试析碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用

孙思嘉

南京工业大学交通运输工程学院（南京　210009）

试析碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用

孙思嘉

南京工业大学交通运输工程学院（南京210009）

碳纤维复合材料的出现是材料研究界里程碑式的事件，作为一种高性能材料被广泛应用于航空航天及军事领域。近几十年，碳纤维复合材料基于其高强度、低质量等优良的材料性能而受到桥梁界的高度重视并已取得重大进展。通过分析碳纤维复合材料的各项性能并结合相关实例概括性论述其在桥梁工程中的广泛应用及发展前景。

碳纤维复合材料（CFRP）；材料性能；桥梁工程；修建；加固

我国的桥梁事业起步于五十年代，并在八十年代崛起形成迅猛发展之势，各种结构形式的钢筋混凝土桥梁建成并投入通车运行。但随着国民经济的快速发展，近几年来，我国的交通事业迎来新的高峰，随之而来的就是运输总量的激增以及车辆轴载的增加，这使得许多原有的桥梁无法满足交通发展的需要而长期处于超负荷工作的状态，出现不程度的老化甚至损坏，极大影响了交通运行的通畅。因此，我国桥梁界开始将视线转向具有优良性能的碳纤维复合材料，并借鉴日本及欧洲各起步较早国家的成功案例，在桥梁的实验性修建和维修加固中都取得了重大进展。

1　碳纤维复合材料的特点

（1）抗拉强度高

大量实验表明，碳纤维复合材料具有很高的抗拉强度，为普通钢材的10倍左右，一般情况下约为1 500～1 900Mpa，高则可达2 400～3 000Mpa：在纤维延伸方向远远大于普通钢筋，可以与高强度预应力钢筋相匹敌。我们都知道，在普通的钢筋混凝土桥梁中钢筋协助混凝土受拉，因而需要进行大量计算来配置数量、等级合适的钢筋来提高桥梁的整体抗拉能力。碳纤维复合材料的高抗拉强度性能很好的解决了桥梁在设计修建过程中对于抗拉强度的要求。

（2）抗疲劳性能优良

疲劳是指材料在荷载的重复作用下超过极限承载能力而产生的破坏，因而对于一座桥梁而言抗疲劳性能的好坏直接关系到整体桥梁结构的安全度。碳纤维复合材料的抗疲劳性能比高强度钢丝还要高出很多，这是由于纤维与基体的复合可以在很大程度上能够缓和表面裂纹的开展，并且存在于纤维内部的原有内力具有再分配的可能性。一般情况下，碳纤维复合材料的疲劳极限是静荷强度的70%～80%，并且在破坏之前有显著的变形，方便养护人员及时发现并进行修复。

（3）化学性质稳定

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特殊纤维，是人造化学纤维经过稳定的氧化处理、碳化处理以及石墨化处理等工艺制成。虽然不同种类的碳纤维含碳量各不相同，但一般都可以达到90%以上。碳元素位于元素周期表的中间位置，在这一段的元素均具有极其稳定的化学性能，除非遇到强氧化性酸等特殊的物质，在常温常压附近，基本表现为化学惰性，很难观察到碳纤维发生化学变化。所以，当将碳纤维复合材料用于桥梁结构的修建时可以极大的提高桥梁稳定性，很好的避免了桥梁由于特殊情况下的腐蚀或氧化而造成的失稳问题。

（4）质量轻

碳纤维复合材料是利用碳纤维与树脂、陶瓷、金属、玻璃等基体制成的复合材料，密度通常为1.5～2，仅相当于钢材料密度的1/4，铝合金密度的1/2，因而碳纤维复合材料的质量远远小于同等体积下的钢筋混凝土。在进行桥梁设计计算时需要考虑恒载和活载两大部分，其中恒载对于桥梁设计的影响占据较大的地位。所谓的恒载其实就是桥梁本身的自重，这直接由修建桥梁所选用的材料决定。所以，当采用质量很轻的碳纤维复合材料时可以很好的减轻桥梁自重对于桥梁修建的影响，同时也节约了搬运及安装的成本。

基于碳纤维复合材料具有抗拉强度高、质量轻、化学性能稳定、抗疲劳性能优良等一系列的优势，国内外已经将其作为钢筋的理想替代品投入到桥梁工程之中。其中日本是最早将碳纤维复合材料与混凝土相结合进行桥梁修建的国家之一。早在九十年代初，日本便修建了一系列以碳纤维复合材料作为力筋的桥梁，并对不同类型的力筋性能进行了相关试验及研究，这些研究成果均被作为此后运用碳纤维复合材料力筋进行预应力混凝土桥设计和施工的指导准则。我国对于碳纤维复合材料的研究起步较晚，但在近几年来也取得了许多突破性的进展。2012年，运用碳纤维复合材料制成的防撞设施运用于新孟滆大桥上就是一个成功的案例。新型的防撞设施质量轻强度高，具有很好的缓冲效果，并且在此后的使用过程中可以免维护，并且维修更换也十分简便，克服了传统利用钢材和橡胶材料的局限性，具有极强的借鉴意思和应用前景。

2　碳纤维复合材料在桥梁加固中的应用

随着国民经济的快速发展，客货交通运输总量逐年攀升，在修建更多新桥梁的同时，对于原有桥梁的维修加固同样是一个不容忽视的问题。

桥梁的加固不同于修建一座新的桥梁。首先，对于桥梁的加固是在已有桥梁的基础之上进行的，因而结构形式存在限制；一般情况下，所需要加固的桥梁仍需承担一定量的交通运输，不能因为加固而完全封闭；于此同时加固后的桥梁与原有桥梁的新老结合问题也是一个重要的挑战，必须做到两者能够和谐过渡。基于上述各项原因，原有的桥梁加固方法由于施工程序复杂，所需材料繁重等弊端急需寻求突破，而碳纤维复合材料的出现和运用就在很大程度上弥补了原有加固方式的缺陷而具有广阔的发展前景。

2.1碳纤维复合材料用于桥梁加固的原理

在前文中对于碳纤维复合材料的性能的论述可以看到其具有及其稳定的化学性质，可以耐酸，耐碱，耐高温等，因而将其包裹在原有结构的表面时可以起到很好的保护加固作用；（1）在以往的学习中了解到钢筋和混凝土之所以可以有效的结合在一起发挥作用是由于两者之间有着十分接近的线膨胀系数，而碳纤维复合材料的热膨胀系数较钢筋混凝土要低很多，当温度升高或降低时所产生的温度应力仅仅是其极限承载力的1%左右，完全可以忽略不计；（2）原有钢筋与混凝土之间有着良好的握裹性，这就使得两者在受力后可以共同变形，然而碳纤维复合材料则需借助粘结材料与混凝土结合。在已有的案例中我们通常的做法是使用粘结树脂作为胶结剂涂在混凝土表面，加强混凝土强度，使之与碳纤维密切结合从而形成稳固的整体；（3）配置在混凝土中的钢筋很大程度上就是协助混凝土受拉，改善混凝土抗拉强度低的特性。碳纤维复合材料虽然具有远高于钢筋的抗拉强度但是弹性模量与钢筋相差并不大，所以当用碳纤维复合材料代替钢筋用于混凝土中加固时并不会搭配不当的问题。

2.2碳纤维复合材料在桥梁加固中采用的方法

粘贴碳纤维复合材料板加固法：碳纤维复合材料是一种柔性材料，施工时可以直接在现场用剪刀裁剪出加固时所需的形状和尺寸而不需要提前在工厂进行预制并搬运到施工现场，有着较强的经济优势，因而对构件不同的外形都有着极强的适应能力，并且碳纤维复合材料的重量很轻，对于现场施工基本都是手工操作十分有利，不需要大型设备和施工工具，在较小的空间就可以进行施工，施工速度快工期短，粘贴质量也可以得到保证。此方法最早是在1991年用于瑞士伊巴赫桥的加固。在加固之前，瑞士的工程师们也进行了有关方案的比选。通过分析，虽然碳纤维复合材料的初期成本很高，但若采用传统的钢材进行加强，需要175Kg，并且运输和现场施工搬运都极其不方便，然而碳纤维复合材料仅仅需要6.9Kg，并且在一座桥梁的加固过程中材料费用仅占到总体费用的20%左右，其余的80%则是运输以及工人的工费，所以综合比较下来，利用碳纤维复合材料进行桥梁的加固就具有很大的优势。

随着利用碳纤维复合材料进行桥梁加固技术的不断成熟，我国也开始逐渐将重心转移到对于新型材料的使用上。其中比较典型的就是利用碳纤维复合材料对哈尔滨原南直旧桥进行加固。在加固之前南直桥已有十年的使用时间，T形梁横截面多处已出现裂缝。为满足规范中对于抗震性的要求，对T形梁构件进行可靠性评估，其结果表明T梁的承载力不满足抗震要求，并且翼缘板和腹板上的大部分裂缝的宽度都超过了规范的容许范围。因此，综合考虑耐久性、安全性、适用性，最后决定对T梁进行加固。进行加固之前，专家组对于多种方案都进行了比选，最后确定采用将碳纤维材料粘贴在T形腹板底部进行加固。此次的加固施工仅仅用时15天，这也证明了使用碳纤维复合材料进行桥梁加固施工可以节约大量的施工时间并且在整个施工过程中不需要使用任何大型机具，只需较少的人力即可完成操作，与粘贴钢板相比，施工质量更易于保证，优势十分明显。

3　碳纤维复合材料有待解决的问题

（1）目前我国所使用的碳纤维复合材料大多是依赖于进口，这样不仅大大增加了工程成本也在一定程度上阻碍了此种新型材料的推广进程。并且国外生产的大多是几种定型成熟的碳纤维材料产品，有时并不能完全满足国内市场的特定需求。因此，国内相关的材料研究与开发部门应就生产出一款适合我国使用的碳纤维复合材料做出更多的努力。

（2）利用粘贴碳纤维复合材料板进行桥梁加固时的核心问题在于粘贴施工工艺。其中包括被加固梁的长期性能是否受到影响，以及碳纤维复合材料板在与粘贴剂完成固化后，其老化性能和耐久性能的发展趋势。与此同时胶粘剂本身随着时间的推移也会产生徐变收缩的现象，这对与桥梁自身的性能必然会产生影响。

（3）碳纤维复合材料在粘贴过程中的横向连接锚固方式的设计一直是一项难题。未来仍需研究出高效、方便、经济可靠的连接方式。

（4）由于碳纤维复合材料的抗拉强度很大，这原本是一项优势，但是这可能会导致结构在发生破坏时，碳纤维复合材料制成的加筋尚未屈服但混凝土已经压碎的脆性破坏。因此，在进行桥梁修建及加固的过程中碳纤维复合材料和混凝土的混合比例大小仍需进一步的研究讨论。

4　结语

碳纤维复合材料作为一种全新的材料自问世以来就凭借其优良的性能而受到广泛的关注。不论是在航空航天等尖端领域还是在桥梁工程中都发挥着不可替代的作用。虽然碳纤维复合材料自身还是存在一些缺陷有待进一步的研究与探索改良措施，但这些都不能成为阻碍其发展的绊脚石。未来碳纤维复合材料依旧具有无比广阔的发展与应用空间。

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（责任编辑：文婷）

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10.19469/j.cnki.1003-3319.2016.03.0009