 向抗 拉强 度最 高 ， １Ｃ Ｒ 达到甚 至 超过 高强 度
先进复合材料在桥梁中的应用现状和发展前景

先进复合材料在桥梁中的应用现状和发展前景

先进复合材料在桥梁中的应用现状和发展前景一、前言现代交通的发展，对桥梁的营运质量和寿命提出了更高的要求。

钢材的锈蚀是危及桥梁安全和耐久性的大敌，人们探索过很多防锈措施，但效果并不理想。

先进复合材料具有耐腐蚀、重量轻(容重只有钢材的五分之一至四分之一)、强度高(强度高于高强钢丝或与之相当)等突出优点。

为解决桥梁锈蚀问题，最近二十多年中，人们把目光转向新型材料，先进复合材料建桥技术的研究与开发受到重视，并已取得实用性成果。

可以展望在二十一世纪，随着先进复合材料工业的技术进步、规模生产和成本的下降，它在桥梁结构工程中的应用规模将不断扩大，并必将把桥梁结构工程提高到一个崭新的水平。

二、先进复合材料的基本特性先进复合材料(Advanced Composites)又称纤维增强塑料(Fibre Reinforced Plastics，简称FRP)，是以非金属纤维(如玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维)作增强材料，以树脂(如不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂)作基体材料的复合材料。

树脂将纤维束结成整体，既能保护纤维免受机械破坏和化学腐蚀，又能使纤维整体受力。

先进复合材料具有以下特点：1、强度高。

用S玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维做成的复合材料筋束，其抗拉强度高于高强钢丝，用E玻璃纤维做成的复合材料筋束，其抗拉强度与高强钢丝接近。

2、耐腐蚀。

玻璃纤维复合材料水管的寿命为钢水管和混凝土水管的两倍。

3、应力应变关系直至破断均呈线性。

4、弹性模量。

碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。

5、疲劳特性。

碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝，E玻璃纤维复合材料的疲劳强度则介于普遍钢丝和高强钢丝之间。

金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30%～40%。

由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。

碳纤维增强复合材料在桥梁加固工程中的应用

碳纤维增强复合材料在桥梁加固工程中的应用

３ ． １ ＣＦ Ｒ Ｐ 的 抗 疲 劳 问 题
１ ． 碳纤 维增强复 合材 料 的特 点与桥梁 加 固的优点
１ ． １ Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ材 料 的特 点 ． 碳 纤 维增 强 复合 材 料 （ Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ ） 。 具 有 自身 重 量轻 ， 强度 高 、 耐腐 蚀 性 好 以及 抗疲 劳性强 的优点 ， 并且在 施工 中操作更加 简单 。 １ ． ２ Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ材 料加 固桥梁 的优 点 Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ材料 加 固桥 梁优 点显著 ，使用 Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ材料 加 固结构主要 是 将 其粘 贴在或 者是植 入结构 组织 的受拉 区表 面 ， 通过 使用其 超高性 能 抵 抗结构 中承受 的拉应 力 。和粘 贴钢板 加 固工程相 比， 粘贴 Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ材 料 加固桥 梁具有 以下几 方面 的特 点 ： （ １ ） 施工操 作便利 ， 不需要 使用 一 些 大型 的工程机 械 ， 对环 境要求 不高 ， 占用施 工场地 面积较 小 。 （ ２ ） 擞 率 高强度 高 。其 自身 强度 较 高， 在加 固修 补混 凝土结 构操作 中此项优 点能够 完好 发挥 。强化 结构 的组织 应 力， 改 变受 力方 式 ， 完 成 高效 加 固的修补 目标 。 此 项操作 爱抗震 加 固与 补强方 面 的意 义十分 重大 。 （ ３ ） 良好 的耐腐蚀 性与 耐久性 ，通 过相 关 的研 究实 验证 明 ， Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ材料 在 加 固修补 混凝土 结构 时耐腐蚀 性与耐 久性较 强 ， 对于 强酸盐碱 物质 的 抵 抗能力 较强 。 （ ４ ） 施工 质量有保 证 ， 因为 Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ材料 在 固化 之前较 为 柔软， 就 算是 加 固的 结构 表 面并 不平 整 ， 基 本上 也 可 以实现 １ ０ ０ ％的 有效 粘贴率 。除此之 外就算 是粘 贴固化之 后 ，发现 表面存 有气泡 ， 修 补起 来也 是非 常的方 便 ， 只需要将 树 脂注 射进 气泡 当 中， 占据 气 泡 的 空 间就可 以了 。 但 是粘贴钢 板却难 以达 到有效 的 １ ０ ０ ％的粘 贴率 。（ ５ ） 加 固成本 低 ， 经过 相关 研 究证 明 ， 使 用 ＣＦ Ｒ Ｐ材料 取代 传统 钢板 的桥 梁加 固 ， 能够 节约大 概 １ ／ ４的资金 成本 。 ２ ． Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ材 料在桥 梁加 固工程 中的应 用 碳 纤维使 用在混 凝土 结构加 固工程 中，是从上 个世 纪 ７ Ｏ 年 代开 始 的， 当 中粘 贴 ｃ Ｆ Ｒ Ｐ桥梁 加 固技 术初 次使用 是在 上个世 纪 ９ Ｏ年代 。 经过 长时 间的发展研 究 ，～些发达 国家 已经取 得 了不俗 的发展 成果 ， 技术操 作 已经 相对成 熟 。 但是我 国在此方面 的起步较 晚，不管是理论研 究还是实践操作 ， 都 缺少相关经验支持 。伴随着碳纤维技术 使用 的广泛开展， 我们 尤其需要 加深对碳 纤维加 固混凝土结构 的具体操作性能有更好的研 究与理解 。 ２ ． １ Ｃ Ｆ ＲＰ材 料加 固工艺 的操作 流程与 操作要 点 Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ材 料加 固结 构技 术 使 用 的 是碳 纤 维 复合 材 料 的 特 点 ， 把 Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ材料 粘贴在 组织 结构 的表面 ，从 而达 到结构 加 固的强 化效 果 。 主要 的操作流 程可 以参见 下 图。