碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced polymer）简称CFRP， 是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。CFRP具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、可设计等特点，起初主要应用在航天航空、军工产品、车辆工程等领域。近十几年来，随着经济发展和科技进步，建筑结构呈现大型化、复杂化、高效能、智能化等多元化发展趋势，对建筑材料也提出更高的要求，CFRP也因此逐步迈入土木工程师的视野。CFRP材料既适用于新建结构，也适用于既有结构的加固补强，工程应用前景十分广阔。

碳纤维的抗拉强度是建筑钢材的十几倍，而弹性模量与钢材相当，某些高弹性碳纤维的弹性模量甚至达到钢材的2倍以上。碳纤维材料承载能力最常见的运用就是将CFRP片材用树脂基粘贴在构件表面进行加固补强，以混凝土梁为例，起初人们直接将未经过任何张拉的CFRP片材用树脂粘贴在梁底（图1），但大量试验与工程应用证明，这种方式下钢筋混凝土构件即使在加载至破坏时，FRP片材中的应力仍然不到其极限强度的5%，即材料强度并没有得到有效发挥。

为充分发挥CFRP片材高强度的优势，学者们提出先对FRP片材施加预应力再进行粘贴的加固技术，该法依靠混凝土与碳纤维片材之间的粘结共同工作，由于片材上的拉应力需要向混凝土传递，会在树脂层中形成剪切应力和垂直于片材板面的剥离应力，这些应力在FRP片材端部尤为突出，当超过粘结层材料的强度极限时，加固梁可能会出现剥离破坏，为了延迟这种破坏，提高CFRP材料的利用率，工程师们先后提出了多种加强端部锚固的措施，如预应力U型箍锚固（图2）、预应力钢板—螺栓锚固（图3）、预应力波形齿多点锚固体系（图4）等。（注：FRP是纤维增强复合材料的总称，还包括玻璃纤维、芳纶纤维等）。

图1 非预应力普通粘贴

图2 预应力U型箍锚固

图3 预应力钢板—螺栓锚固

图4 预应力波形齿多点锚固体系

CFRP片材用作既有结构的补强通常只能视为一种安全储备，并不能在实际意义上提高构件的承载力。而直接作为受力构件的、可用于桥梁结构的碳纤维拉索以及相应的锚固技术近年来已经被研究，并且在小型桥梁中得到了尝试性应用。2004年，由东南大学、江苏大学和北京特希达科技有限公司共同研制的我国第一座 CFRP 索斜拉桥（总长 55m）在江苏大学校内建成（图5），该桥是当时国内唯一具备实际使用功能并可作长期跟踪监测研究的试验桥。

图5 江苏大学CFRP索斜拉桥

弦支结构是一种典型的刚柔混合预应力结构，具有经济高效和造型轻盈等特点，目前已经得到广泛运用，如广州国际会展中心和国家体育馆等。

图6 弦支结构的基本类型

索作为一种柔性构件，在弦支结构体系中起到关键作用，可通过张拉拉索在结构中产生预应力改善结构的受力性能并减小结构变形。但随着钢制索具的长期使用，其弊端逐渐开始暴露，最突出问题就是耐腐蚀性差，钢材腐蚀导致材料力学性能退化，会给结构带来重大安全隐患，四川宜宾南门大桥就曾因拉索腐蚀断裂而造成结构破坏。

图7 四川宜宾南门大桥破坏现场

相对于钢材，CFRP最突出的材料性能就是耐腐蚀性好，国内外大量耐久性试验表明，CFRP在酸碱盐腐蚀环境下的长期力学性能十分稳定，强度基本不变，弹性模量只降低15%左右，因此有学者提出用CFRP索来替换钢索。

图8 CFRP索-弦支穹顶结构模型

图9 连接节点构造

除耐腐蚀外，碳纤维还具有抗拉强度高、比强度大、耐疲劳、减震吸能和线膨胀系数小等优点，从表1可以看出，CFRP的质量仅为钢材的1/5，比强度为钢材的5~20倍，高强轻质性能十分突出，可减轻结构自身重量，有利于弦支结构实现更大跨度。

索作为一种预应力构件需要预应力保持自身刚度，因此要尽可能避免预应力损失。实际工程中的拉索在自重作用下会产生一定垂度，而且垂度会随时间推移而增大，过大的垂度不仅会影响拉索的线性状态，还会导致索中的预应力损失。在轴力、长度和倾斜角度一致的情况下，拉索的垂度取决于材料密度，从这一角度看CFRP密度小的优势再次体现，但也有学者提出由于自重减轻，主缆的重力刚度减小引起的非线性动力学行为（如风雨激振、地震等作用）需要加以控制。

引起预应力损失的另一要素是温度作用，CFRP索及钢索的线膨胀系数如下表所示，可以看出，CFRP索的纵向线膨胀系数仅为纯钢的1/12，即温度变化引起的变形非常小，有研究报道称200m跨度长的CFRP索在升降温30℃条件下的变形不超过10mm，预应力损失比例不足1%，在工程中可以忽略不计。

CFRP作为一种优异的新型土木工程材料，虽然在加固领域已经广泛使用，但作为拉索在大跨结构中应用目前还主要处于研究阶段，正式投入实际工程还有几方面问题亟需解决：

一方面虽然CFRP索轴向抗拉强度很高，但其横向抗剪能力较弱，传统夹片式锚具容易致其损坏，需要研发出工艺简单、锚固性能可靠的新型大吨位CFRP索锚具及锚固体系，目前较多学者认为“粘结+夹片”的复合式锚具可能是有效途径；

另一方面CFRP自身具有明显的各向异性，在制造过程中不可避免地会出现纤维断裂、界面剥离等初始缺陷。在服役过程中，长期循环荷载或突发性瞬时冲击荷载作用下，损伤进一步累积，材料分层甚至断裂，材料的承载性能、稳定性能及可靠性都将遭遇挑战，因此需要进一步改善碳纤维材料的工业化制备工艺，并且提升结构精确检测的相关技术。

碳纤维是一种神奇的工程材料，文中介绍的仅是其承载性能方面的应用，事实上它还具有自感知特性（有学者称之为智能材料），其电阻与应变具有良好的线性关系（力阻效应）、电阻率受温度变化影响也存在一定规律（温阻效应），因此，在利用CFRP优良承载特性的同时，还可将其作为一种智能传感元件，通过对构件中材料的电学信号响应、反馈进行实时监测，可对实现结构受力状态、变形等的有效识别，对结构内部损伤进行判断、定位和预警。利用承载构件自身具备的自感知特性，实现可靠、高精度的无损检测，也是当下的研究热点，关于这一部分内容，我们以后再做介绍。

参考文献：

[1] 廖妮. 碳纤维复合材料加固钢筋混凝土结构研究[J]. 科技展望, 2016，10（3）

[2] 汪燕. 高性能CFRP索的弦支穹顶结构的静力性能与试验研究[D]. 江苏大学，2016.

[3] 季园园, 韩庆华. CFRP在土木工程中的应用研究[J]. 结构工程师, 2014，22（41）.

[4] 黄俊捷, 刘荣桂. 基于碳纤维材料力阻效应的传感器工程应用初探[J]. 玻璃钢/复合材料, 2017，5(9).

“转自：非解构-公众号”